پاد ماده، سوخت جدید ما؟
پاد ماده، سوخت جدید ما؟
بسیاری از سفینه‌ها در داستان‌های علمی ـ تخیلی از پادماده به عنوان سوخت استفاده می‌کردند؛ زیرا پادماده قوی‌ترین سوخت شناخته شده در طبیعت است. در حالی که برای سفر از زمین به مریخ چند تن سوخت شیمیایی لازم است، تنها چند میلی‌گرم از پادماده می‌تواند ما را به مقصد برساند. اما در واقعیت این سوخت معایبی نیز دارد. بعضی از فعل و انفعالات پادماده مقادیر زیادی پرتو گاما ایجاد می‌کند. این پرتوها در ماده نفوذ کرده و مولکول‌های سلول‌های زنده‌ی بدن انسان را از هم می‌پاشند. در نتیجه وجود این پرتوها در محیط بسیار مضر است. پرتوهای پرانرژی گاما همچنین می‌توانند اتم های مواد سازنده‌ی موتور سفینه را بشکافند.
"موسسه‌ی مفاهیم پیشرفته ناسا" با سرمایه‌گذاری بر روی تحقیقی جدید، در حال تلاش برای ساخت نوعی سفینه با سوخت پادماده است که پرتوهای گاما با انرژی بسیار کم تولید کرده و ضرری برای انسان نداشته باشد. با آن که پادماده از نظر ظاهر کاملاً شبیه به ماده است، بسیاری از خواص مهم آن با ماده تفاوت دارد. برای مثال، الکترون‌ها (ذراتی که بار الکتریکی را جا به جا می‌کنند) بار منفی دارند. اما در پادماده این ذرات درست بر عکس ماده بوده و بار مثبت را جا به جا می‌کنند. به همین دلیل دانشمندان این ذرات را "پوزیترون" می‌نامند. هنگامی که ماده و پادماده با یکدیگر برخورد کنند، هر دو تبدیل به انرژی می‌شوند.
این تبدیل کامل به انرژی، منشا قدرت بسیار زیاد پادماده است. این نوع تبدیل به انرژی در طبیعت بی نظیر است. حتی در واکنش‌های هسته‌ای که در بمب‌های اتمی اتفاق می‌افتند، تنها سه درصد ماده تبدیل به انرژی می‌شود.
در طرح‌های گذشته از سفینه‌هایی با سوخت پادماده، برای تولید انرژی از پادپروتون‌ها (ذراتی مانند پروتون با بار منفی که در هسته‌ی اتم‌های پادماده قرار دارند) استفاده می‌شد که این ذرات، پرتوهای گاما با انرژی بسیار زیاد تولید می‌کردند. اما در طرح جدید، با استفاده از تبدیل پوزیترون‌ها به انرژی، پرتوهای گاما با انرژی معادل ۴۰۰ برابر کمتر از حالت قبل ایجاد می‌شوند.
این تحقیق، مطالعه‌ی اولیه‌ای برای آزمایش عملی بودن این طرح است. اگر این طرح عملی باشد و بودجه‌ی لازم برای تکمیل پروژه در دست باشد، سفینه‌ای با سوخت پوزیترون در عملیات سفر انسان به مریخ بر دیگر سفینه‌ها، چند برتری بسیار مهم دارد:
- دکتر "جرالد اسمیت"، سرپرست گروه تحقیقاتی سفینه‌ی پادماده، می‌گوید: "اولین و مهم‌ترین مزیت، امن‌تر بودن سفر با سفینه‌ی پوزیترون (سفینه‌ای که با سوخت پوزیترون حرکت می‌کند) است". در طرح فعلی سفر انسان به مریخ، در سفینه‌ی فضایی مورد نظر از راکتور هسته‌ای استفاده می‌شود که این کار طول سفر و خطرات موجود برای سرنشینان را کاهش می‌دهد. هم چنین سفینه‌های عادی (با سوخت شیمیایی) هزینه و وزن بیشتری دارند. اما عیب سفینه‌ای با سوخت هسته‌ای، پیچیده بودن راکتورهای آن است که باعث می‌شود احتمال بروز مشکل در طول سفر بسیار بیشتر گردد.
- اسمیت می‌گوید: "سفینه با سوخت پادماده همان مزایای راکتور هسته‌ای را داراست علاوه بر این که طرز کار آن بسیار ساده است". یکی دیگر از معایب سفینه‌های راکتوری آن است که راکتورهای هسته‌ای، حتی پس از آنکه سوخت آنها تمام می‌شود، رادیواکتیو بوده و بسیار خطرناکند. به همین دلیل پس از آنکه سفینه به مریخ برسد، راکتور باید در مداری به دور مریخ رها گردد به طوری که تا چند میلیون سال آینده (زمانی که اثرات رادیواکتیوی آن تقریبا به طور کامل از بین برود) با زمین برخورد نکند. سفینه‌ای با سوخت پادماده این عیب مهم را ندارد چون در راکتور پوزیترونی (دستگاهی که در آن پوزیترون به انرژی تبدیل می‌شود)، پس از آنکه سوخت به اتمام برسد، دیگر تشعشعات مضر تابش نمی‌کند و در نتیجه نگرانی برای ورود آن به جو زمین وجود ندارد.
