Moteur de propulsion d'antimatière repensé à l'aide de la boîte à outils de simulation de physique des particules du CERN

Écrasez un morceau de matière en antimatière et cela libérera mille fois plus d'énergie que la même masse de combustible dans un réacteur à fission nucléaire et environ 2 milliards de fois plus que la combustion de l'équivalent en hydrocarbures.

Il n'est donc pas étonnant que l'antimatière soit le carburant des rêves des fans de science-fiction.

Le problème, bien sûr, est que l'antimatière est plutôt rare, ce qui rend la perspective de construire un jour une fusée basée sur cette technologie quelque peu éloignée.

Mais de temps en temps, les physiciens mettent de côté ces préoccupations et s'amusent un peu à déterminer à quel point les moteurs de fusée à antimatière peuvent être bons. Aujourd'hui, c'est au tour de Ronan Keane de la Western Reserve Academy et de Wei-Ming Zhang de la Kent State University, tous deux dans l'Ohio, d'aborder le problème d'une nouvelle manière avec des résultats intéressants.

Tout d'abord, un peu de science des fusées de base. La vitesse maximale d'une fusée dépend de sa vitesse d'échappement, de la fraction de masse consacrée au carburant et de la configuration des étages de la fusée. Ces deux derniers facteurs dépendent fortement des détails fins de l'ingénierie et de la construction, et lorsque l'on envisage la propulsion spatiale pour un avenir lointain, il semble approprié de reporter l'étude de ces détails, disent Keane et Zhang.

Ces gars-là se concentrent donc sur la vitesse d'échappement – ​​la vitesse des particules produites lors des annihilations matière-antimatière lorsqu'elles quittent le moteur de fusée.

La poussée de ces annihilations provient en grande partie de l'utilisation d'un champ magnétique pour dévier les particules chargées créées lors de l'annihilation. Ces gars se concentrent sur l'annihilation des protons et des antiprotons pour produire des pions chargés.

Un facteur important est donc l'efficacité avec laquelle le champ magnétique peut canaliser ces particules hors de la buse.

En fait, la vitesse d'échappement de ces pions dépend de deux facteurs : leur vitesse initiale moyenne lorsqu'ils sont créés et l'efficacité de la conception de la buse magnétique.

Dans le passé, divers physiciens ont calculé que les pions devraient se déplacer à plus de 90 % de la vitesse de la lumière, mais que la buse ne serait efficace qu'à 36 %. Cela se traduit par une vitesse d'échappement moyenne de seulement un tiers de la vitesse de la lumière, à peine relativiste et quelque peu décevante pour les fans de propulsion d'antimatière.

Tout cela est en train de changer maintenant, cependant. Keane et Zhang ont mis au point un ensemble de figures différent à l'aide d'un logiciel développé par le CERN qui simule l'interaction entre les particules, la matière et les champs de toutes sortes.

Le CERN utilise ce logiciel, appelé GEANT4 (abréviation de Geometry and Tracking 4), pour mieux comprendre le comportement des particules au Large Hadron Collider, qui lui-même entre en collision des faisceaux de protons et d'antiprotons. Il est donc parfaitement adapté à la tâche de Keane et Zhang.

Le nouveau travail produit de bonnes et de mauvaises nouvelles. D'abord le mauvais. Les nouvelles simulations indiquent que les pions produits de cette manière seront nettement plus lents qu'on ne le pensait auparavant, se déplaçant à seulement 80 % de la vitesse de la lumière.

La bonne nouvelle est que les simulations GEANT4 indiquent qu'une buse magnétique peut être beaucoup plus efficace qu'on ne l'imaginait auparavant, atteignant 85 % d'efficacité. Cela se traduit par une vitesse d'échappement moyenne d'environ 70 pour cent de la vitesse de la lumière. C'est beaucoup plus prometteur. Les vraies vitesses relativistes redeviennent une possibilité, disent Keane et Zhang.

Ces gars ont une autre surprise dans leur manche. Leur buse a une force de champ magnétique d'environ 12 Tesla. Un tel champ pourrait être produit avec la technologie d'aujourd'hui, alors que les conceptions de buses antérieures anticipaient et nécessitaient des avancées majeures dans ce domaine, disent-ils.

Cela fera sourire de nombreux fans de science-fiction.

Il y a, bien sûr, le petit problème de rassembler suffisamment d'antimatière pour un voyage d'une durée décente. Le nombre d'antiatomes fabriqués au CERN est suffisamment petit pour être dénombrable. Selon une estimation, à ce rythme, il faudra mille ans pour fabriquer un seul microgramme d'antimatière.

Keane et Zhang soulignent que toutes les estimations antérieures sont antérieures à la découverte par le vaisseau spatial PAMELA l'année dernière que la Terre est entourée d'un anneau d'antiprotons et suggèrent que cela pourrait être exploité pour le carburant. Ce qu'ils ne mentionnent pas, cependant, c'est que PAMELA n'a repéré que 28 antiprotons en deux ans, bien moins que le rythme auquel le CERN les fabrique quotidiennement.

Keane et Zhang terminent en notant que d'autres technologies de carburant ont progressé à un rythme exponentiel, la production d'hydrogène liquide par exemple. Si la fabrication de l'antimatière devait suivre une trajectoire similaire, qui sait ce qui pourrait arriver.

Intéressant, divertissant et extrêmement ambitieux, tout est amusant.

Réf : arxiv.org/abs/1205.2281 : Propulsion d'antimatière à noyau rayonné : conception et optimisation du moteur

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