antimateria: utilizada para generar energÍa en vehÍculos espaciales alberto iglesias darriba993444
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ANTIMATERIA: UTILIZADA PARA ANTIMATERIA: UTILIZADA PARA GENERAR ENERGÍA EN VEHÍCULOS GENERAR ENERGÍA EN VEHÍCULOS
ESPACIALESESPACIALES
Alberto Iglesias DarribaAlberto Iglesias Darriba 993444993444
Modelo StandardModelo Standard
Teoría que intenta Teoría que intenta describir toda la describir toda la materia y todas las materia y todas las fuerzas existentes en fuerzas existentes en el universo (excepto el universo (excepto la gravedad).la gravedad).
Capaz de justificar las Capaz de justificar las interacciones interacciones complejas de cientos complejas de cientos de partículas.de partículas.
Ideas básicasIdeas básicas
Partículas portadoras de fuerza:Partículas portadoras de fuerza: Cada Cada tipo de fuerza fundamental es tipo de fuerza fundamental es “transportada” por una partícula portadora “transportada” por una partícula portadora de fuerza (ejemplo: fotón).de fuerza (ejemplo: fotón).
Partículas materiales:Partículas materiales: La mayoría de las La mayoría de las partículas conocidas están compuestas partículas conocidas están compuestas por partículas más fundamentales por partículas más fundamentales llamadas llamadas quarksquarks. .
ResumenResumen
Hay dos clases de Hay dos clases de partículas: las partículas partículas: las partículas que son materia que son materia (electrones, protones, (electrones, protones, quarks) y las que quarks) y las que transportan fuerzas transportan fuerzas (como los fotones).(como los fotones).
Descripción del modelo StandardDescripción del modelo Standard
Clasifica todas las Clasifica todas las partículas en:partículas en:
- 6 tipos de leptones6 tipos de leptones- 6 tipos de quarks6 tipos de quarks- Partículas portadoras Partículas portadoras
de fuerza.de fuerza.
LeptonesLeptones
Hay seis leptones; tres de ellos tienen Hay seis leptones; tres de ellos tienen carga eléctrica y los otros tres no. El más carga eléctrica y los otros tres no. El más conocido de los leptones cargados es el conocido de los leptones cargados es el electrón (e). Los otros dos leptones electrón (e). Los otros dos leptones cargados son el muón (µ) y la partícula cargados son el muón (µ) y la partícula tau (tau (ττ), que son esencialmente electrones, ), que son esencialmente electrones, pero de masa mucho mayor. Los leptones pero de masa mucho mayor. Los leptones cargados son todos negativos. cargados son todos negativos.
LeptonesLeptones
Los otros tres leptones son los Los otros tres leptones son los
neutrinosneutrinos. No tienen carga eléctrica . No tienen carga eléctrica
y su masa es muy pequeña. Existey su masa es muy pequeña. Existe
un tipo de neutrino para cada tipo un tipo de neutrino para cada tipo
de leptón cargado eléctricamente. de leptón cargado eléctricamente.
Para cada uno de los seis leptones hay un Para cada uno de los seis leptones hay un leptón de leptón de antimateriaantimateria ( (antileptónantileptón), de ), de igual masa pero de carga opuesta. igual masa pero de carga opuesta.
QuarksQuarks
Hay seis quarks, pero los Hay seis quarks, pero los físicos hablan usualmente físicos hablan usualmente de tres pares de quarks: de tres pares de quarks:
Up/Down, Charm/Strange, y Up/Down, Charm/Strange, y Top/Bottom. Para cada uno Top/Bottom. Para cada uno de estos quarks hay un de estos quarks hay un correspondiente quark de correspondiente quark de antimateriaantimateria o antiquark. o antiquark.
