ANTIMATTER AND POSITRONICS. POSSIBLE PROBLEMS OF

UDC 681.32
ANTIMATTER AND POSITRONICS. POSSIBLE PROBLEMS OF
PHYSICS, CHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF ANTIMATTER:
SYNTHESIS, RESEARCHES OF PROPERTIES AND APPLICATIONS
E.P.Prokopev
FSUF SSC RF A.I.Alikhanov Institute for theoretical and experimental physics,.
(ITEP), Moscow
In the brief form features and some possible ways of development of high space
technologies of the future (the special attention is given to a problem of physics, chemistry
and technology of antimatter) are discussed; to a problem of positron annihilation
annihilation in a matter (positronics), including in the structure positron processes, positron
states and actually annihilation process which is a component of fundamental and practically
important problem of antimatter. On the basis of data the Internet the most important
applications of antimattere – space technologies of the future are considered.
Antimatter, positron, positronics, space technologies, space, the Universe,
space engines, interstellar flights.
Introduction
During growth of a population on the Earth ecological, economic, sociopolitical
and other problems of creative development of a human civilization sharply worsen.
Prospects of this development will be undoubtedly connected with development of a
space (near and far space, interstellar flights, development of galaxies of our
Universe and is possible other Universes), and also an establishment of contacts to
extraterrestrial civilizations if those are available. Are available the big number of
offered projects of the future space travel based on our knowledge of laws of the
nature and a universe. Now there is a point of view that interstellar travel on
spacecrafts with application of the advanced physical energy sources are impossible
by virtue of their huge duration and impossibility of creation of stocks of fuel and
deterioration of materials of space vehicles. There are points of view that these flights
1
are possible only in near and far space and flights to the nearest stars. Development
of our galaxy, other galaxies of our Universe and is possible other Universes contacts
projects possible quasifantastic the machines of time "deforming" space-time, etc.
Therefore the prospect of creative development of a human civilization is
undoubtedly connected by projects of quantum teleportation with deep studying laws
of a universe with the purpose of creation on their basis of the future space
technologies of development of a human civilization. The special role at the first
stage of development of space technologies will be doubtless for playing a problem
of physics and chemistry of antimatter.
Apparently, these researches can approach to a solution of questions: whence we in
the Universe also what we in it? These are the unsolved secrets facing to mankind. To
them concern, perhaps, first of all search reasonable lives and a problem of antimatter
(primary matter) in the Universe (see, for example, [1-21], etc.). We shall consider in
brief these questions.
About possible various forms of World Reason
Within the limits of quantumfield minisuperspaces it is possible to show the
theory of the Universe and model a plural birth of the Universes, even if has started to
eat anything ("is absent" the space-time, there are no Universes including our parent
Universe). Thus, it is possible to consider a birth installed as process inevitable and
natural - consequence of the theory of a field of the Universe in which the
superpotential depends on time. It enables to draw a dynamic picture of Eternity
(Everlasting peace) as original gas of the cooperating Universes, transition between
which is possibly possible through so-called moleholes (see [3]). The important
question of the modern science promoting development of fundamental problems of a
science and technics, search of a reasonable life and new vital spaces in the World
surrounding us is therefore. It is possible to tell, that these problems probably are it
(is similar) Great geographical to openings the end of the Middle Ages and the
beginning of new time in history of mankind, which is promote to unprecedented
progress in development of all spheres of its life.
2
Ideas about interstellar flights, to an essence, first of all assume searches of a
reasonable life in the Universe, an establishment of contacts to other civilizations.
But these questions as it is underlined in [21] and below, by way of debatable
discussion of a possible problem of the concept of World Reason – forms of the
matter possessing ability purposefully to develop and learn, both the development,
and other forms of a matter. One of examples of the form of World Reason before us
exists in reality. It is the maximum form of movement of an alive matter – collective
human Reason, that is to an essence that we name a human Civilization, the term «the
humanoid» is sometimes used. In this connection there are following inevitable
questions 1) whether exist in the Universe (besides ours) humanoid Civilizations,
contact with which, apparently, it is possible to establish others; 2) whether we can –
carriers of one of kinds of World Reason, i.e. representatives of a human Civilization
to come into contacts to other forms of World Reason. These questions have
especially practical character. To solve them it is necessary on high scientific and a
technological level in view of all knowledge of laws of development of one of
moving forms of a matter – World Reason (a human Civilization).
The sum of knowledge of world around (mean the sum of knowledge of laws of
development of all kinds of a moving matter), accumulated by various forms of
World Reason as follows from an example of development of a human Civilization,
follows approximately on the law S (t )  S0[1  exp( t )] . In this enough to the naive
formula the parameter S 0 represents value « the sums of knowledge », and parameter
  1 /  , where  - average time of a life of a civilization. And sizes of parameters S 0
and   1/  for various forms of World Reason, apparently, are besides various.
Thus, assuming, that an opportunity of an establishment of contacts between
civilizations are defined by affinity of values of parameters S 0 and   1/  functions
S (t ) , it is possible to come to rather pessimistic conclusion about casual character of
an establishment of contacts. Therefore various forms of World Reason most likely
develop and exist independently from each other.. Contacts between them – the
phenomenon most likely casual, as well as influences of one form of World Reason
3
on another. It is one of possible paradoxes which expect serious researchers on a
problem of a reasonable life in the Universe and-or the Universes. Unfortunately the
experiments lead recently on search of a reasonable life in our parent Installed
distance meanwhile the negative result confirming this possible paradox.
There is a big number of offered projects of the future space travel based on our
knowledge of laws of the nature and a universe. The special role at the first stage of
development of space technologies will be doubtless for playing a problem of
physics, chemistry and technology of antimatter [1-21].
About the physicist, chemistry and technology of antimatter
The modern problem of physics, chemistry and technology of antimatter includes
researches of features of properties of an antimatter and interaction of a matter and an
antimatter, and also research of matter by means of antiparticles [22-38]. Special value
modern achievements in the physicist, chemistry and have technologies of antiantimatter
for the decision of power problems of mankind (a problem of antihydrogen, quark
matters, power problems of cosmologyк, etc.). Therefore the big interest represents an
opportunity of reception of intensive streams of positrons (probably and other
antiparticles) at reorganization of physical vacuum in strong fields (for example, it is
probable in an electric floor of modern super-power laser beams (http:
//www.popmech.ru/part/?articleid=4803&rubricid=3)) and on accelerators. It is
probable speech can to go probably about creation of space solar factories on the
Moon or asteroids, etc. with use of the transformed energy of radiation of the Sun to
electric energy and uses of special traps in space vacuum for reception and storage of
positrons. The essence of a method should consist in reception of positrons by means
of the transformed energy of the Sun on accelerators or any other methods of streams
of fast positrons with their their subsequent delay up to temperatures of the order 0,5
K in some closed area of a space. Thus, significant amounts of positrons can be
received. Gathering of such positrons in magnetic traps in states of space vacuum
could become effective enough method of accumulation of antimatter.
Special interest is represented with a problem of reception of cold
antihydrogen (in special traps at temperature of the order 0,5), developed in CERN
4
[7]. These experiments assume check of fundamental laws of a universe (for
example, CPT-SYMMETRY) by means of studying properties of synthesized atoms
of antihydrogen. Yielded results of CERN of reception, storage and detecting of
antihydrogen can be used in the future with the purpose of reception of antihydrogen
in sufficient macroquantities for practical use as anniyilation fuel in various impellent
installations of space vehicles. Possibly it will be a question of creation of solar
factories with use of energy of radiation of the Sun and a space for manufacture and
storage of antimatter. The essence of a method should consist in reception by means
of the transformed energy of the Sun, for example, in electric energy on accelerators
or any other methods of streams of fast antiprotons and positrons with their
subsequent delay on technology of CERN [7] up to temperatures of the order 0,5 To
in some closed area of a space. The subsequent recombination these cold antiprotons
and positrons in this area should lead to formation of cold antihydrogen. Thus the
subsequent process of formation of molecules of antihydrogen and their condensation
in firm particles in states of temperature of a space is possible. Condensation these
particles can lead to reception of enough of the cold antimatter consisting of
molecules of antihydrogen. Thus, the importance of a problem about transformation
and concentration of energy of a sunlight in other forms of energy, suitable antimatter
for reception increases in a greater measure. As we see, this process of reception of
cold antimatter represents extremely difficult technical problem, it is possible even to
tell extremely difficult problem. It is work on for many generations of researchers of
all areas of knowledge and specialities.
