반물질 로켓 추진 | |
 이미지 제공: Steve Bowers | |
| Robert Frisbee, 중기 연방 시대(Middle Federation Age)의 반물질 우주선. 추진 시스템은 반물질 반응에서 방출되는 위험한 감마선 때문에 승무원 구역으로부터 가능한 한 멀리 위치해 있다; 이 시기의 차폐는 비교적 비효율적이었다. | |
반물질은 모도소폰트들이 이용할 수 있는 가장 에너지 밀도가 높은 연료이며, 반물질 연료 추진기는 초월지성(Transapient)의 도움 없이 설계하고 제작할 수 있는 가장 강력한 종류의 반응 엔진을 포함한다.
반물질 생산은 매우 에너지 집약적인 과정이며, 행성 자기권에서 자연 발생 반양성자(우주선 상호작용으로 생성됨)를 수확할 수는 있지만, 대형 행성계에서도 이용 가능한 양은 연간 수 밀리그램을 거의 초과하지 않는다. 중급에서 고급 기술 사회는 이러한 소량의 반물질을 핵분열 및 핵융합 반응을 촉발하는 데 사용할 수 있지만, 그러한 경우 실제 물질 소멸은 촉발된 핵반응에서 방출되는 에너지에 비해 무시할 만하다. 이러한 추진 유형은 여기서 고려하지 않으며, 핵 펄스 추진 문서에서 더 자세히 설명되어 있다.
 이미지 제공: Steve Bowers | |
| 날개 모양의 큰 방열판과 대규모 페닝 트랩 열을 갖춘 Dragonfly 우주선은 반물질을 동력원으로 사용하는 어려움을 보여준다. | |
반응
반핵자(가장 일반적으로 반양성자)가 핵자(양성자 또는 중성자일 수 있음)와 충돌하면, 반핵자의 원자가 반쿼크 중 하나가 핵자의 원자가 쿼크를 소멸시킬 수 있다. 나머지 쿼크와 반쿼크는 다수의 단수명 입자를 형성한다.주요 반응 생성물은 파이온이다. 중성 파이온은 거의 즉시 수십 아토초 이내에 한 쌍의 고에너지 감마선으로 붕괴된다. 하전 파이온은 조금 더 오래 존재하며, 반감기는 수십 나노초다. 수소 같은 작업 유체를 가열하거나 자기장으로 휘어 추력을 내는 데 사용할 수 있다. 하전 파이온은 하전 뮤온과 중성미자로 붕괴된다. 하전 뮤온도 작업 유체를 가열하거나 자기장으로 휘어 추력을 내는 데 쓸 수 있다. 마지막으로, 뮤온 자체는 마이크로초의 반감기로 중성미자와 전자 또는 양전자로 붕괴된다.
반핵자가 많은 핵자를 가진 무거운 핵과 충돌하면, 방출된 에너지가 해당 핵의 핵분열을 유발할 수 있다. 이것이 반물질 개시 핵반응이 활용하는 메커니즘이다.
개발
로켓용 반물질의 잠재력은 유인 우주 비행이 현실이 되기 전에 이미 인식되었다. 쓸 만한 양의 반물질을 얻고 저장하기가 어려웠기 때문에 반물질을 사용하는 최초의 우주선은 그로부터 한 세기가 넘어서야 비행했다. 그때조차도 반물질 합성이 소멸에서 모든 추력을 얻는 "진정한" 반물질 추진기가 실용화될 수 있는 수준으로 성숙하는 데 추가로 2세기가 걸렸다.반물질 로켓의 주요 유형은 다섯 가지가 있다. 처음 발명된 세 가지인 고체, 기체 및 플라즈마 코어는 핵분열 열 로켓(Thermal Rocket)과 매우 유사하지만, 작동이 다소 단순하고 자원과 폐기물이 덜 위험하다. 빔 코어 로켓은 원래 순수 광자 로켓으로 여겨졌기 때문에 그렇게 불리며, 연료의 100%를 소멸시키고 결과로 생성된 아원자 입자를 "반응 질량"으로 사용한다. 마지막 유형인 광자 로켓은 에너지의 대부분을 감마선 형태로 방출한다.
고체 코어
고체 코어 로켓은 일반적으로 텅스텐이나 기타 매우 내화성이 높은 재료로 제작된 금속 벌집 반응 챔버로 구성된다. 소량의 반물질이 챔버에 주입되고, 대부분의 반응 생성물(중성미자 제외)은 단순히 반응 챔버를 가열한다. 일반적으로 수소인 반응 질량이 반응 챔버로 펌핑되어 기존 로켓 노즐을 통해 배출된다.반응 질량 온도는 반응 챔버의 녹는점에 의해 강하게 제한되는데, 텅스텐의 경우 3695K이지만, 승화 속도를 줄이기 위해 온도는 보통 3000K 이하로 유지된다. 이는 배기 속도와 따라서 비추력을 약 1000초를 초과하지 않도록 제한한다. 이는 고체 코어 핵 로켓과 비슷하지만, 배기가스의 방사능 수준이 훨씬 낮다. 지구형 중력장에서 50톤 우주선을 들어올릴 수 있을 만큼 강력한 엔진은 궤도에 도달하기 위해 약 2밀리그램의 반물질을 사용하며, 잠재적으로 단일 단계로 그렇게 할 수 있다.
