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20 世紀 70 年代,英國曾打算建造無人太空船,讓它前往距地球約 6 光年的「巴納德星」(Barnard)。當時考慮透過「核聚變」(Nuclear fusion) 來為太空船提供動力,但因未能解決「核聚變的啟動」以及「太空船的船體過於龐大」等問題,該計劃最終流產.....但人類當然不會就此放棄!

Annihilation

20 世紀末,「美國太空總署」(National Aeronautics and Space Administration, NASA) 推出了「反物質」(Antimatter) 發動機的初步構想。所謂「反物質」,是指與構成「物質」的「質子」(Proton)、「電子」(Electron) 或「中子」(Neutron) 等「一般」粒子相對應存在的品質相同、「電荷」(Electric charge) 相反的粒子。一般「物質」與「反物質」一旦接觸就會引起反應,發生「湮」(Annihilation) 現象,「物質」的質量會全部轉化為能量,其釋放能量的效率是穿梭機所使用的氫氧燃劑的 100 億倍,是核電站「核裂變」(Nuclear fission) 反應的 1000 倍,是「核聚變」反應的 300 倍。一片「阿司匹林」(Aspirin) 藥片大小的「反物質」產生的能量,便足以讓一艘太空船巡弋至幾百光年以外,100 毫克「反物質」足以代替穿梭機上巨大的燃料箱和推進器中的燃料。所以,製造能量大、品質輕的「反物質」發動機是最佳選擇。

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目前採用的反物質發動機設計方案,按「湮滅」(Annihilation) 的方式分為四種。這裡按照「比衝量」(Specificimpulse) 從低到高列出:

1) 固體核心:「湮滅」在一個固體核心的熱交換裝置內進行,産生的熱量將「氫推進劑」加到高熱,然後從噴口噴出,效率和推力都比較高,但由於原材料的原因,「比衝量」最多只能達到 1000 秒;

2) 氣體核心:讓「反物質」同「氫推進劑」直接反應「湮滅」,産生的帶電介子以磁場控制並將「氫推進劑」加到高熱,但這樣會産生一些無法控制的「γ射線」(Gamma ray),「比衝量」能達到 2500 秒;

3) 「離子漿」核心:以比較多的「反物質」注入「氫推進劑」並湮滅産生高熱的「離子漿」(Plasma),並以「磁場」(Magnetic field) 來容納它們,然後將「離子漿」噴出産生推力,這樣同樣會産生一些無法控制的「γ射線」,但這種方式不受原材料的限制,「比衝量」可以很高,大約在 5000 秒到 10 萬秒之間;

4) 「粒子束核心」(Beam Core):直接一對一地「湮滅」,然後以「磁場」控制帶電「介子」(Meson) 並把它們直接從噴口噴射出去,由於這些「介子」的運動速度接近光速,發動機「比衝量」可能要超過 1 千萬秒。因為「湮滅」産生的帶電「介子」在衰變後變成半衰期更長的帶電「μ介子」,所以這個辦法完全可行。而且這個方式只需要「反物質」燃料,不需要推進劑,可以大大地減少太空船的負載。

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使用「粒子束核心」發動機的飛船,速度可達到每秒 116 千米,與之相比,20 世紀 70 年代發射的「航行者 1 號」(Voyager 1) 飛行器簡直就像一隻烏龜——速度僅為每秒 17.4 千米。科學家預計,使用「粒子束核心反物質發動機的太空船從「地球」到「火星」僅需 24 小時,最慢也只要 14 天。而由於以「湮滅」反應作動力的太空船是以接近光速運動的,所以太空必須造得很長。

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使用「粒子束核心反物質」發動機,太空船只需幾毫克「反物質」就可以在「太陽系」(Solar System) 內遊弋,但是,如果要去像「巴納德星」那樣遙遠的太陽系行星,則需要幾千克「反物質」,遠遠超出了目前的製造能力。實際上,以目前最先進的加速器而言,一年也只能生產十億分之一克「反氫原子」(Antihydrogen);如果想獲得大量「反氫原子」,就必須投入鉅額資金建造生產「反氫原子」必不可少的冷卻環設備。看來,要想讓「反物質」推進的太空船啟航,人類還需要耐心等待,或許在下一個千年之內能夠實現。

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