On a modern level of development of technologies about a plenty of the
received antimatter to speak it is not necessary. Besides these processes of reception
of antimatter are very dear. Therefore it is possibly possible to speak only about
approximately tens or hundreds nanograms the received antimatter. It the quantity of
antimatter, obviously, would be enough for creation of space vehicles (SV) with the
sizes in nano-or a micron range (Positronics Research LLC). This fantastic
assumption not it is deprived sense in a context of modern development
nanotechnologies in the World. All the sizes long devices and details such SV should
5
not exceed the sizes of ranges of micron and nanometer.
Position can change if to consider, that black holes as natural so, it is possible
also
an
artificial
origin
can
become
"factories"
of
antimatter
(see
http://ipulsar.net/news/1465-sc.html (A.D.Dolgov (ITEP) and others). Gravitation in
vicinities of a black hole is so greater, that it is any objects (even photons) cannot
leave it. Really, gravitation of a black hole operates more strongly on protons, than on
electrons as their weight is much less. As a result the black hole receives a positive
electric charge. Thus, if weights of black holes are small enough the electric field in
the field of horizon of events can reach critical values. It spends to instability of
vacuum and generation electron-positron pairs. As positrons are thrown out from area
of an electric field of a black hole, and eltctrons are grasped, black holes can be
considered as factory of antimatter, transforming protons in antiparticles.
In this connection opportunities of use of researches of the various processes
proceeding in extreme states, in the nuclear physics, astrophysics and cosmology can be
considered, and also other adjacent areas of a science and technics for creation of
intensive streams of positrons and is possible other antiparticles. Thus, very powerful
streams of positrons could be received. Gathering of such positrons in magnetic traps in
states of a space can become rather effective method of accumulation of antimatter.
Besides a problem of manufacture there is a problem of safe storage of positrons.
Now for storage of antiparticles so-called Pennings traps (fig. 1) are used. Particles
are kept in them from collision with walls of a trap by means of a magnetic field.
However as positrons are charged equally and make a start from each other, in due
course all of them are pulled out from a magnetic field and at collision with a usual
matter is annihilated.
6
Fig. 1. Trap of Penning
Firm Positronics Research LLC [8] is engaged in a problem of storage of
positrons. Alternatively to Penning traps of scientists of this firm suggest to use also
quasistable formations – positronium atoms. Positronium the friend around of the
friend to a positron and elecnron which are kept from collision by electromagnetic
fields represents system from rotating.
It is marked [16], that the engine on antimatter (antiprotons) is quite real and can
work, for example, as follows. First two clouds from several billions antiprotons
which from contact with a matter are kept with an electromagnetic trap are created.
Then between them enter fuel particl in weight in 42 nanogram, representing capsule
from uranium-238 in which the mix deuterium and helium-3 or deuterium and tritium
is concluded. Antiprotons is annihilated instantly with kernels of uranium also cause
their disintegration on fragments. These fragments, together with formed the scalequantums so strongly warms up an interior of a capsule, that there begins
thermonuclear reaction. Its products possessing huge energy, are even more strongly
dispersed by a magnetic field and leave through аperture the engine, providing a
spacecraft extremely greater draft.
As if to flight to Mars for one month for it the American physicists recommend
other technology –antiproton nuclear division. Then on all flight it is required 140
nanogramm antiprotons, not including radioactive fuel.
2. About a role of research позитронных and positronium states in a matter
By virtue of the set forth above research positron annihilation in a matter
7
(positronics, a being component of a problem of antimatter), including in the structure
positron processes, positron (positronium) states and actually process annihilation
[12,13], represents fundamental and practically important problem. Positron and
positronium states in the basic four states of a matter (gases, liquids, solid state and
plasma) can be classified conditionally as follows: 1) free positrons and positronium
atoms ( Ps ) in various energy intervals from termalized up to ultrarelativistic; 2)
Wheeler
connections
(complexes)
of
structure
e e2 , ee2 ;
3)
positronium
molecules (Ps) 2 , т. е. e2 e2 , and even more complex polyelectronic systems including in
the structure a positron; 4) the connected states of positrons and Ps on multielectronic
atoms and ions (first of all on negative ions); 5) quasipositron and quasipositronium
states in the various condensed environments; 6) a positron ( Ps )-exiton plasma, for
example, in semiconductors at temperature of liquid helium and below; 7) connected
positron and Ps states on dot and big defects (free volumes) in crystal both amorphous
firm bodies and polymers; 8) connected positron and Ps states on a surface of various
matters. Certainly, alongside with above listed can be and other types of states.
Research of properties of such states has great value in a modern science and
technics. Therefore last years intensive development of positronics various matters
and their states is observed. Interest to studying of positronics not сasual. It is
connected, on the one hand, with fundamental problems of physics: a birth and
evolution of the Universe and -or the Universes, positron astrophysics, interaction of
matter and antimatter, with studying new updatings Wheeler complexes in matter. On
the other hand, – with search of new unique methods of research of electronic
structure and some physical and chemical characteristics of matter (including solid
state) in addition to already existing methods (optical, electric, magnetic, etc.), and
also opportunities of construction of devices and the devices working on the basis of
effects of interaction of radiation with matter. The special role is represented with
researches in the field of space positronics [14,15].
Application of a method positron annihilation for studying electronic and
defective structure of metals, alloys, semiconductors, ionic crystals, polymers and
other matters became possible owing to theoretical and experimental researches of
8
process annihilation in these materials [22-38], allowed to find out the nature positron
states and their subsequent annihilation disintegration. Really, by means of the
theoretical analysis positron processes and states in these matters communication
between the basic characteristics annihilation spectra (the form and width of ADAP
curves, time spectra annihilation and relative speed of the account of concurrences
3-quantums) and constants of speeds of formation and disintegration of these states
that has enabled to receive the helpful information on investigated samples
(monocrystal and polycrystalline samples).
As it has been established, by the most important questions which are solved and
can be solved by means of a method annihilation the positrons, not destroying control
representing a method, are: definition of electron concentration in metals and alloys;
research of anisotropy of electronic density in monocrystals of metals,
semiconductors and ionic crystals for various crystall orientations; definition of
charging states of atoms in semiconductor connections and ionic crystals; studying
quasimetals and phase transitions metal – the semiconductor; definition of mobility of
positrons in semiconductors; studying of the nature and density of dispositions in
semiconductors; research of amorphous semiconductors and glasses, and also ionic
systems with the developed surface; revealing of radiating and other defects in
semiconductors and ionic crystals; Research of semiconductors and the ionic crystals
irradiated by light, the X-rays charged by particles and neutrons; the analysis of a
condition of a surface and surface layers of metals, alloys, semiconductors and ionic
crystals. Special interest is represented with opportunities of applications various
positron techniques for researches of the sizes and concentration of nanoobjects in
technically important materials and nanomaterials [31-38].
Alongside with above listed, are possible, certainly, and other applications of a
method annihilation. For example, studying of structure and the nature of relic
defects of matters of various geological epoch of development of the Earth and is
possible other planets. The method positron an issue tomography is very important.
Special value research of processes of interaction of matter and antimatter (atomantiatom, a molecule-antimolecule, etc.), having have great value from the
9
astrophysical point of view and synthesis of antiatoms on modern accelerators of
elementary particles, also for creation of engines and the energy sources based on
annihilation of matter and antimatter.
3. Possible projects of space engines
According to the Internet with the help of an antimatter it is possible to deliver the
manned ship to Mars for one and a half month. Affirms, that space engines on
antimatter where are closer, than it is accepted to think. They can be rather
inexpensive and safe. The main idea of company Positronics Research [8] considers,
that fuel for the ships of the future should become positrons, instead of antiprotons or
nucleus of antihelium as it was offered earlier. This choice is proved so. At reaction
annihilation matters and antimatters are born scale-beams of high energy, that in case
of the piloted device entails inclusion in a design of the hardest protection. Not only it
is complex to be protected from such beams, them and to use for a drive of the ship
inconveniently. The significant part of energy will depart away. Positron annihilation
the scale-radiation with energy approximately in 400 times smaller gives rise, that is
good from the most different points of view. The first variant of the engine authors of
firm «Positronics Research» have named «Positron reactor» (fig. 2).
