Datorillustration av en potentiell antimateriaenhet. Bildkredit: Positronics Research LLC. Klicka för att förstora.
Vi spelade alla spelet som barn – 'leapfrog' involverade ett barn som satt på huk på alla fyra medan ett andra placerade sina händer på det förstas axlar. Det stående barnet är spänt mot tyngdkraften och böjer sig djupt på benen och trycker sedan upp och över toppen av det första. Resultatet? Det andra barnet sätter sig nu på huk och det andra grodliknande språnget följer i tur och ordning. Inte det mest effektiva sättet att komma till gungställningen – men mycket roligt i rätt sällskap!
Leapfrogging är dock inte detsamma som 'bootstrapping'. Under bootstrapping böjer en ensam spelare och tar tag i läderöglorna på utsidan av båda stövlarna. Spelaren gör sedan en enorm ansträngning uppåt med armarna. Leapfrogging fungerar – bootstrapping gör det inte, det kan bara inte göras utan att hoppa – en helt annan sak.
NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) tror på språngsprång – nej inte på lekplatsen utan på flyg. Från institutets egen webbplats: 'NIAC uppmuntrar förslagsställare att tänka decennier in i framtiden i jakten på koncept som kommer att 'språnga' utvecklingen av nuvarande flygsystem.' NIAC letar efter några bra idéer och är villig att stödja dem med sex månader långa utsädesanslag för att testa genomförbarheten innan seriösa forsknings- och utvecklingsmedel – tillgängliga från NASA och på andra håll – tilldelas. Förhoppningsvis tillåts sådana frön gro och framtida investeringar får dem att mogna.
NIAC vill dock separera leapfrogging från bootstrapping. Det ena fungerar och det andra har ingen som helst mening. Enligt NIAC kan positrondriften leda till ett stort steg framåt i vårt sätt att färdas genom hela solsystemet och bortom det. Det finns förmodligen ingen bootstrapping om det.
Betrakta positronen - elektronens spegeltvilling - som mänskliga tvillingar, en mycket sällsynt sak. Till skillnad från mänskliga tvillingar är det osannolikt att en positron överlever födelseprocessen. Varför? Eftersom positroner och deras syskon – elektroner – finner varandra oemotståndliga och snabbt utplånas i en explosion av mjuka gammastrålar. Men den sprängningen, under kontrollerade omständigheter, kan omvandlas till vilken form av 'arbete' du kanske vill göra.
Behöver du ljus? Blanda en positron och en elektron och bestråla sedan en gas till glödande. Behöver du el? Blanda ytterligare ett par och bestråla en metallremsa. Behöver du dragkraft? Skjut in dessa gammastrålar i ett drivmedel, värm det till ovanligt höga temperaturer och tryck ut drivmedlet på baksidan av raketen. Eller skjut in dessa gammastrålar i volframplattor i en luftström, värm upp den luften och kasta ut den på baksidan av ett flygplan.
Föreställ dig att du har tillgång till positroner – vad kan du göra med dem? Enligt Gerald A Smith, huvudutredare för Positronics Research, LLC i Sante Fe, New Mexico, kan du gå nästan var som helst, 'energitätheten hos antimateria är tio storleksordningar större än kemisk och tre storleksordningar större än kärnklyvning eller fusionsenergi.'
Och vad betyder detta när det gäller framdrivning? 'Mindre vikt, mycket, mycket, mycket mindre vikt.'
Med hjälp av kemiskt baserade framdrivningssystem hittades 55 procent av vikten associerad med Huygens-Cassini-sonden som skickades för att utforska Saturnus i sondens bränsle- och oxidationstankar. Under tiden för att slunga sonderna 5 650 kg vikt bortom jorden krävdes en bärraket som vägde cirka 180 gånger så mycket som den fulltankade Cassini-Huygens själv (1 032 350 kg).
Med enbart Dr. Smiths siffror – och bara med tanke på manövreringskraften som krävs för Cassini-Huygens med positron-elektronförintelse, kunde de 3100 kg kemiska drivmedel som belastade den ursprungliga sonden från 1997 reduceras till bara 310 mikrogram elektroner och positroner – mindre materia än det som finns i en enda finfördelad droppe morgondimma. Och med denna massaminskning kan den totala uppskjutningsvikten från Canaveral till Saturnus lätt minskas med en faktor två.
Men positron-elektronförintelse är som att ha mycket luft men absolut ingen bensin? din bil kommer inte att komma långt bara på syre. Elektroner finns överallt, medan positroner inte är naturligt tillgängliga på jorden. Faktum är att där de inträffar - nära svarta håls händelsehorisonter eller under korta tidsperioder efter att högenergipartiklar kommit in i jordens atmosfär - hittar de snart en av dessa allestädes närvarande elektroner och blir fotoniska. Av denna anledning måste du göra din egen.
Gå in i partikelacceleratorn
Företag som Positronics Research, under ledning av Dr. Smith, arbetar med teknologier som är inneboende i användningen av partikelacceleratorer – som Stanford Linear Accelerator (SLAC) i Menlo Park, Kalifornien. Partikelacceleratorer skapar positroner genom att använda tekniker för produktion av elektron-positronpar. Detta görs genom att krossa en relativistiskt accelererad elektronstråle till ett tätt volframmål. Elektronstrålen omvandlas sedan till högenergifotoner som rör sig genom volframet och förvandlas till matchade uppsättningar av elektroner och positroner. Problemet innan Dr. Smith och andra skapar positroner är lättare än att fånga, lagra, transportera och använda dem effektivt.
Under tiden under parproduktion är allt du egentligen har gjort att packa en hel massa jordbunden energi i extremt små mängder mycket flyktigt – men extremt lätt – bränsle. Den processen i sig är extremt ineffektiv och introducerar stora tekniska utmaningar relaterade till att ackumulera tillräckligt med antipartiklar för att driva en rymdfarkost som kan resa in i Great Beyond med hastigheter som gör stora rymdsond – och mänskliga rymdresor – möjliga. Hur kommer allt detta sannolikt att utspela sig?
Enligt Dr Smith har fysiker under många år pressat ut positroner ur volframmålen genom att kollidera positronerna med materia, sakta ner dem med ett tusental för att användas i högupplösta mikroskop. Denna process är fruktansvärt ineffektiv; endast en miljondel av positronerna överlever. För rymdresor måste vi öka bromsningseffektiviteten med minst en faktor tusen. Efter fyra års hårt arbete med elektromagnetiska fällor i våra labb, förbereder vi oss för att fånga och kyla fem biljoner positroner per sekund under de närmaste åren. Våra långsiktiga mål är fem kvadbiljoner positroner per sekund. I den här takten kunde vi tanka upp för vår första positrondrivna flygning ut i rymden inom några timmar.'
Även om det är sant att en positron-förintelsemotor också kräver drivmedel (vanligtvis i form av komprimerad vätgas), reduceras mängden drivmedel i sig till nästan 10 procent av vad som krävs av en konventionell raket – eftersom inget oxidationsmedel behövs för att reagera med bränslet. Under tiden kan framtida farkoster faktiskt kunna ösa upp drivmedel från solvinden och interstellärt medium. Detta bör också leda till en betydande minskning av uppskjutningsvikten för sådana rymdfarkoster.