Motore di propulsione ad antimateria riprogettato utilizzando il kit di simulazione della fisica delle particelle del CERN

Schiaccia un pezzo di materia in antimateria e rilascerà mille volte più energia rispetto alla stessa massa di combustibile in un reattore nucleare a fissione e circa 2 miliardi di volte in più rispetto alla combustione dell'equivalente in idrocarburi.

Quindi non c'è da meravigliarsi se l'antimateria è il carburante dei sogni per i fan della fantascienza.

Il problema, ovviamente, è che l'antimateria è piuttosto scarsa, rendendo alquanto remota la prospettiva di costruire un razzo basato su questa tecnologia.

Ma di tanto in tanto i fisici mettono da parte queste preoccupazioni e si divertono un po' a capire quanto possano essere buoni i motori a razzo ad antimateria. Oggi è il turno di Ronan Keane della Western Reserve Academy e Wei-Ming Zhang della Kent State University, entrambi in Ohio, che affrontano un nuovo problema con risultati interessanti.

In primo luogo, un po' di scienza missilistica di base. La velocità massima di un razzo dipende dalla sua velocità di scarico, dalla frazione di massa dedicata al carburante e dalla configurazione degli stadi del razzo. Gli ultimi due fattori dipendono fortemente da dettagli fini di ingegneria e costruzione e, quando si considera la propulsione spaziale per un futuro lontano, sembra appropriato rinviare lo studio di tali specifiche, affermano Keane e Zhang.

Quindi questi ragazzi si concentrano sulla velocità di scarico, la velocità delle particelle prodotte nell'annichilazione di materia-antimateria quando lasciano il motore a razzo.

La spinta di queste annichilazioni deriva in gran parte dall'uso di un campo magnetico per deviare le particelle cariche create nell'annichilazione. Questi ragazzi si concentrano sull'annientamento di protoni e antiprotoni per produrre pioni carichi.

Quindi un fattore importante è l'efficienza con cui il campo magnetico può incanalare queste particelle fuori dall'ugello.

In effetti, la velocità di scarico di questi pioni dipende da due fattori: la loro velocità iniziale media quando vengono creati e l'efficienza del design dell'ugello magnetico.

In passato, vari fisici hanno calcolato che i pioni dovrebbero viaggiare a oltre il 90% della velocità della luce, ma che l'ugello sarebbe efficiente solo al 36%. Ciò si traduce in una velocità di scarico media di solo un terzo della velocità della luce, appena relativistica e alquanto deludente per i fan della propulsione ad antimateria.

Tutto ciò è destinato a cambiare ora, tuttavia. Keane e Zhang hanno elaborato un diverso insieme di cifre con l'aiuto del software sviluppato dal CERN che simula l'interazione tra particelle, materia e campi di vario genere.

Il CERN utilizza questo software, chiamato GEANT4 (abbreviazione di Geometry and Tracking 4), per comprendere meglio come si comportano le particelle al Large Hadron Collider, che a sua volta fa scontrare fasci di protoni e antiprotoni. Quindi è ideale per il compito di Keane e Zhang.

Il nuovo lavoro produce alcune buone notizie e alcune cattive notizie. Prima il cattivo. Le nuove simulazioni indicano che i pioni prodotti in questo modo saranno significativamente più lenti di quanto si pensasse in precedenza, viaggiando solo all'80% della velocità della luce.

La buona notizia è che le simulazioni GEANT4 indicano che un ugello magnetico può essere molto più efficiente di quanto previsto in precedenza, raggiungendo l'85% di efficienza. Ciò si traduce in una velocità di scarico media di circa il 70% della velocità della luce. È molto più promettente. Le vere velocità relativistiche tornano ad essere possibili, affermano Keane e Zhang.

Questi ragazzi hanno un'altra sorpresa nella manica. Il loro ugello ha un campo magnetico di circa 12 Tesla. Un tale campo potrebbe essere prodotto con la tecnologia odierna, mentre i precedenti progetti di ugelli anticipavano e richiedevano importanti progressi in questo settore, affermano.

Questo porterà un sorriso sul volto di molti fan della fantascienza.

C'è, naturalmente, il piccolo problema di raccogliere abbastanza antimateria per un viaggio di una lunghezza decente. Il numero di antiatomi prodotti al CERN è abbastanza piccolo da essere numerabile. Secondo una stima, a questo ritmo ci vorranno mille anni per produrre un singolo microgrammo di antimateria.

Keane e Zhang sottolineano che tutte le stime precedenti sono anteriori alla scoperta della sonda spaziale PAMELA lo scorso anno che la Terra è circondata da un anello di antiprotoni e suggeriscono che questo potrebbe essere estratto per ottenere carburante. Quello che non menzionano, tuttavia, è che PAMELA ha individuato solo 28 antiprotoni in due anni, molto meno della velocità con cui il CERN li produce su base giornaliera.

Keane e Zhang concludono osservando che altre tecnologie del carburante sono avanzate a un ritmo esponenziale, ad esempio la produzione di idrogeno liquido. Se la produzione di antimateria dovesse seguire una traiettoria simile, chissà cosa potrebbe accadere.

Interessante, divertente e selvaggiamente ambizioso, tutto molto divertente.

Rif: arxiv.org/abs/1205.2281 : Propulsione ad antimateria con nucleo a travi: progettazione e ottimizzazione del motore

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