Fig. 2. The scheme of the rocket engine of type « Positron
reactor »
10
It is supposed, that the certain quantity of positrons (the 100-th shares of gram)
would be turned out on terrestrial installations and placed in the big number of tiny
magnetic capsules-traps. These capsules by turns, but with the big frequency direct to
the center of the reactor filled special heat exchanger – a matrix. In the center of a
reactor (fig. 2) a trap switch off, positrons cooperate with its matter and give flash of
the radiation which are heating up a matrix. Through a matrix pass hydrogen which is
warmed up and with the big speed expires from aperture of the engine. The part of
hot hydrogen is allocated for a drive of the pump, and cold hydrogen from a tank
before to get in a reactor, passes through double aperture in walls – for its cooling.
Positron reactor could give a specific impulse in 900 seconds. On each gram of the
working body (hydrogen) spent for a second it would give 900 grams of draft. It
approximately in two-rub times above, than at chemical engines that means similar
reduction necessary for flight, for example, to Mars of fuel, decrease in gross weight
of the ship, so – decrease in force of draft necessary for its dispersal. We shall notice,
ionic engines give a much greater specific impulse, but demand a powerful source of
electric energy from the outside or from is monstrous-huge solar panels, or from a
small atomic power station onboard. Positron reactor is energetically quite selfsufficient and technically rather simple. And in it its enormous advantage in front of
ionic engines. Besides on the given principle nothing prevents to create powerful
positron a drive, capable to deduce the ship into a circumterraneous orbit. And ionic
engines on it are unable, they are good only for interplanetary flights. That up to
hypothetical small capsules with traps for positrons – in such devices just now
company Positronics Research [8] of city Santa Fe in state of New Mexico also is
engaged.
The second variant of a drive is named «Ablative positron engine». Capsules with
magnetic traps in which positrons are stored, here are still covered by a layer of lead.
Annihilation of capsules оccurs in wide of the chamber of the engine. Lead the scaleradiation from annihilation and again radiates absorbs powerful this stream of energy
in the form of X-rays. X-ray beams, unlike scale-radiation, are very well absorbed by
the most thin layer of a special covering of the chamber. These layers in the engine
11
gradually evaporate and give draft. The settlement specific impulse of ablative
positron a drive makes five thousand seconds. In case of misfortune on start (if for
any inconceivable reason capsules-traps will be disconnected all) such ship will not
throw out in an atmosphere of radioactive matters. There will be only short scaleflash and explosion, quite let's compare on force with explosion of a usual chemical
rocket. So the safety zone around of start can make all kilometer. «On a rough
estimate to make 10 milligrams of the positrons necessary for piloted martian
mission, it is necessary approximately 250 million дол., with use of technology
which now develops. Other calculations made by scientists NASA, working in Glenn
Research Center in Clevelend, have shown, that for reception of one milligram of an
antimatter now it would be required about hundred billions dollars – the expensive
that this project was interesting from the commercial point of view. There is an
instruction, that at a modern level it is required nearby 10 billion dollars For 1 g of
annihilation fuel. However, for example, by calculations Hbar Technologies, 17
grams of an antimatter are enough, that the unmanned space vehicle for 40 years has
reached a star the Alpha of a Centaur, т. е. has overcome distance in 4,3 light years or
4,068 х 1013 km. For comparison it is possible to recollect, that the distance from the
Earth up to the Sun makes 1,496 х 108 km, that in 272 000 times it is less » [6, 7,16].
It is very tempting, but such travel are very dear. Being based on experience of
nuclear technology, it seems reasonable to expect, that cost of manufacture of
positrons in due course will decrease owing to intensive researches in the field of
technology of antimatter, and proceeding from comparative simplicity of positron a
drive these figures mean, that flights on an antimatter where are closer to a reality,
than it is possible to assume.
The bibliographic list
1. Prokopev E.P. About an opportunity of annihilation energy sources //
Defensive complex to scientific and technical progress of Russia. 2003.№2. P. 10–
14,17-19.
2. N.A.Vlasov. Antimatter. М.: Атомиздат. 1968.
12
3. A.D.Dolgov, J.B.Zeldovich, M.V.Sazhin. Cosmology of early Universe. М.:
MSU, 1988.
4. Prokopev E.P. About a problem of use of antihydrogen in space technics of
the future // Defensive complex-scientific and technical to progress of Russia.
2003.№2. P. 15-16.
5. Prokopev E.P. Opportunit of reception of energy and antimatter at low
energies: the probable physical mechanism of self-organizing at nuclear synthesis,
transformation of elements and synthesis of antimatter // Defensive complexscientific and technical to progress of Russia. 2003.№2. P. 39-40.
6. Prokopev E.P. Opportunit of reception of antimatter in a space with use of
energy of the Sun // Defensive complex-scientific and technical to progress of Russia.
2006. №2. P. 63-66.
7. W. Colins // Reception of cold antihydrogen // In the world of a science.
2005.№9 .P. 52–59.
8. Data the Internet: see, for example, Positronics Research LLC, And also http:
//www.tfot.info/articles.php?itemId=33/64/.
9. Svetlov-Prokopev E.P. Pproblem of physics and chemistry of antimatter and
an opportunity of its synthesis // Mater. VIII Reshetnev Conf. (11 – 12 November.
2004, Krasnoyarsk). Krasnoyarsk: SibGAU, 2004. P. 302
10. Svetlov-Prokopev E.P. Problem of physics and chemistry of antimatter and
an opportunity of its synthesis // Abstr. Rep. of 54 Intern. Meeting on nuclear
spectroscopy and structure of a nuclear nucleus (Nucleus – 2004) (24 – 26 June,
2004, Russia) Belgorod:BelgorSU, 2004. P. 264-265.
11. Prokopev E.P. About interaction of matter and antimatter. Systems p -Н,
р- H and Н- H . Appendices in electronics // Microelectronics, 1992. №. 4, ser. 3. P.
65–68.
12. Prokopev E.P. About a role of research positron and positronium states in a
science and technics // In book.: «Symposium on interaction of nuclear particles with
a surface of the solid state, academician AN Uz SSR devoted to memory academician
13
of AN Uz SSR U.A.Arifov». (Tashkent, 16 – 18 October, 1979). Tashkent: FAN,
1979. P. 113.
13.
E.P.Prokopev, S.P.Timoshenkov, V.I.Grafutin et al. Positronics ionic
crystals, semiconductors and metals. М.: MIET, 1999. 176 p.
14. E.M.Churazov, R.A.Syunaev, S. Yu. Sazonov etc. Annihilation radiation
of the central zone of the Galaxy: results of an observatory INTEGRAL // Uspekhi
Physics, 2006. Vol. 176. P. 334.
15. Grafutin V., Svetlov-Prokop’ev E. Research of positron state in spase
plasma // In. book: Abstracts of the 6th INTEGRAL Workshop « The Obscured
Universe ». 2 – 8 July 2006. M.: Space Research Institute Russian Academy of
Sciences. P. 28.
16. Antimatter will bring quickly the manned ship to Mars for one and a half
month, http: //www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/3999.html,
http:
//www.scorcher.ru/art/theory/anty/anty.htm
17.
A.L.Suvorov, E.P.Svetlov-Prokopev, T.L.Razinkova. // Reception of
antimatter for use in a modern science, technics and microelectronics. The Petersburg
magazine of electronics. 2007. №2. P. 4-16.
18. E.P.Svetlov-Prokopev. The general principles of interaction of matter and
antimatter. Not relativistic theory // Bull. of KazNU, a ser. physical. 2007. №1 (23).
P. 169-177.
19. E.P.Svetlov, T.L. Razinkova. About a problem of physics, chemistry and
technology of antimatter: opportunities of research of properties, search in the
Universe, synthesis and applications " // 5 International conferences " Nuclear and
radiating physics ". 26 - 29 September, 2005: ICNP ’ 05. Vol. 1. The nuclear physics.
Almaty: Publ. house RK. 2006. P.334-346.
20.
A.L.Suvorov,
E.P.Svetlov-Prokopev,
T.L.Razinkova,
V.I.Grafutin,
S.P.Timoshenkov. Reception of antimatter in a space for use of energy of the sun
//Petersburg magazine of electronics. 2005. №4. P. 59-61
14
21. E.P.Svetlov-Prokopev. About a problem of physics and chemistry of
antimatter: opportunities of research of properties, search in the Universe, synthesis
and applications. In book: « Actual problems of modern physics». Materials of the
All-Russia remote scientifically-practical conference with the international
participation. Russia, Krasnodar, on June, 5th, 2008. Krasnodar: Federal agency of
the Russian Federation. The Kuban state university. Physicotechnical faculty. Faculty
of optoelectronics, 2008. P.15-30.
22. Arifov P.U., Arutyunov N.J., Prokopev E.P., etc. Quantum properties of
atoms and ions and positron diagnostics. Tashkent: FAN, 1975. 242 p.