QuarksQuarks
Los quarks tienen la Los quarks tienen la inusual característica de inusual característica de tener carga eléctrica tener carga eléctrica fraccionaria, de valor 2/3 ó fraccionaria, de valor 2/3 ó -1/3, a diferencia de la -1/3, a diferencia de la carga -1 del electrón, o de carga -1 del electrón, o de la carga +1 del protón. Los la carga +1 del protón. Los quarks también transportan quarks también transportan otro tipo de carga llamada otro tipo de carga llamada carga carga de colorde color..
QuarksQuarks
Forman partículas compuestas llamadas Forman partículas compuestas llamadas hadroneshadrones. La suma de las cargas eléctricas de los . La suma de las cargas eléctricas de los quarks, que constituyen un hadrón, es siempre un quarks, que constituyen un hadrón, es siempre un número entero.número entero.
En tanto que los quarks individuales llevan carga En tanto que los quarks individuales llevan carga de color, los hadrones son de color neutro. de color, los hadrones son de color neutro.
Gran colisionador de hadronesGran colisionador de hadrones
QuarksQuarks
Hay dos clases de hadrones: Hay dos clases de hadrones: Bariones: Bariones:
Los bariones son los hadrones constituidos por tres Los bariones son los hadrones constituidos por tres quarks (qqq). Por ejemplo, los protones son 2 quarks quarks (qqq). Por ejemplo, los protones son 2 quarks up y 1 quark down (uud) y los neutrones son 1 up y 2 up y 1 quark down (uud) y los neutrones son 1 up y 2 down (udd). down (udd).
Mesones: Mesones: Los mesones contienen un quark y un antiquark.Los mesones contienen un quark y un antiquark.
Carga de colorCarga de color
Los quarks y los gluones son partículas Los quarks y los gluones son partículas con carga de color. Del mismo modo que con carga de color. Del mismo modo que las partículas eléctricamente cargadas las partículas eléctricamente cargadas interactúan intercambiando fotones, las interactúan intercambiando fotones, las partículas con carga de color intercambian partículas con carga de color intercambian gluones en las gluones en las interacciones fuertes.interacciones fuertes. Al Al hacerlo, estas partículas con carga de hacerlo, estas partículas con carga de color quedan a menudo "pegadas" entre color quedan a menudo "pegadas" entre sí. sí.
BarionesBariones
Carga de colorCarga de color Dos o más quarks cercanos entre sí, intercambian Dos o más quarks cercanos entre sí, intercambian
gluones creando un "campo de fuerza de color" gluones creando un "campo de fuerza de color" muy fuerte que liga entre sí los quarks. muy fuerte que liga entre sí los quarks.
Carga de colorCarga de color
Existen tres cargas de color, y las Existen tres cargas de color, y las correspondientes tres cargas de anticolor correspondientes tres cargas de anticolor (color complementario).(color complementario).
Los quarks cambian constantemente su Los quarks cambian constantemente su carga de color mientras intercambian carga de color mientras intercambian gluones con otros quarks. gluones con otros quarks.
Carga de colorCarga de color
Cada quark tiene una de las tres Cada quark tiene una de las tres cargas de color; y cada antiquark cargas de color; y cada antiquark tiene una de las tres cargas de tiene una de las tres cargas de color complementarias. color complementarias.
Los gluones transportan pares Los gluones transportan pares color/anticolor.color/anticolor.
Carga de colorCarga de color
Si bien hay 9 combinaciones posibles de Si bien hay 9 combinaciones posibles de pares color/anticolor, debido a pares color/anticolor, debido a consideraciones de simetría es eliminada consideraciones de simetría es eliminada una de estas combinaciones.una de estas combinaciones.
Un gluón puede transportar efectivamente Un gluón puede transportar efectivamente una de las ocho posibles combinaciones una de las ocho posibles combinaciones color/anticolor. color/anticolor.
¡Ojo!¡Ojo!
Las cargas de color no tienen nada que ver con Las cargas de color no tienen nada que ver con los colores de la luz visible.los colores de la luz visible.
Son llamadas cargas de color por pura Son llamadas cargas de color por pura convención.convención.