소멸이 방출한 에너지의 최대 80%가 추력을 제공하는 데 사용될 수 있어, 이것은 가장 효율적인 종류의 반물질 로켓 중 하나가 된다. 궤도-표면 왕복 여행에 필요한 반물질의 양이 매우 적어 잠재적 사고가 더 에너지 집약적인 설계보다 훨씬 덜 심각하다. 높은 추력, 간단한 작동 및 적당한 반물질 요구 사항의 조합은 무반동 추진(Reactionless drive)기에 대한 접근이 제한된 높은 토포소픽 수준에서도 이것을 인기 있는 셔틀 및 택시 엔진으로 만든다.
기체 코어
이 설계는 가열 요소를 완전히 제거하고, 단순히 반물질을 반응 질량 스트림에 직접 주입하며, 자기장을 사용하여 하전 반응 생성물을 가두고 반응 질량을 가열한다. 이는 상당히 높은 온도와 따라서 배기 속도를 허용하여, 비추력을 2000-7000초로 증가시키며, 이론적 한계는 10000초이다. 반물질 사용량은 고체 코어 엔진보다 많고, 소멸 에너지 중 추력에 기여하는 비율도 60% 이하라 효율이 낮다. 로켓은 또한 사용 중 위험한 수준의 감마선을 방출하여, 대기권이나 다른 우주선이나 서식지 근처에서 사용하기에 잠재적으로 위험하다.이 설계는 훌륭한 중량 행성 리프트 시스템을 만들지만, 작동에 필요한 반물질의 양 때문에 일반적으로 핵융합 동력 빔 구동 열 로켓을 대신 사용하는 것이 더 간단하다. 대규모 예산과 더 완화된 안전 제한으로 운영되는 군용 선박은 단거리 요격기 또는 어뢰 말단 기동 추진기에 그러한 엔진을 사용할 수 있다. 민간 기체 코어 반물질 우주선은 드물며, 일반적으로 초월지성에 의해 효율적인 반물질 합성 메커니즘을 선물받은 중급에서 고급 기술 정치체의 징후이다.
플라즈마 코어
기체 코어 시스템의 확장이지만, 반응 질량을 플라즈마로 변환하기에 충분한 반물질이 주입된다. 기존의 연소실과 로켓 노즐은 더 이상 사용할 수 없으며, 대신 자기 구속이 필요하다. 에너지 효율은 훨씬 낮은 경향이 있으며, 때로는 소멸 에너지의 10%만이 추력에 기여한다. 그러나 연료 효율은 훨씬 높으며, 수소 반응 질량을 사용하여 최대 백만 초의 비추력을 가지며, 심우주 우주선이나 심지어 저속 항성간 우주선에 사용하기에 적합하다.불행하게도, 복잡한 반응 챔버 설계는 비슷한 출력의 핵 펄스 추진기보다 훨씬 더 많은 냉각이 필요하며, 반물질 연료 요구량은 반물질 개시 핵융합보다 훨씬 높다. 저추력, 고비추력 플라즈마 코어 탐사선은 대량의 반물질에 접근할 수 있지만 빔 코어 로켓을 개발할 정교함이 없는 일부 사회에서 사용된다. 다른 모든 사람들은 핵융합을 사용한다.
빔 코어
파이온 로켓으로도 알려진 빔 코어 추진기는 동량의 물질과 반물질 연료를 사용하여, 연료의 모든 핵자와 반핵자를 완전히 소멸시켜, 순수 파이온 배기가스를 생성하는 것을 목표로 한다. 배기 속도는 매우 높아, 천만 초를 초과할 수 있는 비추력을 가지며; 핵융합보다 10배 개선되었다. 빔 코어 설계가 제시하는 공학적 과제는 엄청나며, 시스템의 잠재력을 완전히 실현하는 데는 초월지성의 통찰력이 필요했다. 이 로켓들은 연료 효율이 매우 높으며, 소멸 에너지의 최대 60%가 유용한 추력에 기여한다(나머지 에너지는 대부분 감마선과 중성미자로 손실되고, 일부는 추진 설계에 따라 편향된 파이온의 질량 에너지 형태로 손실된다). 단점은, 그러한 엔진의 감마선 플럭스가 매우 높아, 핵융합 추진기보다 훨씬 더 큰 차폐 및 냉각 과제를 제시한다는 것이다.대부분의 모도소폰트 기원 설계는 추력이 비교적 낮으며, 핵융합 추진기의 추력을 거의 초과하지 않는다: 일반적으로 센티중력 또는 10분의 1 중력 지속 추력이며, 가장 훌륭한 예는 1g를 생성한다. 초월지성 빔 코어 로켓은 종종 수 페타와트에 달하는 방대한 출력 수준에 도달할 수 있으며 10중력 이상의 추력을 개발할 수 있다. 일부 울트라텍 사회는 도움 없이 그러한 설계를 복사할 수 있다.