23. Arefev K.P., Arifov P.U., Prokopev E.P., etc. Positron systems and
positron diagnostics. Tashkent: FAN, 1978. 192 p.
24. E.P.Prokop’ev. Positron annihilation and positron states in galactic
medium with low density // Abstracts of 10 th International Conference on positron
annihilation. Beijing, China, May 23-29, 1994. C24-2.
25. E.P.Svetlov-Prokopev. Physics, chemistry and technology of antimatter:
opportunities of research of properties, synthesis, applications, storage and search in
Universe // Petersburg journal of electronics. 2009. №2. P. 41-46.
26. Prokopev E.P. // Defensive complex – to scientific and technical progress
of Russia. 2008. №1. С.49-54.
27. .A.L.Suvorov,
E.P.Svetlov-Prokopev,
V.I.Grafutin,
A.F.Zakharov,
T.L.Razinkova, S.P.Timoshenkov, U.V.Funtikov. // Ukrainian physical journal. 2007.
Т.52. №9. P.843-848.
28. E.P.Prokopev. Possible space technologies of the future and a problem of
technical progress. Materials of the Third Belarus space congress. On October, 2325rd 2007, Minsk, Belarus. Minsk: Publishing house of the Incorporated institute of
problems of computer science of NAN Belarus, 2007. P.383-389.
29. E.P.Prokopev,
V.I.Grafutin,
A.F.Zakharov,
T.L.Razinkova,
S.P.Timoshenkov. Positron states in dust space plasma. Materials of the Third
Belarus space congress, on October, 23-25rd 2007, Minsk, Belarus. Minsk:
15
Publishing house of the Incorporated institute of problems of computer science of
NAN Belarus, 2007. P.43-45.
30. E.P.Svetlov-Prokopev. Possible space technologies of the future. The
collection of reports X of the international scientific and technical conference
«Cybernetics and high technologies of XXI century ». (C&T-2009), May, 13-15,
2009, Voronezh. Section 4. P.894-901.
31. S.P.Timoshenkov,
Yu.A.Chaplygin,
V.I.Grafutin,
E.P.Prokopev,
Yu.V.Funtikov. Positronics and nanotechnologies: definition of nanoobject radiuses
of emptiness in porous silicon and the silicon irradiated by protons. Nanotechnics.
2008.
№3(15).
З.
82-84.
http://www.nanotech.ru/journal/,
http://www.nanotech.ru/journal/word/cont08-3.pdf
32. V. I. Grafutin, A. G. Zaluzhnyi, V. V. Kalugin, O. V. Ilyukhina, G. G.
Myasishcheva, E. P. Prokopev, S. P. Timoshenkov, Yu. V. Funtikov, N. O.
Khmelevskii. On the Feasibility of Investigation of Some Defect and Porous Systems
by Means of Positron Annihilation Spectroscopy. High Energy Chemistry 2008. Vol.
42.6. Р. 478–484.
33. V.I.Grafutin, T.N.Mamedov, I.N.Meshkov, V.N.Pavlov, E.P.Prokopev,
S.P.Timoshenkov,Yu.V.Funtikov,
N.O.Hkmelevsky,
Yu.A.Chaplygin,
S.L.Jakovenko. Opportunities of studying of porous systems and nanomaterials by
method of positron annihilation spectroscopy. In book: the Nuclear physics and
nanotecnologies. Nuclear-physical aspects of formation, studying and application of
nanostructures. Under A.N.Sisakyana's general edition. Dubna: JINR, 2008. P.223241.
34. Yu.A.Chaplygin,
S.P.Timoshenkov,
V.I.Grafutin,
V.V.Kalugin,
E.P.Prokopev, Yu.V.Funtikov. Definition of nanoobject emptiness in porous systems
and the silicon irradiated by protons. Rusnanotech-08. The international forum on
16
nanotechnologies. 3-5.12. The collection of theses of reports scientificallytechnological section. Volume 2. М.: Rusnano, 2008.P. 65,66.
35. S.P.Timoshenkov, E.P.Prokopev, V.V.Kalugin, V.I.Grafutin, О.М Britkov,
S.S.Evstafev. Positronics and nanotechnologies: Definition of radiuses in porous
systems and some defective materials a PAS method. Part I. The Defensive complex
– to scientific and technical progress of Russia. 2008.№4. P.28-36.
36. S.P.Timoshenkov,
E.P.Prokopev,
V.I.Grafutin,
I.M.
Britkov;
Yu.V.Funtikov. Positronics and nanotechnologies: Definition of nanoobjectтов in
porous systems and some defective materials a method the PASS. Part II. The
Defensive complex – to scientific and technical progress of Russia. 2008.№4. С.3643.
37. E.P. Prokop’ev, V.I. Grafutin, S.P. Timoshenkov, Yu. V. Funtikov.
Opportunities of research of porous systems and nanomaterials by a method of
positron annihilation spectroscopy. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2008,
Vol. 44, No. 10, pp. 700–711.
38. Grafutin V.I., Prokopev E.P., Timoshenkov S.P., Yu.V. Funtikov.
Pozitronika and nanotechnologies: nanoobject sizes in porous systems and the silicon
irradiated by protons according to a ADAP method /Collection of materials of the
fourth international scientific seminar " GRAZED Modern methods of the analysis
дифракционных data (topography, дифрактометрия, electronic microscopy) ",
Great Novgorod, 6-11 september 2008 VNSU: Century Novgorod, 2008. P.91-94.
17
E.P.Prokopiev
POSSIBLE PROBLEMS OF PHYSICS, CHEMISTRY AND
TECHNOLOGY OF ANTIMATTER: SYNTHESIS AND APPLICATIONS
In the brief form features and some ways of development of high space technologies of the
future (the special attention is given to a problem of physics, chemistry and technology of
antimatter) are discussed; to a problem of positron annihilation in a matter (posinronics),
including in the structure positron processes, positron states and actually annihilation
process which represents fundamental and practically important problem. On the basis of
data the Internet the most important applications of antimatter – space technologies of the
future are considered.
Antimatter, positron, positronics, space technologies, space, the Universe,
space engines, interstellar flights.
18
УДК 681.32
ВОЗМОЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ, ХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ
АНТИВЕЩЕСТВА: СИНТЕЗ, ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ И
ПРИМЕНЕНИЯ
Е.П.Прокопьев1,2
ФГУП ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики им.
А.И.Алиханова (ИТЭФ), г.Москва
В краткой форме обсуждаются особенности и некоторые возможные пути
развития высоких космических технологий будущего (особое внимание уделено
проблеме физики, химии и технологии антивещества); проблеме позитронной
аннигиляции в материи (позитронике), включающей в свой состав позитронные
процессы, позитронные состояния и собственно процесс аннигиляции, которая
является составной частью фундаментальной и практически важной проблемы
антивещества. На основе данных Интернет рассмотрены наиболее важные
применения антивещества – космические технологии будущего.
Антивещество,
позитрон,
позитроника,
космические
технологии,
космос, вселенная, космические двигатели, межзвездные перелеты.
Введение
В процессе роста численности населения на Земле резко ухудшаются
экологические, экономические, социально-политические и другие проблемы
созидательного развития человеческой цивилизации. Перспективы этого
развития несомненно будут связаны с освоением космического пространства
(ближнего и дальнего космоса, межзвездных перелетов, освоение галактик
нашей Вселенной и возможно других вселенных), а также установление
контактов с внеземными цивилизациями, если таковые имеются. Имеются
большое число предлагаемых проектов будущих космических путешествий,
основанных на наших знаниях законов природы и мироздания. В настоящее
время существует точка зрения о том, что межзвездные путешествия на
19
космических кораблях с применением самых современных физических
источников энергии невозможны в силу огромной их длительности и
невозможности создания запасов топлива и износа материалов космических
аппаратов. Существуют точки зрения о том, что эти перелеты возможны лишь в
ближнем и дальнем космосе и перелеты к ближайшим звездам. Освоение нашей
галактики, других галактик нашей Вселенной и возможно других вселенных
связывается с проектами возможных полуфантастических машин времени,
«деформирующих» пространство-время, проектами квантовой телепортации и
т.д. Поэтому перспектива созидательного развития человеческой цивилизации
несомненно связана с глубокими изучениями законов мироздания с целью
создания
на
человеческой
их
основе
цивилизации.
будущих
Особую
космических
роль
на
технологий
первом
этапе
развития
развития
космических технологий несомненно будет играть проблема физики и химии
антивещества.