AntimateriaAntimateria
Estas partículas son idénticas a sus Estas partículas son idénticas a sus correspondientes partículas excepto que correspondientes partículas excepto que tienen carga eléctrica (y propiedades tienen carga eléctrica (y propiedades magnéticas) de signo opuesto.magnéticas) de signo opuesto.
Cuando una partícula de materia se Cuando una partícula de materia se encuentra con su correspondiente partícula encuentra con su correspondiente partícula de antimateria, éstas se aniquilan y su masa de antimateria, éstas se aniquilan y su masa en reposo se convierte en energía en forma en reposo se convierte en energía en forma de fotones. de fotones.
AntimateriaAntimateria
Colisión de protón Colisión de protón y antiprotón = y antiprotón = EnergíaEnergía
La antimateria: ¿caso práctico?La antimateria: ¿caso práctico?
Se está investigando para que en un Se está investigando para que en un futuro se utilice en:futuro se utilice en:
- Tratamientos contra el cáncer.- Tratamientos contra el cáncer.
- Transmutación nuclear.- Transmutación nuclear.
- Propulsión espacial.- Propulsión espacial.
¿Qué es la antimateria?¿Qué es la antimateria?
En 1929 el físico inglés Paul Dirac fue capaz de En 1929 el físico inglés Paul Dirac fue capaz de combinar las teorías de la combinar las teorías de la mecánica cuánticamecánica cuántica, del , del electromagnetismo electromagnetismo y de la y de la relatividadrelatividad para dar para dar forma a una nueva teoría que aclaraba muchas forma a una nueva teoría que aclaraba muchas observaciones experimentales hasta entonces observaciones experimentales hasta entonces sin explicación adecuada. sin explicación adecuada.
La antimateria: ¿caso práctico?La antimateria: ¿caso práctico?
Seguramente este concepto nació para nosotros Seguramente este concepto nació para nosotros como algo misterioso y un tanto fantasioso.como algo misterioso y un tanto fantasioso.
Ahora lo conocemos algo más.Ahora lo conocemos algo más.
En la actualidad las partículas de antimateria se En la actualidad las partículas de antimateria se fabrican y almacenan en diversos laboratorios fabrican y almacenan en diversos laboratorios especializados.especializados.
Se guardan durante meses en Se guardan durante meses en botellas especialesbotellas especiales hechas de combinaciones de campos eléctricos y hechas de combinaciones de campos eléctricos y magnéticos.magnéticos.
Antimateria: aceleradoresAntimateria: aceleradores
¿Qué es la antimateria?¿Qué es la antimateria?
Su teoría predecía que para cada partícula Su teoría predecía que para cada partícula debería existir otra partícula espejo, con la debería existir otra partícula espejo, con la misma masa, pero con misma masa, pero con cargascargas y y spinesspines opuestos. opuestos.
Si hay un Si hay un electrónelectrón, debe existir un , debe existir un antielectrón (hoy conocido como antielectrón (hoy conocido como positrónpositrón) ) al igual que la contrapartida de un protón es al igual que la contrapartida de un protón es un antiprotón. un antiprotón.
¿Qué es la antimateria?¿Qué es la antimateria?
Así, si un átomo de hidrógeno está Así, si un átomo de hidrógeno está constituido por un constituido por un protón protón y un y un electrónelectrón, , el el antihidrógenoantihidrógeno estará compuesto por estará compuesto por un un positrónpositrón orbitando a un orbitando a un antiprotónantiprotón..
¿Qué es la antimateria?¿Qué es la antimateria?
Otro punto: si una Otro punto: si una partículapartícula y una y una antipartículaantipartícula se ponen en contacto, se ponen en contacto, mutuamente se aniquilan, las cargas mutuamente se aniquilan, las cargas eléctricas desaparecen y sus masas se eléctricas desaparecen y sus masas se convierten completamente en energía. convierten completamente en energía.
¿Y entonces?¿Y entonces?