빔 코어 항성간 램제트는 일반 물질 반응 질량을 운반할 필요가 없으므로, 일반 빔 코어 로켓에 비해 델타-V를 효과적으로 두 배로 늘린다. 그것들은 연료나 반응 제한이 전혀 없는 변환 램제트 항성간 우주선에 비해 모도소폰트 및 낮은 초월지성 기술 수준에서는 드물다. 그러나 제3특이점(Third Singularity) 이상에서는 Q-거울을 사용하여 반물질을 쉽게 생성하는 자체 수단을 운반하는 반물질 연료 빔 코어 램제트가 가능해진다. 그러한 시스템은 훨씬 낮은 질량 페널티로 최고의 마그매터 기반 변환 시스템의 능력과 일치하며, 일반적으로 가장 큰 선박을 제외한 모든 선박에 사용 가능한 최고의 반응 추진기로 간주된다.
반물질 연료 빔 코어 로켓은 1520AT의 변환 기술 개발 이후 S3 수준 이하에서 점점 드물어지고 있다. 변환 모노폴 증식의 용이성과 반물질 빔 코어(Antimatter Beam Core)에서 변환 빔 코어로의 업그레이드의 간단한 특성, 그리고 대량의 반물질을 운반하거나 합성할 필요가 없는 것과 관련된 안전성의 막대한 이득을 고려할 때, 가장 헌신적인 고립주의자, 러다이트 및 불행하게도 손상된 산업 기반만이 이제 그러한 추진기를 사용할 필요가 있다.
광자 로켓
반응 엔진의 최고봉인 광자 로켓은 감마선 빔을 사용하여 추력을 개발한다. 배기 속도는 가능한 최고이며, 최대 반응 엔진 비추력 약 3천3백만 초를 제공하며, 외부 추진 시스템(빔라이더 등) 또는 무반동 엔진 없이는 능가할 수 없다.빔 코어 로켓의 설계 문제는 광자 로켓에서 더욱 증가한다. 가장 간단한 설계는 제3 토포소픽 산업 기반의 산물인 마그매터 감마선 반사경을 필요로 하지만, 일단 얻으면 모도소폰트들도 사용할 수 있다. 그러나 그러한 로켓은 무의미할 것인데, 마그매터의 숙달과 함께 반물질 추진기보다 연료를 공급하고 작동하기가 훨씬 더 편리한 변환 추진(Conversion drive)기를 만드는 능력이 온다. 그러나 심각하게 손상된 변환 추진 선박의 잔해에서 중요한 구성 요소를 회수하여 그러한 우주선이 몇 척 존재했던 것으로 알려져 있다. 그러한 우주선의 알려진 모든 예는 이후 변환 추진기로 업그레이드되었거나 완전히 손실되었다.
그러나 일반 물질을 사용하여 제작할 수 있는 더 복잡한 설계가 제2 토포소픽 지성에 의해 실현되었다. 수소-반수소 앰비플라즈마의 신중하게 제어된 자기 내폭을 사용하여 GeV 범위 감마선 레이저 빔을 생성할 수 있으며, 감마선이 아닌 소멸 모드는 대부분 억제된다. 각 방출된 감마선 광자의 반동 효과는 로켓에 운동량을 전달한다. 그러한 장치는 변환 추진기보다 구성하고 제어하기가 훨씬 더 복잡하므로, 이에 상응하여 극히 드물다. 그러한 추진기를 장착한 일부 우주선은 오늘날에도 여전히 존재하며, 일반적인 사용에서 변환 램제트보다 다소 빠르며, 내부 구체의 상당한 부피를 차지하는 "로컬 버블"과 같이 성간 매질이 램제트 작동을 지원하기에 너무 희박한 지역에서 작동할 때 상당히 빠르다.
높은 지속 추력(>0.01g)의 변환 기반 순수 광자 로켓의 알려진 예는 발견되지 않았으며, 이는 그러한 것들이 제작하기에 비실용적임을 시사한다. 만약 그렇다면, 반물질 합성의 자체 수단과 램스쿱을 가진 광자 로켓이 기존의 모든 변환 추진기를 능가할 것이라고 추측할 수 있다. 아마도 그러한 선박을 운영하는 제2 및 제3 토포소픽 지성들이 있을 것이며, 심우주 관측이 기존 연료 선박에 대해 불가능한 델타-V를 가진 것처럼 보이는 광자 로켓을 추적했지만, 그러한 우주선이 가까이서 목격되었다는 신빙성 있는 보고는 존재하지 않는다. 이러한 점에서, 그것들은 더 높은 토포소픽 지성들이 사용하는 블랙 엔젤의 선구자로 간주될 수 있다.
관련 문서
관련 주제
개발 노트
글: M. Alan Kazlev, Mark Mcamuk, Chris Shaeffer, Ithuriel가 업데이트함 (2015)
Steve Bowers의 일부 논평
최초 게시일: 2008년 12월 8일.
Steve Bowers의 일부 논평
최초 게시일: 2008년 12월 8일.