По-видимому, именно эти исследования могут подойти к разгадке вопросов:
откуда мы во Вселенной и что мы во ней? Это неразгаданные тайны, стоящие
перед человечеством. К ним относятся, пожалуй, в первую очередь поиск
разумной житзни и проблема антивещества (первоматерии) во Вселенной (см.,
например, [1-21] и др.). Рассмотрим вкратце эти вопросы.
О возможных разнообразиях форм Мирового Разума
В
рамках
квантовополевой
теории
вселенной
и
модели
минисуперпространства удается показать множественное рождение вселенных,
даже, если начало есть ничего (“отсутствует” пространство-время, нет
вселенных, в том числе и нашей материнской Вселенной). Таким образом,
можно считать рождение вселенных процессом неизбежным и закономерным следствие теории поля вселенной, в которой суперпотенциал зависит от
времени. Это дает возможность нарисовать динамическую картину Вечности
(Вечного Мира) как своеобразного газа взаимодействующих вселенных,
переход между которыми вероятно возможен через так называемые кротовые
норы (см. [3]). Важным вопросом современной науки, способствующей
20
развитию фундаментальных проблем науки и техники, является поэтому поиск
разумной жизни и новых жизненных пространств в окружающем нас Мире.
Можно сказать, что эти проблемы возможно явятся (сродни) Великим
географическим отрытиям конца средневековья и начала нового времени в
истории человечества, способствоваших невиданному прогрессу в развитии
всех сфер его жизни.
Идеи
о
межзвездных
перелетах,
по-существу,
в
первую
очередь
предполагают поиски разумной жизни во Вселенной, установление контактов с
иными цивилизациями. Но эти вопросы, как указывается в [21] и ниже, в
порядке
Мирового
дискуссионного
Разума
–
обсуждения
формы
возможной
материи,
проблемы
обладающей
концепции
способностью
целенаправленно развиваться и познавать, как свое развитие, так и других форм
материи. Один из примеров формы Мирового Разума перед нами существует
наяву. Это высшая форма движения живой материи – коллективный
человеческий Разум, то есть по-существу то, что мы называем человеческой
Цивилизацией, иногда употребляется термин «гуманоидной». В связи с этим
возникают следующие неизбежные вопросы 1) существуют ли во Вселенной
(помимо нашей) другие гуманоидные Цивилизации, контакт с которыми, повидимому, можно установить; 2)можем ли мы – носители одного из видов
Мирового Разума, т.е. представители человеческой Цивилизации, установить
контакты с другими формами Мирового Разума. Эти вопросы имеют сугубо
практический характер. Решать их необходимо на высоком научном и
техническом уровне с учетом всех знаний о законах развития одной из
движущихся форм материи – Мирового Разума (человеческой Цивилизации).
Сумма знаний об окружающем Мире (имеются в виду сумма знаний о
законах
развития
всех
видов
движущейся
материи),
накапливаемых
различными формами Мирового Разума, как следует из примера развития
человеческой Цивилизации, следует примерно по экспоненциальному закону
S (t )  S0 [1  exp( t )] . В этой довольно-таки наивной формуле параметр
S0
представляет собой асимптотическое значение «суммы знаний», а параметр
21
  1 /  , где  - среднее время жизни цивилизации. Причем величины
параметров S 0 и   1/  для различных форм Мирового Разума, по-видимому,
опять-таки
различны.
Таким
образом,
предполагая,
что
возможность
установления контактов между цивилизациями определяются близостью
значений параметров S 0 и   1/  функции S (t ) , можно придти к весьма
пессимистическому выводу о случайном характере установления контактов.
Поэтому различные формы Мирового Разума вероятнее всего развиваются и
существуют независимо друг от друга.. Контакты между ними – явление скорее
всего случайное, как и воздействия одной формы Мирового Разума на другую.
Это
один
из
возможных
парадоксов,
которые
ожидают
серьезных
исследователей по проблеме разумной жизни во Вселенной и/или вселенных. К
сожалению проведенные в последнее время эксперименты по поиску разумной
жизни в нашей материнской Вселенной дали пока что отрицательный
результат, подтверждающий этот возможный парадокс.
Имеется большое число предлагаемых проектов будущих космических
путешествий, основанных на наших знаниях законов природы и мироздания.
Особую роль на первом этапе развития космических технологий несомненно
будет играть проблема физики, химии и технологии антивещества [1-21].
О физике, химии и технологии антивещества
Современная проблема физики, химии и технологии антивещества включает
в себя исследования особенностей свойств антиматерии и взаимодействия
материи и антиматерии, а также исследования вещества с помощью античастиц
[22-38]. Особое значение имеют современные достижения в физике, химии и
технологии антивещества для решения энергетических проблем человечества
(проблема
антиводорода,
кварковой
материи,
энергетические
проблемы
космологии и др.). Поэтому большой интерес представляет возможность
получения интенсивных потоков позитронов (возможно и других античастиц) при
перестройке физического вакуума в сильных полях (например, вероятно в
электрическом
поле
современных
сверхмощных
(http://www.popmech.ru/part/?articleid=4803&rubricid=3))
и
лазерных
на
лучей
ускорителях.
22
Вероятно речь может возможно пойти о создании космических солнечных
фабрик на Луне или астероидах, и т.д. с использованием преобразованной
энергии излучения Солнца в электрическую энергию и использования
специальных ловушек в космическом вакууме для получения и хранения
позитронов. Сущность метода должна заключаться в получении позитронов
посредством преобразованной энергии Солнца на ускорителях или любых
других методов потоков быстрых позитронов с их последующим их
замедлением до температур порядка 0,5 K в некоторой закрытой области
космического
пространства.
Таким
образом,
могут
быть
получены
значительные количества позитронов. Сбор таких позитронов в магнитных
ловушках в условиях космического вакуума мог бы стать довольно
эффективным методом накопления антивещества.
Особый
интерес
представляет
проблема
получения
холодного
антиводорода (в специальных ловушках при температуре порядка 0,5 К),
разрабатываемого в ЦЕРН [7]. Эти эксперименты предполагают проверку
фундаментальных законов мироздания (например, СРТ-симметрии) с помощью
изучения свойств синтезируемых атомов антиводорода. Данные результаты
ЦЕРН получения, хранения и детектирования антиводорода могут быть
использованы в будущем с целью получения антиводорода в достаточных
макроколичествах
для
практического
использования
в
качестве
аннигиляционного топлива в различных двигательных установках космических
аппаратов.
Вероятно
речь
пойдет
о
создании
солнечных
фабрик
с
использованием энергии излучения Солнца и космического пространства для
производства и хранения антивещества. Суть метода должна заключаться в
получении с помощью преобразованной энергии Солнца, например, в
электрическую энергию на ускорителях или какими-либо другими методами
потоков быстрых антипротонов и позитронов с последующим их замедлением
по технологии ЦЕРН [7] до температур порядка 0,5 К в некоторой замкнутой
области
космического
пространства.
Последующая
рекомбинация
этих
холодных антипротонов и позитронов в этой области должна приводить к
23
образованию холодного антиводорода. При этом возможен последующий
процесс образования молекул антиводорода и их конденсации в твердые
частицы в условиях температуры космического пространства. Конденсация
(слипание) этих частиц может привести к получению достаточных количеств
холодного антивещества, состоящих из молекул антиводорода. Таким образом,
возрастает еще в большей мере значимость проблемы о преобразовании и
концентрации энергии солнечного излучения в другие формы энергии,
пригодные для получения антивещества. Как видим, этот процесс получения
холодного антивещества представляет собой неимоверно трудную техническую
задачу, можно даже сказать фантастически трудную задачу. Это работа на для
многих поколений исследователей всех областей знания и специальностей.
На современном уровне развития технологий о большом количестве
полученного антивещества говорить не приходится. К тому же эти процессы
получения антивещества очень дороги. Поэтому вероятно можно говорить
только о приблизительно десятках или сотнях нанограмм полученного
антивещества. Этого количество антивещества, очевидно, было бы достаточно
для создания космических транспортных средств (SV) с размерами в nano- или
микронном диапазоне (Positronics Research LLC). Это фантастическое
предположение не лишенно смысла в контексте современного развития
нанотехнологий в Мире. Все размеры устройств и деталей таких SV не должны
превысить размеры диапазонов микрона и нанометра.
Положение может измениться, если учесть, что черные дыры как
естественного, так, возможно и искусственного происхождения могут стать
"фабриками" антивещества (см. http://ipulsar.net/news/1465-sc.html (А.Д.Долгов
(ИТЭФ) и другие). Тяготение в окрестностях черной дыры является настолько
большим, что это никакие объекты (даже фотоны) не могут покинуть ее.