La imaginación de los La imaginación de los científicos y de los escritores científicos y de los escritores se disparó imaginando se disparó imaginando antiátomosantiátomos, , antiseresantiseres, , antiplanetasantiplanetas, , antiestrellasantiestrellas y y antigalaxiasantigalaxias. .
El propio Dirac, al recibir el El propio Dirac, al recibir el Premio Nobel de Física en Premio Nobel de Física en 1932, especuló en su 1932, especuló en su discurso con las discurso con las posibilidades de los mundos posibilidades de los mundos de antimateria. de antimateria.
Masa y energíaMasa y energía De acuerdo con la ecuación de Einstein De acuerdo con la ecuación de Einstein E = m cE = m c²², la , la
creación de las partículas de materia/antimateria se creación de las partículas de materia/antimateria se realiza por parejas, a partir de la energía. realiza por parejas, a partir de la energía.
El concepto energético de electrón-voltio, El concepto energético de electrón-voltio, evev, es la , es la energía que adquiere un electrón cuando se acelera a energía que adquiere un electrón cuando se acelera a través de una diferencia de potencial de un volt. través de una diferencia de potencial de un volt.
Un Un evev es del mismo orden que la energía típica que se es del mismo orden que la energía típica que se libera en las reacciones químicas que ocurren entre libera en las reacciones químicas que ocurren entre átomos individuales y moléculas. átomos individuales y moléculas.
¿Qué significan estos números?¿Qué significan estos números?
Como comparación, un Como comparación, un tubo de TVtubo de TV operando operando a 20.000 V crea un haz de electrones con una a 20.000 V crea un haz de electrones con una energía de energía de 20 kev20 kev..
¿Qué significan estos números?¿Qué significan estos números?
Las tremendas energías de los Las tremendas energías de los reactores reactores nuclearesnucleares consiguen crear partículas en el consiguen crear partículas en el rango de rango de MevMev. .
Las energías para la Las energías para la creacióncreación o o destruccióndestrucción de las parejas de partículas materia/antimateria de las parejas de partículas materia/antimateria son muy altas, suponen son muy altas, suponen 1 Gev1 Gev en el caso de en el caso de electrón/positrónelectrón/positrón y y 2 Gev2 Gev en el de en el de protón/antiprotónprotón/antiprotón. .
¿Cómo se descubrió la primera ¿Cómo se descubrió la primera antimateria?antimateria?
Se descubrió que los rayos cósmicos procedentes Se descubrió que los rayos cósmicos procedentes del firmamento si poseen partículas con ese rango del firmamento si poseen partículas con ese rango de energías tan altos. de energías tan altos.
En los años 30, usando un detector de rayos En los años 30, usando un detector de rayos cósmicos, el físico Carl Anderson del Instituto de cósmicos, el físico Carl Anderson del Instituto de Tecnología de California, Premio Nobel de Física Tecnología de California, Premio Nobel de Física de 1936, pudo caracterizar la presencia del primer de 1936, pudo caracterizar la presencia del primer positrón o antielectrón. positrón o antielectrón.
¿Cómo se descubrió?¿Cómo se descubrió?
A mediados de los años 50, como consecuencia A mediados de los años 50, como consecuencia del proyecto Manhattan, se desarrollaron del proyecto Manhattan, se desarrollaron aceleradores de partículas, aceleradores de partículas, sincrotrones.sincrotrones.
¿Cómo se obtuvo?¿Cómo se obtuvo?
En los laboratorios del CERN, en Ginebra, se En los laboratorios del CERN, en Ginebra, se obtuvieron ya en 1978 buenas cantidades de obtuvieron ya en 1978 buenas cantidades de núcleos núcleos antideuteronesantideuterones, , antitritiosantitritios y y antiheliosantihelios, , cuya aniquilación tenía lugar casi inmediatamente cuya aniquilación tenía lugar casi inmediatamente tras su detección. tras su detección.
