Предел удельной мощности, следовательно максимального ускорения и
минимальной целесообразной дальности полёта аннигиляционного фотонного космолёта.
Одной из проблем аннигиляционного фотонного реактивного является спектр излучения при аннигиляции протонов и нейтронов, которые составляют основную массу устойчивых электрически нейтральных веществ. Этот спектр на треть состоит из гамма фотонов десятки МэВ от распада нейтральных пионов, на половину из жёсткого рентгена от взаимодействия заряженных частиц между собой и внешним магнитного поля, на шестую из неуловимых нейтрино. Внешнее магнитное поле нужно для превращения энергии движения заряженных пионов и мюонов прежде, чем они распадутся с образованием нейтрино, безвозвратно уносящих энергию.
Отражать рентген и гамму нечем, более того гамма будет разрушать ядра, остаётся поглощение с последующим нагревом и излучением теплового излучения, которое уже можно отражать. Соответственно фотонный двигатель представляет из себя большое зеркало для отражения видимого и ИК спектра с его источником внутри – лампой накаливания, питаемой рентгеном и гамма от аннигиляции.
(предполагаю, формы должны быть параболическими)
Температур лампы ограничена испаряемостью в вакууме материала лампы и составляет
~4000 К для карбида тантала гафния (Ta
4HfC
5), то есть мощность
15 МВт/м2 наружу на зеркало и столько внутрь назад и столько же из области аннигиляции назад. Толщина лампы должна поглотить гамму 10...200 МэВ, чтобы она не попадала на ИК зеркало, так как это не только его разрушит, но и создаст в нём неотражающий ИК нагар за счёт превращения ядер серебра в другие элементы. Максимальное поглощение у самых тяжёлых атомов (долгоживущие Z=90,92,94), значит внутри тонкой тугоплавкой оболочки должна быть прослойка жидкого тория.
[http://physics.nist.gov/cgi-bin/Xcom/xcom2]
Общая толщина для почти полного поглощения гаммы должна составлять
20 г/см2. Значит минимальная масса лампы
> (20 г/см2) / (3•15 МВт/м2) = 4,44 кг/МВт.
Минимальная толщина серебряного зеркала для отражения видимого и ИК составляет
hз(Tз) = 20…40 нм в зависимости от температуры
Tз, так как при нагреве увеличивается сопротивление и глубина проникновения переменного электромагнитного поля в металлы.
[Investigations of optical and surface properties of Ag single thin film coating as semitransparent heat reflective mirror. 2016]
Температура серебряного зеркала ограничена отражательностью и составляет
~400 К, то есть мощность
~3 кВт/м2 в сумме в 2 стороны. Значит при максимальном коэффициенте поглощения 10% его можно облучать
~30 кВт/м2. Значит минимальная масса зеркала
> (30 нм • 10500 кг/м3) / (30 кВт/м2) = 0,01 кг/МВт, то есть пренебрежимо мала на фоне массы лампы накаливания. Это же зеркало может быть использовано для предварительного разгона у звезды до нескольких сот км/с.
Предполагая массу лампы равной 2/3 от средней за полёт массы космолёта (при небольших расходах топлива), получается максимальное ускорение около
aфот = 2/3 / (300000 км/с • 4,44 кг/МВт) = 0,0005 м/с2 = 0,00005 ск.св./год.
Если предыдущая ступень ТЯ топлива обеспечивает конечную скорость
VТЯ и достаточно большую мощность для быстрого (по сравнению с фотонным) разгона, то минимальное
целесообразное расстояние (при условии быстрого торможения магнитным полем об звёздный ветер) для фотонного космолёта будет
(2S / aфот)1/2 ≈ tфот < tТЯ ≈ S / VТЯ
S > 2 V2ТЯ / aфот ≈ 10...100 св.лет Например 400 лет до ближайшей звезды, что дольше возможных 100 лет при быстром разгоне до
0,05 c термоядерным слиянием.
Или есть другой способ получить направленный свет из аннигиляции с постоянной мощностью годами больше
200 кВт/кг?На рисунке процесс аннигиляции антипротона изображён не верно. Точнее этот канал (за счёт электромагнитного взаимодействия) столь маловероятен, что им можно полностью пренебречь.
Возможна прямая аннигиляция в фотоны без трёх промежуточных нейтральных пионов, то есть протон может вступать в реакцию в виде неделимой частицы?