آیا رآکتورهای ماده-پادماده می‌توانند واقعاً کار کنند؟ رویای پیشتازان فضا یا واقعیت آینده؟
طرفداران سریال "پیشتازان فضا" حتماً با فضاپیمای Enterprise و فناوری پیشرانه‌‌ی وارپ (Warp Drive) آن آشنا هستند. این فناوری از پادماده (Antimatter) به عنوان منبع اصلی انرژی استفاده می‌کند. پادماده، انرژی لازم برای پیمودن کهکشان و ماجراجویی‌های فضانوردان را فراهم می‌سازد. اما آیا چنین نیروگاهی چیزی فراتر از یک داستان علمی-تخیلی است؟
ایده‌ی استفاده از پادماده برای تأمین انرژی سفرهای بین‌ستاره‌ای بسیار جذاب و وسوسه‌انگیز است. مبانی علمی این ایده کاملاً محکم و استوار است، اما موانع و چالش‌های متعددی بر سر راه تبدیل این رؤیا به واقعیت وجود دارد. در این مطلب، به بررسی پتانسیل پادماده به عنوان یک منبع انرژی برای فضاپیماها و چالش‌های مرتبط با آن خواهیم پرداخت. برای درک بهتر این موضوع، ابتدا باید بدانیم پادماده چیست و چگونه می‌توان آن را تولید کرد. همچنین به بررسی نحوه عملکرد نیروگاه‌های پادماده و مشکلات موجود در این زمینه خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید تا به این سوال پاسخ دهیم که آیا سفرهای فضایی با سوخت پادماده در آینده امکان‌پذیر خواهد بود؟
پادماده چیست؟
نیروی محرکه فضاپیمای Enterprise، ناشی از یک واکنش ساده است که فیزیکدانان آن را پیش‌بینی کرده‌اند. ماده، همان "چیزی" است که ستارگان، سیارات و ما را تشکیل می‌دهد. ماده از ذراتی مانند الکترون، پروتون و نوترون ساخته شده است.
پادماده، نقطه مقابل ماده است؛ نوعی ماده "آینه‌ای". این ماده از ذراتی تشکیل شده که پادذره (Antiparticle) ذرات سازنده ماده هستند. برای مثال، پوزیترون (پادذره الکترون) و پادپروتون (پادذره پروتون) از اجزای پادماده محسوب می‌شوند. این پادذره‌ها در بسیاری از ویژگی‌ها مشابه ذرات ماده هستند، با این تفاوت که بار الکتریکی آن‌ها برعکس است. اگر این پادذره‌ها با ذرات ماده در یک محفظه گرد هم آیند، یک انفجار عظیم انرژی رخ می‌دهد. این انرژی، به طور تئوری، می‌تواند یک فضاپیما را به حرکت درآورد.
به عبارت دیگر، پادماده نسخه متفاوتی از ماده است که با برخورد با ماده معمولی، آن را نابود کرده و انرژی بسیار زیادی آزاد می‌کند.
پادماده چگونه تولید می‌شود؟
طبیعت نیز پادذره‌ها را تولید می‌کند، اما نه به مقدار زیاد. پادذره‌ها در فرآیندهای طبیعی و همچنین از طریق روش‌های آزمایشگاهی، مانند شتاب‌دهنده‌های ذرات بزرگ و در برخورد‌های پرانرژی تولید می‌شوند. تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که پادماده به طور طبیعی در بالای ابرهای طوفانی نیز ایجاد می‌شود؛ این نخستین روشی است که پادماده به طور طبیعی در زمین و اتمسفر آن تولید می‌گردد.
در غیر این صورت، برای تولید پادماده به مقدار زیادی گرما و انرژی نیاز است، مانند آنچه در ابرنواخترها (Supernovae) یا درون ستارگان رشته اصلی (Main-sequence stars) مانند خورشید رخ می‌دهد. ما هنوز به فناوری شبیه‌سازی چنین نیروگاه‌های همجوشی عظیمی دست نیافته‌ایم. بنابراین، تولید انبوه پادماده همچنان یک چالش بزرگ است.
نیروگاه‌های پادماده چگونه کار می‌کنند؟
در تئوری، ماده و پادماده (معادل آن) با هم ترکیب می‌شوند و بلافاصله، همانطور که از اسمش پیداست، یکدیگر را نابود می‌کنند و انرژی عظیمی آزاد می‌کنند. اما یک نیروگاه پادماده چگونه ساختاردهی می‌شود؟
اول از همه، به دلیل مقادیر بسیار زیاد انرژی آزاد شده، باید با دقت بسیار بالایی ساخته شود. پادماده باید به وسیله‌ی میدان‌های مغناطیسی از ماده معمولی جدا نگه داشته شود تا از وقوع واکنش‌های ناخواسته جلوگیری شود. سپس، انرژی آزاد شده به همان روشی که راکتورهای هسته‌ای، گرمای و نور ناشی از واکنش‌های شکافت هسته‌ای را جذب می‌کنند، استخراج می‌شود.