Otra imagen del CERNOtra imagen del CERN
Obtención de la antimateriaObtención de la antimateria
A finales de los 80 ya se habían desarrollado A finales de los 80 ya se habían desarrollado procedimientos capaces de procedimientos capaces de producirproducir y y capturarcapturar numerosos antiprotones.numerosos antiprotones.
Entonces: ¿cuál era el problema?Entonces: ¿cuál era el problema?
Era un proceso todavía Era un proceso todavía muy caromuy caro y y poco poco eficiente.eficiente.
De que de cada 100 antiprotones fabricados De que de cada 100 antiprotones fabricados sólo se capturaba uno, aniquilándose los 99 sólo se capturaba uno, aniquilándose los 99 restantes.restantes.
Otro problema: almacenamientoOtro problema: almacenamiento
Una vez capturados, el problema es Una vez capturados, el problema es almacenarlos.almacenarlos.
Se hace mediante combinaciones de campos Se hace mediante combinaciones de campos eléctricos y magnéticos.eléctricos y magnéticos.
AlmacenamientoAlmacenamiento
Hay dispositivos de poco Hay dispositivos de poco tamaño relativo, donde se tamaño relativo, donde se consigue guardar durante consigue guardar durante meses cantidades del orden de meses cantidades del orden de billones de antiprotones, con la billones de antiprotones, con la única necesidad de única necesidad de mantenimiento proporcionada mantenimiento proporcionada por una sencilla batería de 9 V.por una sencilla batería de 9 V.
Propulsión de naves: antimateriaPropulsión de naves: antimateria
El viaje a sitios lejanos dentro del espacio requerirá unos sistemas de propulsión de alta energía.
La solución estará en la creación de altos paquetes de energía materia-antimateria.
De nuevo las cifrasDe nuevo las cifras
La energía resultante del choque protón-La energía resultante del choque protón-antiprotón es por lo menos 100 veces la antiprotón es por lo menos 100 veces la energía producida en una fisión o una energía producida en una fisión o una fusión.fusión.
1 g de 1 g de antihidrógenoantihidrógeno al reaccionar con 1 al reaccionar con 1 g de hidrógeno produciría el equivalante g de hidrógeno produciría el equivalante en energía a 23 tanques de hidrógeno de en energía a 23 tanques de hidrógeno de un STS (transbordador espacial).un STS (transbordador espacial).
NecesidadesNecesidades
Para efectuar exploraciones interestelares se requiere una velocidad de crucero aproximada de 0.5 c.
De esta manera podríamos viajar a la estrella más cercana, Alfa Centauro en menos de 10 años.
¿Cómo alcanzar estas ¿Cómo alcanzar estas velocidades?velocidades?
Hay varias propuestas, una de ellas: Hay varias propuestas, una de ellas: materia-materia-antimateriaantimateria..
RequerimientosRequerimientos
17g de antihidrógeno.17g de antihidrógeno.
1. Hoja revestida con uranio.
2. Unidad de almacenamiento de cristales de H2 barra.
3. Fuente de alimentación alimentada por antiprotones.
4. Instrumentos con masa de 10kg.
¿Cómo funciona?¿Cómo funciona?
La antimateria incidente en la superficie de una hoja de uranio tiene un 98% de probabilidades de inducir un evento de fisión.
Esto proporcionaría una energía de 190 MeV (la fisión, producto de la antimateria).
¿Dónde se almacena esta antimateria?¿Dónde se almacena esta antimateria?
El El antihidrógenoantihidrógeno es almacenado a 12 m. es almacenado a 12 m.Es guardado en una matriz de pequeños Es guardado en una matriz de pequeños
chips.chips.Estos chips están formados por grupos de Estos chips están formados por grupos de
celdas.celdas.Cada chip almacena 1.6*10 Cada chip almacena 1.6*10 ^19 átomos de ^19 átomos de
antihidrógeno.antihidrógeno.Si tenemos 2000 chips => 1.8Si tenemos 2000 chips => 1.8*10 *10 ^22 ^22
átomos => 9 kg de masa total.átomos => 9 kg de masa total.
