梦幻星空宇宙：[组图]反物质太空船可能会将人类送往火星

图一：离格发动机的概念图

图二：正电子反应堆驱动的太空船的概念图

图三：正电子反应堆驱动火箭的原理图

    据redorbit网站2006年4月15日报道，美国宇航局先进理念研究所（NIAC）正在资助一个研究小组，该小组正致力于以反物质作为动力的太空船研究，这是一种全新的设计，该设计只产生低能伽马射线，比以前的伽马射线能量要低得多，从而可以避免产生这种极具放射性污染的副作用。
　　
　　在科幻小说中，大多数自主型恒星飞船使用反物质做为燃料，原因是反物质是最具潜力的燃料。要想把人类送上火星，需要成千上万吨的化学燃料，但是如果以反物质为燃料的话，仅仅几十毫克的反物质就能帮助人类实现登上火星的梦想。（一毫克约为一块方糖重量的千分之一）

　　实际上，获得这种能量是有一定代价的。反物质反应会产生高能量的伽马射线冲击波。伽马射线如同X射线作用于类固醇一样，他们能够穿透物体并破坏细胞中的分子，因此人体周围存在伽马射线是不利于健康的。此外，高能伽马射线还会碎裂发动机材料的原子结构，并使之产生放射性。
　　
　　反物质有时又称正物质镜像，因为它的一些物质特性是相反的，虽然它看起来和普通物质没什么不同。例如，从蜂窝电话到等离子电视，所有电器中都存在电流，电流中的电子和类似粒子都带有负电荷，而反电子则带有正电荷，因此科学家称它们为“正电子”。当反物质遇到物质的时候，两者将在瞬间湮灭并产生大量能量。正是这种能量的完全转化使反物质变得如此强大。就算是原子弹爆炸时瞬间产生的核反应，也仅仅只有约3％的物质转化成能量。

　　以前的反物质太空船设计使用反质子，它们在湮灭时会产生高能伽马射线。新设计将采用正电子，正电子产生的伽马射线能量比反质子低400倍。

　　先进理念研究所正对此展开初步研究，以验证这种思路是否可行。如果这种思路确实可行，并且具备成功开发这种技术的资金，那么正电子动力太空船与现在的火星登陆计划（或者称为火星任务提案）相比将有几个方面的优势。

　　位于美国新墨西哥州首府圣塔非的LLC旗下的正电子研究员格兰德－史密斯说，“我们取得的最重要进展就是使其更加安全可靠”。目前美国火星登陆计划正提议使用核反应堆为火星太空船提供动力。这对人类来说是一个可行的办法，因为核动力可以缩短太空船飞往火星的时间，减少宇航员们受到的宇宙射线伤害，以此来增加对宇航员们的保护。而以化学燃料作为动力的太空船则显得过于笨重，发射所花费的资金也要多得多。核反应堆能为火星太空船三年之旅提供足够的动力，但是核反应堆相当复杂，在火星之旅中很多潜在的问题可能会导致核反应堆发生故障。先进理念研究所首席研究员史密斯说，“正电子反应堆能像核反应堆一样为太空船提供充足动力，并且其结构相当简单”。

　　采用核燃料作为动力的太空船在其核燃料在用完之后所产生的核废料仍具有放射性。按照火星登陆计划，他们将把太空船核反应堆直接扔入一个至少在100万内不会威胁地球的轨道上，100万年后这个残留核废料的辐射将减少到对人类安全的水平。先进理念研究所正电子研究小组成员称，如果使用正电子反应堆，在其燃料耗尽之后则不会产生残留物，因此即使残留正电子反应堆偶然进入地球大气层也不会引发安全方面的担忧。

　　正电子反应堆与核反应堆相比较而言，在发射阶段也更显安全。假如一个携带核反应堆的火箭发生爆炸，它可能会在大气层中释放放射性粒子。史密斯说，“假如我们开发的正电子太空船发生爆炸，它只会释放一个伽马射线闪电，伽马射线瞬间就会消失。不会留下放射性粒子随风四处飘荡。而且伽马射线闪电也只会仅限于一个很小的区域。太空船爆炸后产生的危险区域只有约方圆一公里左右（大约方圆半英里），一个普通的大型化学燃料火箭爆炸后所产生的危险区域与其大致相当。化学燃料火箭爆炸后会产生一个巨大的火球”。

　　正电子反应堆另一个重要优势就是速度。按照火星登陆计划，太空船和宇航员将在大约180天后飞抵火星。正电子研究小组工程师基尔拜－米伊尔说，“我们采用了气体核心和离格发动机之类的概念，这使用我们的设计非常先进，火星太空船和宇航员可能只需要90天左右就可以抵达火星，甚至有可能在45天内就能完成”。

　　正电子先进发动机是以急速推动来提高太空船飞行速度的，急速推动能提高其效率或者“比冲量”（Isp）。比冲量就是指燃烧每加仑燃料火箭前进的英里数：比冲量越高，燃料燃烧后所产生的速度就越快。目前世界上最好的化学燃料火箭，像美国宇航局航天飞机所使用的主发动机，能在约450秒内使火箭速度达到最大，这就是说一磅的燃料将在450秒内产生一磅的推力。一个核反应堆或者一个正电子反应堆能在900秒内使火箭速度达到最大。而缓慢释放能量产生推力的离格发动机则可能达5000秒。

　　目前实现正电子太空船梦想还面临一个技术挑战，那就是生产正电子价格过于昂贵。因为正电子太空船要正常工作需要大量反物质。在太空中，宇宙射线中高速粒子可以通过相互碰撞产生反物质。在地球上，我们却需要通过粒子加速器来生产反物质，粒子加速器由巨大的机器组成，这些机器可以碾碎原子。这些机器通常用于揭示宇宙在深能阶和初能阶上的工作原理，这些机器同样也能用于反物质制造厂。

　　史密斯说，“据粗略估计，以现在的技术来为人类火星之旅生产正电子，每生产10毫克正电子将耗资约2.5亿美元”。史密斯补充道，“虽然这个成本仿佛很高，但是我们还是必须要把它与花销巨大的重型化学燃料火箭发射（目前发射费用约为每磅1万美元）或者核燃料费及为确保核反应堆安全所花费的费用进行比较。基于核技术的经验，随着研究的深入，正电子的生产成本将有望降低”。

　　正电子太空船面临的另一个挑战就是如何在一个小空间内贮存足够的正电子。因为它们会吞食正常物质，你不能把它们装入瓶子。你只能把它们装入一个电磁场中。史密斯说，“我们为此制定了专门的研发计划，我们有信心克服这些挑战。如果反物质太空船能成为现实，首批宇航员将乘坐科幻小说里描述的太空飞船抵达火星。”

    英文原文链接参见：http://www.redorbit.com/news/space/471237/antimatter_spaceships_may_take_us_to_mars/index.html