Действительно, тяготение черной дыры действует сильнее на протоны, чем на
электроны, поскольку их масса значительно меньше. В результате черная дыра
получает положительный электрический заряд. Таким образом, если массы
черных дыр являются довольно небольшими, то электрическое поле в области
24
горизонта событий может достигнуть критических значений. Это проводит к
нестабильности вакуума и генерации электронно-позитронных пар. Поскольку
позитроны выбрасываются из области электрического поля черной дыры, а
электроны захватываются, то черные дыры можно рассматривать как фабрика
антивещества, преобразующие протоны в античастицы.
В связи с этим могут быть рассмотрены возможности использования
исследований различных процессов, протекающих в экстремальных условиях, в
ядерной физике, астрофизике и космологии, а также других смежных областях
науки и техники для создания интенсивных потоков позитронов и возможно
других античастиц. Таким образом, могли бы быть получены очень мощные
потоки позитронов. Сбор таких позитронов в магнитные ловушки в условиях
космического
пространства
может
стать
весьма
эффективным
методом
накопления антивещества.
Помимо
хранения
проблемы
позитронов.
производства
В
настоящее
существует
время
для
проблема
хранения
безопасного
античастиц
используются так называемые ловушки Пеннинга (рис. 1). В них частицы
удерживаются от столкновения со стенками ловушки с помощью магнитного
поля. Однако поскольку позитроны заряжены одинаково и отталкиваются друг
от друга, со временем все они вырываются из магнитного поля и аннигилируют
при столкновении с обычной материей.
Рис. 1. Ловушка Пеннинга
25
Проблемой хранения позитронов занимается фирма Positronics Research LLC
[8]. В качестве альтернативы ловушкам Пеннинга ученые этой фирмы
предлагают использовать также квазистабильные образования – атомы
позитрония. Позитроний представляет собой систему из вращающихся друг
вокруг друга позитрона и электрона, которые удерживаются от столкновения
электромагнитными полями.
Отмечается [16], что двигатель на антивеществе (антипротонах) вполне
реален и может работать, например, следующим образом. Сначала создаются
два
облака
из
нескольких
триллионов
антипротонов,
которые
от
соприкосновения с материей удерживает электромагнитная ловушка. Потом
между ними вводят частичку топлива весом в 42 нанограмма, представляющую
собой капсулу из урана-238, в которую заключена смесь дейтерия и гелия-3 или
дейтерия и трития. Антипротоны моментально аннигилируют с ядрами урана и
вызывают их распад на фрагменты. Эти фрагменты, вместе с образовавшимися
гамма-квантами, так сильно разогревает внутренность капсулы, что там
начинается термоядерная реакция. Ее продукты, обладающие огромной
энергией, еще сильнее разгоняются магнитным полем и выходят через сопло
двигателя, обеспечивая космическому кораблю фантастически большую тягу.
Что же касается полета к Марсу за один месяц, то для него американские
физики рекомендуют другую технологию – ядерной деление, катализируемое
антипротонами. Тогда на весь полет требуется 140 нанограмм антипротонов, не
считая радиоактивного топлива.
2. О роли исследования позитронных и позитрониевых состояний в
материи
В силу вышеизложенного исследования positron annihilation в материи
(positronics,
являющейся
составной
частью
проблемы
антивещества),
включающей в свой состав positron процессы, positron (positronium) состояния и
собственно процесс annihilation [12,13], представляет собой фундаментальную и
практически важную проблему. POSITRON и positronium состояния в основных
четырех состояниях материи (газах, жидкостях, твердых телах и плазме) можно
26
условно классифицировать следующим образом: 1) свободные позитроны и
атомы позитрония ( Ps ) в различных интервалах энергий от термализованных до
ультрарелятивистских; 2) соединения (комплексы) Уилера состава e  e2 , e  e2 ; 3)
молекулы позитрония (Ps) 2 , т. е. e2 e2 , и еще более сложные полиэлектронные
системы, включающие в свой состав позитрон; 4) связанные состояния
позитронов и Ps на многоэлектронных атомах и ионах (в первую очередь на
отрицательных ионах); 5) квазиpositron и квазиpositronium состояния в
различных конденсированных средах; 6) позитрон ( Ps )-экситонная плазма,
например, в полупроводниках при температуре жидкого гелия и ниже; 7)
связанные positron и Ps состояния на точечных и протяженных дефектах
(свободных объемах) в кристаллических и аморфных твердых телах и
полимерах; 8) связанные positron и Ps состояния на поверхности различных
веществ. Конечно, наряду с выше перечисленными могут быть и другие типы
состояний.
Исследование свойств таких состояний имеет важное значение в
современной науке и технике. Поэтому в последние годы наблюдается
интенсивное развитие positronics различных веществ и их состояний. Интерес к
изучению
positronics
не
случаен.
Он
связан,
с
одной
стороны,
с
фундаментальными проблемами физики: рождением и эволюцией вселенной
и/или вселенных, positron астрофизикой, взаимодействием вещества и
антивещества, с изучением новых модификаций комплексов Уилера в
веществе. С другой стороны, – с поиском новых уникальных методов
исследования
электронной
структуры
и
некоторых
физико-химических
характеристик вещества (в том числе и твердых тел) в дополнение к уже
существующим методам (оптическим, электрическим, магнитным и др.), а
также возможностей построения приборов и устройств, работающих на основе
эффектов взаимодействия излучения с веществом. Особую роль представляют
исследования в области космической positronics [14,15].
Применение метода позитронной аннигиляции для изучения электронной и
дефектной
структуры
металлов,
сплавов,
полупроводников,
ионных
27
кристаллов, полимеров и других веществ стало возможным благодаря
теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса annihilation в
этих материалах [22-38], позволившим выяснить природу позитронных
состояний и их последующего аннигиляционного распада. Действительно, с
помощью теоретического анализа позитронных процессов и состояний в этих
веществах была установлена связь между основными характеристиками
аннигиляционных спектров (форма и ширина кривых УРАФ, временные
спектры annihilation и относительная скорость счета совпадений 3-квантов) и
константами скоростей образования и распада этих состояний, что дало
возможность получить полезную информацию об исследуемых образцах
(монокристаллические и поликристаллические образцы).
Как было установлено, наиболее важными вопросами, которые решаются и
могут
быть
решены
представляющего
с
собой
помощью
метод
метода
аннигиляции
неразрушающего
позитронов,
контроля,
являются:
определение концентрации электронов в металлах и сплавах; исследование
анизотропии
электронной
плотности
в
монокристаллах
металлов,
полупроводников и ионных кристаллов для различных кристаллографических
ориентаций; определение зарядовых состояний атомов в полупроводниковых
соединениях и ионных кристаллах; изучение полуметаллов и фазовых
переходов металл – полупроводник; определение подвижности позитронов в
полупроводниках;
изучение
природы
и
плотности
дислокаций
в
полупроводниках; исследование аморфных полупроводников и стекол, а также
ионных систем с развитой поверхностью; выявление радиационных и других
дефектов
в
полупроводниках
и
ионных
кристаллах;
исследование
полупроводников и ионных кристаллов, облученных светом, рентгеновскими
лучами, заряженными частицами и нейтронами; анализ состояния поверхности
и приповерхностных слоев металлов, сплавов, полупроводников и ионных
кристаллов.
Особый
интерес
представляют
возможности
применений
различных позитронных методик для исследований размеров и концентраций
нанообъектов в технически важных материалах и наноматериалах [31-38].
28
Наряду с выше перечисленными, возможны, конечно, и другие применения
метода аннигиляции. Например, изучение структуры и природы реликтовых
дефектов веществ различных геологических эпох развития Земли и возможно
других
планет.
Очень
важным
является
метод
эмиссионной
positron
томографии.
Особое значение имеют исследование процессов взаимодействия вещества и
антивещества (атом-антиатом, молекула-антимолекула и т. д.), имеющих
важное значение с астрофизической точки зрения и синтеза антиатомов на
современных
ускорителях
элементарных
частиц,
также
для
создания
двигателей и источников энергии, основанных на аннигиляции вещества и
антивещества.
3. Возможные проекты космических двигателей
По данным Интернета c помощью антиматерии можно доставить обитаемый
корабль к Марсу за полтора месяца. Утверждается, что космические двигатели
на антивеществе куда ближе, чем принято думать. Они могут быть
сравнительно недорогими и безопасными. Главной идеей компании Positronics
Research [8] считается, что топливом для кораблей будущего должны стать
позитроны, а не антипротоны или ядра антигелия, как предлагалось ранее.