¿Cómo genero la energía a bordo?¿Cómo genero la energía a bordo?
Con Con antiprotonesantiprotones..Se asume que se requerirán 400W (como Se asume que se requerirán 400W (como
nave Voyager).nave Voyager).Se necesitarán 2*10 Se necesitarán 2*10 ^14 antiprotones por ^14 antiprotones por
segundo para conseguir esta potencia.segundo para conseguir esta potencia.La eficiencia de este diseño es de un La eficiencia de este diseño es de un
4.4%.4.4%.
Producción de antiprotonesProducción de antiprotones
El El Fermi National Accelerator Laboratory Fermi National Accelerator Laboratory es es capaz de producir 10 capaz de producir 10 ^11 antiprotones por ^11 antiprotones por hora.hora.
Si cada antiprotón generado en un año se Si cada antiprotón generado en un año se conviritiera en conviritiera en antihidrógenoantihidrógeno y se y se almacenara, se juntarían 4.5almacenara, se juntarían 4.5*10 *10 ^14 átomos ^14 átomos de antihidrógeno.de antihidrógeno.
Así, se generarían 400 W en dos segundos.Así, se generarían 400 W en dos segundos.
Fermi LabFermi Lab
LimitacionesLimitaciones
Actualmente, sólo somos capaces de Actualmente, sólo somos capaces de producir antiprotones durante tasas de producir antiprotones durante tasas de milisegundos.milisegundos.
Se necesita incrementar en mucho estas Se necesita incrementar en mucho estas tasas de producción de antiprotonestasas de producción de antiprotones..
¿Y entonces?¿Y entonces?
Hay dos formas de incrementar esta tasa:Hay dos formas de incrementar esta tasa:1.Poner más protones en la máquina de 1.Poner más protones en la máquina de
producción de antiprotones.producción de antiprotones.Problemas: Problemas: Sobrecalentamiento y alto precio Sobrecalentamiento y alto precio de los aceleradores.de los aceleradores.
2.Incrementar la eficiencia en la producción 2.Incrementar la eficiencia en la producción de antiprotones.de antiprotones.
Actualmente, Actualmente, ηη = 1.5 antiprotones por c/ = 1.5 antiprotones por c/ millón de protones.millón de protones.
Aumento de eficienciaAumento de eficiencia
Se planean cambios en los aceleradores que Se planean cambios en los aceleradores que permitan aumentar en 10 000 veces las actuales permitan aumentar en 10 000 veces las actuales tasas.tasas.
BibliografíaBibliografíaGerald P. Jackson, Steve D. Howe, Gerald P. Jackson, Steve D. Howe,
“Antimatter Driven Sail for Deep Space “Antimatter Driven Sail for Deep Space Missions”, Proceedings of 2003 Particle Missions”, Proceedings of 2003 Particle Accelerator Conference, pp 705-707, 2003.Accelerator Conference, pp 705-707, 2003.
““Antimatter Propulsion”, Advanced Space Antimatter Propulsion”, Advanced Space Transportation. Transportation. antimatterpropulsiontechsummary.pdfantimatterpropulsiontechsummary.pdf
Richard A. Wallace, “Precursos Missions to Richard A. Wallace, “Precursos Missions to Interstellar Exploration”, JPL Caltech, pp Interstellar Exploration”, JPL Caltech, pp 413-415, 1999.413-415, 1999.
BibliografíaBibliografía
Particle Adventure, Particle Adventure, http://particleadventure.org/startstandards.http://particleadventure.org/startstandards.htmlhtml
Space Transportation, Marshall Space Flight Center, http://astp.msfc.nasa.gov/review.htmlhttp://astp.msfc.nasa.gov/review.html
Física moderna, noviembre 2004Física moderna, noviembre 2004
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