ضدماده چیست

بسیاری از سفینه ها در داستان های علمی- تخیلی از ضد ماده به عنوان سوخت استفاده می كردند. زیرا ضد ماده قوی ترین سوخت شناخته شده در طبیعت است. در حالی كه برای سفر از زمین به مریخ چند تن سوخت شیمیایی لازم است، تنها چند میلی گرم از ضد ماده می تواند ما را به مقصد برساند. اما در واقعیت این سوخت معایبی نیز دارد بعضی از فعل و انفعالات ضد ماده مقادیر زیادی پرتو گاما ایجاد می كند. این پرتوها در ماده نفوذ كرده و مولكول های سلول های زنده بدن انسان را از هم می پاشند. در نتیجه وجود این پرتوها در محیط بسیار مضر است. پرتوهای پرانرژی گاما همچنین می توانند اتم های مواد سازنده موتور سفینه را بشكافند. مؤسسه مفاهیم پیشرفته ناسا (Nasa Institue For Advanced Concepts)با سرمایه گذاری بر روی تحقیقی جدید، در حال تلاش برای ساخت نوعی سفینه با سوخت ضد ماده است كه پرتوهای گاما با انرژی بسیار كم تولید كرده و ضرری برای انسان نداشته باشد.
با آن كه ضد ماده از نظر ظاهر كاملاً شبیه به ماده است، بسیاری از خواص مهم آن با ماده تفاوت دارد. برای مثال، الكترون ها در ماده بار منفی دارند. اما در پاد ماده این ذرات درست بر عكس ماده بوده و بار مثبت دارند. به همین دلیل دانشمندان این ذرات را پوزیترون (Positron) می نامند. هنگامی كه ماده و ضد ماده با یكدیگر برخورد كنند، هر دو تبدیل به انرژی می شوند. این تبدیل كامل به انرژی، منشا قدرت بسیار زیاد ضد ماده است. این نوع تبدیل به انرژی در طبیعت بی نظیر است. حتی در واكنش های هسته ای كه در بمب های اتمی اتفاق می افتند، تنها سه درصد ماده تبدیل به انرژی می شود. در طرح های گذشته از سفینه هایی با سوخت ضد ماده، برای تولید انرژی از پاد پروتون ها (ذراتی مانند پروتون با بار منفی كه در هسته اتم های ضد ماده قرار دارند) استفاده می شد كه این ذرات، پرتوهای گاما با انرژی بسیار زیاد تولید می كردند. اما در طرح جدید، با استفاده از تبدیل پوزیترون ها به انرژی، پرتوهای گاما با انرژی معادل ۴۰۰ برابر كمتر از حالت قبل ایجاد می شوند.
این تحقیق، مطالعه اولیه ای برای آزمایش عملی بودن این طرح است. اگر این طرح عملی باشد و بودجه لازم برای تكمیل پروژه در دست باشد، سفینه ای با سوخت پوزیترون در عملیات سفر انسان به مریخ بر دیگر سفینه ها ، دو برتری بسیار مهم دارد. دكتر جرالد اسمیت، سرپرست گروه تحقیقاتی سفینه ضد ماده، می گوید: «اولین و مهم ترین مزیت، امن تر بودن سفر با سفینه پوزیترون (سفینه ای كه با سوخت پوزیترون حركت می كند) است.» در طرح فعلی سفر انسان به مریخ ، در سفینه فضایی مورد نظر از راكتور هسته ای استفاده می شود كه این كار طول سفر و خطرات موجود برای سرنشینان را كاهش می دهد. همچنین سفینه های عادی (با سوخت شیمیایی) هزینه و وزن بیشتری دارند. اما عیب سفینه ای با سوخت هسته ای، پیچیده بودن راكتورهای آن است كه باعث می شود احتمال بروز مشكل در طول سفر بسیار بیشتر گردد. اسمیت می گوید: «سفینه با سوخت پاد ماده همان مزایای راكتور هسته ای را داراست علاوه بر این كه طرز كار آن بسیار ساده است.» یكی دیگر از معایب سفینه های راكتوری آن است كه راكتورهای هسته ای، حتی پس از آن كه سوخت آنها تمام می شود، رادیواكتیو بوده و بسیار خطرناكند. به همین دلیل پس از آن كه سفینه به مریخ برسد، راكتور باید در مداری به دور مریخ رها گردد به طوری كه تا چند میلیون سال آینده (زمانی كه اثرات رادیواكتیوی آن تقریباً به طور كامل از بین برود) با زمین برخورد نكند. سفینه ای با سوخت ضد ماده این عیب مهم را ندارد چون راكتور پوزیترونی (دستگاهی كه در آن پوزیترون به انرژی تبدیل می شود)، پس از آن كه سوخت به اتمام برسد، دیگر تشعشعات مضری تابش نمی كند و در نتیجه نگرانی برای ورود آن به جو زمین وجود ندارد.