- پرتاب سفینه‌ی پوزیترونی نیز بسیار بی‌خطر است. اگر سفینه‌ی حامل راکتور هسته‌ای منفجر شود، ذرات رادیواکتیو آن به جو زمین می‌رسد. اسمیت می‌گوید: "اما سفینه‌ی پوزیترونی ما پس از انفجار تنها مقادیری پرتو گاما را در فضا پخش خواهد کرد که تا شعاعی در حدود یک کیلومتر می‌رسند. این منطقه به شعاع یک کیلومتر که منطقه‌ی خطر (منطقه‌ای در اطراف سفینه که در صورت انفجار آن در معرض خطر شدید قرار می‌گیرد) نامیده می‌شود، در سفینه‌های بزرگ با سوخت شیمیایی نیز در همین اندازه است. (کره‌ای از آتش به دور این نوع سفینه‌ها تشکیل می‌شود)
- مزیت بزرگ دیگر، سرعت این نوع سفینه‌هاست. یکی از مهندسان پروژه‌ی سفینه‌ی پوزیترونی می‌گوید: "طراحی‌های پیشرفته‌ی ما نشان می‌دهد که سفینه‌ی پوزیترونی می‌تواند در ۴۵ روز به مریخ برسند." موتورهای پیشرفته، سرعت خود را با گرم شدن موتور افزایش می‌دهند. این کار باعث می‌شود تا کارآیی یا "تکانه‌ی مخصوص" آنها افزایش یابد. هر چه "تکانه‌ی مخصوص" بیشتر باشد، سفینه می‌تواند قبل از آنکه سوخت خود را به اتمام برساند، با سرعت بیشتری حرکت کند. بهترین سفینه‌های با سوخت شیمیایی، تکانه‌ی مخصوصی در حدود ۴۵۰ ثانیه دارند. به این معنا که یک پوند (تقریباً نیم کیلوگرم) از سوخت آنها، نیرویی به مدت ۴۵۰ ثانیه به سفینه وارد می‌کند. تکانه‌ی مخصوص هر راکتور هسته‌ای یا پوزیترونی در حدود ۹۰۰ ثانیه است.
مهم‌ترین مسئله‌ی فنی برای ساخت سفینه‌ی پوزیترونی، هزینه‌ی تولید پوزیترون‌هاست. این ذرات به علت واکنش دادن با مواد، در اطراف ما بسیار کم یابند. بر روی زمین، این ذرات باید در شتاب دهنده‌ها (دستگاه‌های عظیمی که الکترون‌ها را به یکدیگر می‌کوبند) ایجاد شوند. این دستگاه‌ها غالباً برای کشف نوع رفتار ماده و پادماده در مراحل اولیه‌ی جهان به کار می‌روند اما می‌توان از آنها به عنوان تولید کننده‌ی پادماده نیز استفاده کرد. دکتر اسمیت می‌گوید: "تخمین ما از هزینه‌ی تولید ۱۰ میلی‌گرم پوزیترون که برای رساندن سفینه از زمین به مریخ کفایت می‌کند، چیزی در حدود ۲۵۰ میلیون دلار است." این مقدار ممکن است در ابتدا زیاد به نظر برسد اما باید آن را با هزینه‌ی ساخت و پرتاب سفینه‌ای با سوخت شیمیایی (به ازای هر پوند وزن، ۱۰۰۰۰ دلار هزینه) و هزینه‌ی تولید سوخت هسته‌ای و ساخت راکتوری بی‌خطر برای سفینه‌های هسته‌ای مقایسه کرد.
اسمیت می‌گوید: "تجربه‌ی ما در مورد سفینه‌های هسته‌ای نشان می‌دهد که با تحقیقات بیشتر بر روی طرح جدید، هزینه‌ی ساخت سفینه‌های پوزیترونی به تدریج کاهش خواهد یافت." مسئله‌ی دیگر نگه داشتن مقادیر زیادی پوزیترون در فضایی کوچک است. از آنجا که این ذرات در برخورد با مواد عادی تبدیل به انرژی می‌شوند، نمی‌توان مثلاً آنها را در یک بطری نگه داشت. در نتیجه باید از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی برای محدود کردن و نگه‌داشتن پوزیترون‌ها استفاده کرد. دانشمندان امیدوارند که با تحقیقات بیشتر و در برنامه‌های آینده، این مشکل نیز به راحتی حل شود و ساخت این سفینه امکانپذیر گردد.
نویسنده : علیرضا سرمدی