Выбор этот обоснован так. При реакции аннигиляции материи и антиматерии
рождаются гамма-лучи высокой энергии, что в случае пилотируемого аппарата
влечет за собой включение в конструкцию тяжелейшей защиты. От таких лучей
не только сложно защищаться, их и использовать для привода корабля
затруднительно, т. е. значительная часть энергии будет улетать прочь.
Аннигиляция позитронов рождает гамма-излучение с энергией примерно в 400
раз меньшей, что хорошо с самых разных точек зрения. Первый вариант своего
двигателя авторы фирмы Positronics Research назвали «Позитронный реактор»
(Positron reactor) (рис. 2).
29
Рис. 2. Схема ракетного двигателя типа «Позитронный
реактор»
Предполагается, что определенное количество позитронов (сотые доли
грамма) было бы наработано на земных установках и помещено в большое
число миниатюрных магнитных капсул-ловушек. Капсулы эти по очереди, но с
большой частотой направляют в центр реактора, наполненного специальным
теплообменником – матрицей. В центре реактора (рис. 2) ловушку выключают,
позитроны взаимодействуют с ее веществом и дают вспышку излучения,
нагревающего матрицу. Через матрицу пропускают водород, который
разогревается и с большой скоростью истекает из сопла двигателя. Часть
горячего водорода отводится для привода насоса, а холодный водород из бака,
прежде чем попасть в реактор, проходит через двойные стенки сопла – для его
охлаждения. Позитронный реактор мог бы дать удельный импульс в 900
секунд, сообщают исследователи, т. е. на каждый грамм израсходованного за
секунду рабочего тела (водорода) он дал бы 900 граммов тяги. Это примерно в
два-три раза выше, чем у химических двигателей, что означает аналогичное
уменьшение необходимого для полёта, например, к Марсу топлива, снижение
общего веса корабля, а значит – снижение необходимой для его разгона силы
тяги. Заметим, ионные двигатели дают намного больший удельный импульс, но
требуют мощного источника электрической энергии извне или от чудовищно30
гигантских солнечных панелей, или от небольшой атомной электростанции на
борту. Позитронный же реактор энергетически вполне самодостаточен и
технически сравнительно прост. И в этом его колоссальное преимущество
перед ионными двигателями. К тому же на данном принципе ничто не мешает
создать мощный позитронный привод, способный вывести корабль на
околоземную орбиту. А ионные двигатели на это неспособны, они хороши
лишь для межпланетных перелетов. Что до гипотетических маленьких капсул с
ловушками для позитронов – такими устройствами как раз и занимается сейчас
компания Positronics Research [8] из города Санта-Фе в штате Нью-Мексико.
Второй вариант привода назван «Абляционный позитронный двигатель»
(Ablative positron engine). Капсулы с магнитными ловушками, в которых
хранятся позитроны, здесь еще покрыты слоем свинца. Аннигилируют капсулы
в широком сопле двигателя. Свинец же поглощает мощную гамма-радиацию от
annihilation и переизлучает этот поток энергии в виде рентгеновских лучей.
Рентгеновские же лучи, в отличие от гамма-радиации, очень хорошо
поглощаются тончайшим слоем специального покрытия сопла. Эти слои в
двигателе постепенно испаряются и дают тягу. Расчетный удельный импульс
абляционного позитронного привода составляет пять тысяч секунд. В случае
несчастья на старте (если по какой-то немыслимой причине отключатся все
капсулы-ловушки) такой корабль не выбросит в атмосферу радиоактивных
веществ. Будет лишь короткая гамма-вспышка и взрыв, вполне сравнимый по
силе со взрывом обычной химической ракеты. Так что зона безопасности
вокруг старта может составлять всего километр. «По грубой оценке, чтобы
произвести 10 миллиграммов позитронов, необходимых для пилотируемой
марсианской миссии, нужно приблизительно 250 млн дол., с использованием
технологии, которая в настоящее время развивается. Другие расчеты,
сделанные учеными NASA, работающими в Glenn Research Center в Кливленде,
показали, что для получения одного миллиграмма антиматерии сейчас
потребовалось бы около ста миллиардов долларов – слишком дорого, чтобы
этот проект был интересен с коммерческой точки зрения. Имеется указание, что
31
на современном уровне требуется около 10 трил дол. за 1 г аннигиляционного
топлива. Однако, например, по расчетам Hbar Technologies, 17 граммов
антиматерии достаточно, чтобы непилотируемый космический аппарат за 40
лет долетел до звезды Альфа Центавра, т. е. преодолел расстояние в 4,3
световых года или 4,068 х 1013 км. Для сравнения можно вспомнить, что
расстояние от Земли до Солнца составляет 1,496 х 108 км, что в 272 000 раз
меньше» [6, 7,16]. Это очень заманчиво, но такого рода путешествия очень
дороги. Основываясь на опыте ядерной технологии, кажется разумным
ожидать, что стоимость производства позитронов со временем снизится
благодаря интенсивным исследованиям в области технологии антивещества, и
исходя из сравнительной простоты позитронного привода эти цифры означают,
что полеты на антиматерии куда ближе к реальности, чем можно
предположить.
Библиографический список
1. Прокопьев Е.П. О возможности анигиляционных источников энергии //
Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. 2003. № 2.
С. 10–19.
2. Н.А.Власов. Антивещество. М.: Атомиздат. 1968.
3. А.Д.Долгов,
Я.Б.Зельдович,
М.В.Сажин.
Космология
ранней
Вселенной.М.: Изд-во МГУ, 1988.
4. Прокопьев Е.П. О проблеме использования антиводорода в космической
технике
будущего
//
Оборонный
комплекс-научно-техническому
прогрессу России. 2003. № 2. С. 15-16.
5. Прокопьев Е.П. Возможность получения энергии и антивещества при
низких энергиях: вероятный физический механизм самоорганизации при
ядерном синтезе, трансформации элементов и синтезе антивещества //
Оборонный комплекс-научно-техническому прогрессу России. 2003. № 3.
С. 39,40.
32
6. Прокопьев Е.П. Возможность получения антивещества в космическом
пространстве с использованием энергии Солнца // Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. 2006. № 2. С. 63-65.
7. Колинз Г. Получение холодного антиводорода // В мире науки. 2005. №
9. С. 52–59.
8. Данные Интернет: см., например, Positronics Research LLC, а также
http://www.tfot.info/articles.php?itemId=33/64/.
9. Светлов-Прокопьев Е.П. Проблема физики и химии антивещества и
возможности его синтеза // Матер. VIII Всерос. науч. конф. с междунар.
участием, посвящ. 80-летию со дня рождения генерального конструктора
ракетно-космических
систем
академика
М.Ф.
Решетнева
(11
–
12 нояб. 2004, г. Красноярск). Красноярск: СибГАУ, 2004. С. 302
10.Светлов-Прокопьев Е.П. Проблема физики и химии антивещества и
возможности его синтеза // Тез. докл. 54 Междунар. совещ. по ядерной
спектроскопии и структуре атомного ядра (ЯДРО – 2004) (22 – 26 июня
2004, Россия, Белгород):Изд-во БелгорГУ, 2004. C. 264-265.
11.Прокопьев Е.П. О взаимодействии вещества и антивещества. Системы p Н, р- H и Н- H . Приложения в электронике // Микроэлектроника, 1992.
Вып. 4, сер. 3. С. 65–68.
12.Прокопьев Е.П. О роли исследования позитронных и positronium
состояний в науке и технике // В кн.: «Cимпозиум по взаимодействию
атомных частиц с поверхностью твердого тела, посвященного памяти
академика АН УзССР У.А. Арифова».(Ташкент, 16 - 18 октября 1979
года). Ташкент: ФАН, 1979. С. 113.
13. Е.П. Прокопьев, С.П. Тимошенков, В.И. Графутин, и др. Positronics
ионных кристаллов, полупроводников и металлов. М.: Ред.-изд. отдел
МИЭТ (ТУ), 1999. 176 с.
14.Е.М. Чуразов, Р.А. Сюняев, С.Ю. Сазонов и др. Аннигиляционное
излучение центральной зоны Галактики: результаты обсерватории
ИНТЕГРАЛ // УФН, 2006. Т. 176. С. 334.
33
15.Grafutin V., Svetlov-Prokop’ev E. Research of positron state in spase plasma //
In. book: Abstracts of the 6th INTEGRAL Workshop «The Obscured
Universe». 2 – 8 July 2006. M.: Space Research Institute Russian Academy of
Sciences. P. 28.