پرتاب سفینه پوزیترونی نیز بسیار بی خطر است. اگر سفینه حامل راكتور هسته ای منفجر شود، ذرات رادیواكتیو آن به جو زمین می رسد. اسمیت می گوید: «اما سفینه پوزیترونی ما پس از انفجار تنها مقادیری پرتو گاما را در فضا پخش خواهد كرد كه تا شعاعی در حدود یك كیلومتر می رسند. این منطقه به شعاع یك كیلومتر كه منطقه خطر (منطقه ای در اطراف سفینه كه در صورت انفجار آن در معرض خطر شدید قرار می گیرد) نامیده می شود ، در سفینه های بزرگ با سوخت شیمیایی نیز در همین اندازه است (كره ای از آتش به دور این نوع سفینه ها تشكیل می شود).»
مزیت بزرگ دیگر، سرعت این نوع سفینه هاست. یكی از مهندسان پروژه سفینه پوزیترونی می گوید : «طراحی های پیشرفته ما نشان می دهد كه سفینه پوزیترونی می تواند به جای ۱۸۰ روز (مدت زمانی كه سفینه های فعلی تا مریخ طی می كنند)، در نصف این مدت یا حتی كمتر از آن و در ۴۵ روز به مریخ برسند.» موتورهای پیشرفته، سرعت خود را با گرم شدن موتور افزایش می دهند. این كار باعث می شود تا كارآیی یا تكانه مخصوص (Specific Impulse) آنها افزایش یابد. هر چه تكانه مخصوص بیشتر باشد، سفینه می تواند قبل از آن كه سوخت خود را به اتمام برساند، با سرعت بیشتری حركت كند. بهترین سفینه های با سوخت شیمیایی، تكانه مخصوصی در حدود ۴۵۰ ثانیه دارند.به این معنا كه یك پوند (تقریباً نیم كیلوگرم) از سوخت آنها، نیرویی به مدت ۴۵۰ ثانیه به سفینه وارد می كند. تكانه مخصوص هر راكتور هسته ای یا پوزیترونی در حدود ۹۰۰ ثانیه است.
مهمترین مسئله فنی برای ساخت سفینه پوزیترونی، هزینه تولید پوزیترون هاست. این ذرات به علت واكنش دادن با مواد، در اطراف ما بسیار كمیابند. بر روی زمین، این ذرات باید در شتاب دهنده ها (دستگاه های عظیمی كه الكترون ها را به یكدیگر می كوبند) ایجاد شوند. این دستگاه ها غالبا برای كشف نوع رفتار ماده و ضد ماده در مراحل اولیه جهان به كار می روند اما می توان از آنها به عنوان تولیدكننده ضد ماده نیز استفاده كرد. دكتر اسمیت می گوید: «تخمین ما از هزینه تولید ۱۰ میلی گرم پوزیترون كه برای رساندن سفینه از زمین به مریخ كفایت كند، چیزی در حدود ۲۵۰ میلیون دلار است.» این مقدار ممكن است در ابتدا زیاد به نظر برسد اما باید آن را با هزینه ساخت و پرتاب سفینه ای با سوخت شیمیایی (به ازای هر پوند وزن۱۰،هزار دلار هزینه) و هزینه تولید سوخت هسته ای و ساخت راكتوری بی خطر برای سفینه های هسته ای مقایسه كرد.
اسمیت می گوید: «تجربه ما در مورد سفینه های هسته ای نشان می دهد كه با تحقیقات بیشتر بر روی طرح جدید، هزینه ساخت سفینه های پوزیترونی به تدریج كاهش خواهد یافت.» مسئله دیگر نگه داشتن مقادیر زیادی پوزیترون در فضایی كوچك است. از آنجا كه این ذرات در برخورد با مواد عادی تبدیل به انرژی می شوند، نمی توان مثلاً آنها را در یك بطری نگه داشت. در نتیجه باید از میدان های الكتریكی و مغناطیسی برای محدود كردن و نگه داشتن پوزیترون ها استفاده كرد. دانشمندان امیدوارند كه با تحقیقات بیشتر و در برنامه های آینده، این مشكل نیز به راحتی حل شود و ساخت این سفینه امكان پذیر گردد.