راکتورهای ماده-پادماده، از نظر تولید انرژی، بسیار کارآمدتر از همجوشی هسته‌ای هستند (که بهترین مکانیسم واکنش بعدی است). با این حال، هنوز امکان جذب کامل انرژی آزاد شده از یک رویداد ماده-پادماده وجود ندارد. بخش قابل توجهی از خروجی انرژی، توسط نوترینوها (ذرات تقریباً بدون جرم که به شدت با ماده ضعیف برهم‌کنش دارند) حمل می‌شود. جذب نوترینوها تقریباً غیرممکن است، حداقل برای اهداف استخراج انرژی. در نتیجه، بازدهی نیروگاه‌های نیروگاه پادماده محدود خواهد بود.
چالش‌های پیش روی فناوری پادماده
نگرانی‌ها در مورد جذب انرژی، به اندازه چالش دستیابی به مقدار کافی پادماده برای انجام کار، اهمیت ندارند. اول از همه، ما باید پادماده کافی داشته باشیم. این بزرگترین مشکل است: دستیابی به مقدار قابل توجهی پادماده برای حفظ عملکرد یک راکتور. اگرچه دانشمندان مقادیر کمی پادماده، از جمله پوزیترون‌ها، پادپروتون‌ها، اتم‌های پادهیدروژن و حتی چند اتم پادهلیوم تولید کرده‌اند، اما این مقادیر برای تامین انرژی تقریباً هیچ چیزی کافی نیست.
اگر مهندسان تمام پادماده‌ای را که تاکنون به طور مصنوعی تولید شده جمع‌آوری کنند، هنگام ترکیب با ماده معمولی، به سختی برای روشن کردن یک لامپ معمولی برای چند دقیقه کافی خواهد بود.
علاوه بر این، هزینه بسیار بالا خواهد بود. اجرای شتاب‌دهنده‌های ذرات، حتی برای تولید مقدار کمی پادماده در برخوردها، گران است. در بهترین حالت، تولید یک گرم پوزیترون حدود 25 میلیارد دلار هزینه خواهد داشت. محققان در CERN خاطرنشان می‌کنند که برای تولید یک گرم پادماده، به 100 کوادریلیون دلار و 100 میلیارد سال کار شتاب‌دهنده آن‌ها نیاز است.
بدیهی است که حداقل با فناوری‌های موجود، تولید منظم پادماده امیدوارکننده به نظر نمی‌رسد، که فضاپیماها را برای مدتی دور از دسترس قرار می‌دهد. با این حال، ناسا به دنبال راه‌هایی برای جذب پادماده‌ای است که به طور طبیعی ایجاد می‌شود، که می‌تواند راهی امیدوارکننده برای تامین انرژی فضاپیماها در هنگام سفر در سراسر کهکشان باشد. این تلاش‌ها می‌تواند در آینده به توسعه فناوری پادماده کمک کند.
جستجو برای پادماده
دانشمندان به دنبال چه منابعی برای یافتن مقدار کافی پادماده هستند؟ کمربندهای تابشی ون آلن (Van Allen radiation belts) -مناطق دونات شکل ذرات باردار که زمین را احاطه کرده‌اند- حاوی مقادیر قابل توجهی از پادذره‌ها هستند. این پادذره‌ها در اثر برهم‌کنش ذرات باردار بسیار پرانرژی خورشید با میدان مغناطیسی زمین ایجاد می‌شوند. بنابراین، ممکن است بتوان این پادماده را جذب کرد و در "بطری‌های" میدان مغناطیسی نگهداری کرد تا زمانی که یک فضاپیما بتواند از آن برای پیشرانه استفاده کند.
همچنین، با کشف اخیر ایجاد پادماده در بالای ابرهای طوفانی، ممکن است بتوان برخی از این ذرات را برای مصارف خود جذب کرد. با این حال، از آنجایی که این واکنش‌ها در جو ما رخ می‌دهند، پادماده به ناچار با ماده معمولی برهم‌کنش کرده و نابود می‌شود، احتمالاً قبل از اینکه فرصتی برای جذب آن داشته باشیم.
بنابراین، در حالی که هنوز بسیار پرهزینه خواهد بود و تکنیک‌های جذب همچنان در دست بررسی هستند، ممکن است روزی بتوان فناوری را توسعه داد که بتواند پادماده را از فضای اطراف ما با هزینه‌ای کمتر از تولید مصنوعی آن در زمین جمع‌آوری کند. این ایده، امیدها را برای یافتن منابع پایدارتر پادماده افزایش می‌دهد.
آینده راکتورهای پادماده
با پیشرفت فناوری و درک بهتر چگونگی ایجاد پادماده، دانشمندان می‌توانند شروع به توسعه راه‌هایی برای جذب ذرات گریزپایی کنند که به طور طبیعی ایجاد می‌شوند. بنابراین، غیرممکن نیست که روزی منابع انرژی مانند آنچه در داستان‌های علمی تخیلی به تصویر کشیده شده است، داشته باشیم. آینده راکتورهای پادماده روشن به نظر می‌رسد.
- نجوم
- علم