16.Данные Интернет: Антиматерия домчит обитаемый корабль к Марсу за
полтора
месяца,
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/3999.html,
http://www.scorcher.ru/art/theory/anty/anty.htm
17. А.Л.Суворов, Е.П.Светлов-Прокопьев, Т.Л.Разинкова. // Получение
антивещества для использования в современной науке, технике и
микроэлектронике. Петербургский журнал электроники. 2007. № 2. С. 416.
18. Е.П.Светлов-Прокопьев. Общие принципы взаимодействия вещества и
антивещества. нерелятивистская теория // Вестник КазНУ, серия
физическая. 2007. № 1(23). С. 169-177.
19. Е.П. Светлов-Прокопьев, Т.Л Разинкова О проблеме физики, химии и
технологии антивещества: возможности исследования свойств, поиска во
вселенной, синтеза и применений" // 5 Международная конференции
"Ядерная и радиационная физика". 26 - 29 сентября 2005: ICNP’05. Т. 1.
Ядерная физика. Алматы: Изд-во ИЯФ НЯЦ РК. 2006. С. 334-346.
20. А.Л.Суворов, Е.П.Светлов-Прокопьев, Т.Л.Разинкова, В.И.Графутин,
С.П.Тимошенков. Получение антивещества в космическом пространстве
для использования энергии солнца // Петербургский журнал электроники.
2005. № 4. С. 59-61
21.Е.П.Светлов-Прокопьев. О проблеме физики и химии антивещества:
возможности исследования свойств, поиска во вселенной, синтеза и
применений. В кн.: «Актуальные проблемы современной физики».
Материалы
Всероссийской
дистанционной
научно-практической
конференции с международным участием. Россия, г. Краснодар, 5 июня
2008 года. Краснодар: Федеральное агенство по образованию Российской
34
Федерации.
Кубанский
государственный
университет.
Физико-
технический факультет. Кафедра оптоэлектроники, 2008. С.15-30.
22.Арифов П.У., Арутюнов Н.Ю., Прокопьев Е.П. и др. Квантовые свойства
атомов и ионов и позитронная диагностика. Ташкент: ФАН, 1975. 242 с.
23.Арефьев К.П., Арифов П.У., Прокопьев Е.П. и др. Позитронсодержащие
системы и позитронная диагностика. Ташкент: ФАН, 1978. 192 с.
24.E.P.Prokop’ev. Positron annihilation and positron states in galactic medium
with low density // Abstracts of 10 th International Conference on positron
annihilation. Beijing, China, May 23-29, 1994. C24-2.
25.Е.П.Прокопьев. О роли исследования позитронных и positronium
состояний в науке и технике // В кн.: “Cимпозиум по взаимодействию
атомных частиц с поверхностью твердого тела, посвященного памяти
академика АН УзССР У.А.Арифова”. Ташкент : ФАН, 1979. С.113.
26.Прокопьев Е.П.
// Оборонный комплекс – научно-техническому
прогрессу России. 2008. №1. С.49-54.
27..Суворов А.Л., Светлов-Прокопьев Е.П., В.И.Графутин, А.Ф.Захаров,
Т.Л.Разинкова,
C.П.Тимошенков,
Ю.В.Фунтиков.
//
Украинский
физический журнал. 2007. Т.52. №9. С.843-848.
28..Е.П.Прокопьев. Возможные космические технологии будущего и
проблемы технического прогресса. Материалы Третьего Белорусского
космического конгресса. 23-25 октября 2007, г. Минск, Беларусь. Минск:
Изд-во Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси,
2007. С.383-389. .
29.Е.П. Прокопьев, В.И. Графутин, А.Ф. Захаров, Т.Л. Разинкова, С.П.
Тимошенков.
Positron
состояния
в
пылевой
космической
плазме. Материалы Третьего Белорусского космического конгресса, 23-25
октября 2007,
г. Минск, Беларусь. Минск: Изд-во Объединенного
института проблем информатики НАН Беларуси, 2007. С.43-45.
35
30.Светлов-Прокопьев Е.П. Физика, химия и технология антивещества:
возможности синтеза, применений, хранения и поиска во Вселенной.
Петербургский журнал электроники.2009. Вып.2. С.41-53.
31.С.П.Тимошенков,
Ю.А.Чаплыгин,
В.И.Графутин,
Е.П.Прокопьев,
Ю.В.Фунтиков. Positronics и нанотехнологии: определение радиусов
нанообъектов пустоты в пористом кремнии и кремнии, облученном
протонами.
Нанотехника.
2008.
№3(15).
C.
82-84.
http://www.nanotech.ru/journal/, http://www.nanotech.ru/journal/word/cont083.pdf
32.V. I. Grafutin, A. G. Zaluzhnyi, V. V. Kalugin, O. V. Ilyukhina, G. G.
Myasishcheva, E. P. Prokop’ev, S. P. Timoshenkov, Yu. V. Funtikov, N. O.
Khmelevskii. On the Feasibility of Investigation of Some Defect and Porous
Systems by Means of Positron Annihilation Spectroscopy. High Energy
Chemistry 2008. Vol. 42. № 6. Р. 478–484.
33.В.И. Графутин, Т.Н.Мамедов, И.Н.Мешков, В.Н Павлов, Е.П. Прокопьев,
С.П.Тимошенков, Ю.В.Фунтиков,
С.Л.Яковенко.
Возможности
Н.О.Хмелевский,
изучения
пористых
Ю.А.Чаплыгин,
систем
и
наноматериалов методом positron аннигиляционной спектроскопии. В кн.:
Ядерная
физика
и
нанотехнологии.
Ядерно-физические
аспекты
формирования, изучения и применения наноструктур. Под общей
редакцией А.Н.Сисакяна. Дубна: ОИЯИ, 2008. С.223-241.
34.Ю.А.Чаплыгин,
С.П.Тимошенков,
В.И.Графутин,
В.В.Калугин,
Е.П.Прокопьев, Ю.В.Фунтиков. Определение радиусов нанообъектов
пустоты в пористых системах и кремнии, облученном протонами.
Rusnanotech-08. Международный форум по нанотехнологиям. 3-5.12.
Сборник тезисов докладов научно-технологических секций. Том 2. М.:
Роснано, 2008. С. 65,66.
36
35.С.П. Тимошенков, Е.П. Прокопьев, В.В.Калугин, В.И. Графутин, О.М
Бритков; С.С.Евстафьев. Positronics и нанотехнологии: Определение
радиусов нанообъектов в пористых системах и некоторых дефектных
материалах методом ПАС. Часть I. Оборонный комплекс – научнотехническому прогрессу России. 2008. №4. С.28-36.
36.С.П. Тимошенков, Е.П. Прокопьев, В.И. Графутин, И.М Бритков;
Ю.В.Фунтиков. Positronics и нанотехнологии: Определение радиусов
нанообъектов в пористых системах и некоторых дефектных материалах
методом ПАС. Часть 2. Оборонный комплекс – научно-техническому
прогрессу России. 2008. №4. С.36-43.
37.E.P. Prokop’ev, V.I. Grafutin, S.P. Timoshenkov, Yu.V. Funtikov.
Opportunities of research of porous systems and nanomaterials by a method of
positron annihilation spectroscopy.Russian Journal of Nondestructive Testing,
2008, Vol. 44, No. 10, pp. 700–711.
38.Графутин В.И., Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Фунтиков Ю.В.
Positronics и нанотехнологии : размеры нанообъектов в пористых
системах и облученном протонами кремнии по данным метода ПАС
/Сборник материалов четвертого международного научного семинара
"Современные методы анализа дифракционных данных (топография,
дифрактометрия, электронная микроскопия)", Великий Новгород, 6-11
секнтября 2008 г. ВНГУ: В. Новгород, 2008. С.91-94.
37
E.P.Prokopev
POSSIBLE PROBLEMS OF PHYSICS, CHEMISTRY AND
TECHNOLOGY OF ANTIMATTER: SYNTHESIS AND APPLICATIONS
In the brief form features and some ways of development of high space technologies of the
future (the special attention is given to a problem of physics, chemistry and technology of
antimatter) are discussed; to a problem of positron annihilation in a matter (posinronics),
including in the structure positron processes, positron states and actually annihilation
process which represents fundamental and practically important problem. On the basis of
data the Internet the most important applications of antimatter – space technologies of the
future are considered.
Antimatter, positron, positronics, space technologies, space, the Universe,
space engines, interstellar flights.
38