الدفع النبضي النووي المحفز بالمادة المضادة

الدفع النبضي النووي المحفز بالمادة المضادة ، والدفع النبضي النووي المحفز بالبروتون المضاد ، و ACMF: الانشطار والاندماج الدقيق المحفز بالبروتون المضاد، و AIM: الانشطار والاندماج الدقيق المتأثر بالمادة المضادة هي أنواع مختلفة من الدفع النبضي النووي تعتمد على حقن المادة المضادة في كتلة من الوقود النووي لبدء أو تعزيز تفاعل نووي متسلسل للدفع خاصة عندما يكون الوقود دون درجة حرجة .

يُعاب على نظام الدفع النبضي النووي التقليدي أن الحد الأدنى لحجم المحرك يتحدد بالحد الأدنى لحجم القنابل النووية المستخدمة لتوليد الدفع، وهو ما يعتمد على كمية الكتلة الحرجة اللازمة لبدء التفاعل. يتكون تصميم القنبلة النووية الحرارية التقليدية من جزأين: الجزء الأساسي ، الذي يعتمد في الغالب على البلوتونيوم ، والجزء الثانوي الذي يستخدم وقود الاندماج، والذي يكون عادةً الديوتيريوم على شكل ديوتيريد الليثيوم ، والتريتيوم (الذي يتكون أثناء التفاعل عند تحول الليثيوم إلى تريتيوم). يوجد حد أدنى لحجم الجزء الأساسي (حوالي 10  كيلوغرامات للبلوتونيوم-239) لتحقيق الكتلة الحرجة. تزداد قوة الأجهزة بشكل أساسي من خلال إضافة وقود الاندماج للجزء الثانوي. يُعد وقود الاندماج أقل تكلفة بكثير وينتج عنه كميات أقل بكثير من المواد المشعة، لذا من منظور التكلفة والكفاءة، تُعد القنابل الأكبر حجمًا أكثر كفاءة. مع ذلك، يتطلب استخدام مثل هذه القنابل الكبيرة لدفع المركبات الفضائية هياكل أكبر بكثير قادرة على تحمل الضغط. هناك مفاضلة بين المطلبين.

عن طريق حقن كمية صغيرة من المادة المضادة في كتلة دون حرجة من الوقود (عادةً البلوتونيوم أو اليورانيوم )، يمكن إحداث انشطار للوقود قسرًا. يمتلك البروتون المضاد شحنة كهربائية سالبة ، تمامًا مثل الإلكترون ، ويمكن التقاطه بطريقة مماثلة بواسطة نواة ذرية موجبة الشحنة . مع ذلك، فإن التكوين الأولي غير مستقر ويشع طاقة على شكل أشعة غاما . ونتيجة لذلك، يقترب البروتون المضاد أكثر فأكثر من النواة حتى تتفاعل كواركاتها ، وعندها يفنى كل من البروتون المضاد والبروتون . يُطلق هذا التفاعل كمية هائلة من الطاقة، يُطلق جزء منها على شكل أشعة غاما، بينما ينتقل جزء آخر كطاقة حركية إلى النواة، مما يؤدي إلى انشطارها (تفاعل الانشطار). يمكن أن يتسبب وابل النيوترونات الناتج في حدوث انشطار سريع للوقود المحيط أو حتى اندماج نووي .

يُحدد الحد الأدنى لحجم الجهاز بناءً على مسائل التعامل مع البروتونات المضادة ومتطلبات تفاعل الانشطار، مثل الهيكل المستخدم لاحتواء الانفجار وتوجيهه. ولذلك، وعلى عكس نظام الدفع من نوع مشروع أوريون ، الذي يتطلب أعدادًا كبيرة من الشحنات المتفجرة النووية، أو محركات المادة المضادة المختلفة، التي تتطلب كميات باهظة الثمن من المادة المضادة، فإن الدفع النبضي النووي المحفز بالمادة المضادة يتمتع بمزايا جوهرية. ^{[ 1 ]}

يتمثل التصميم المفاهيمي لحزمة فيزيائية متفجرة نووية حرارية محفزة بالمادة المضادة في استبدال كتلة البلوتونيوم الأساسية، اللازمة عادةً للاشتعال في انفجار تيلر-أولام النووي الحراري التقليدي، بميكروغرام واحد من الهيدروجين المضاد. في هذا التصميم النظري، تُبرَّد المادة المضادة بالهيليوم وتُعلَّق مغناطيسيًا في مركز الجهاز، على شكل حبيبة قطرها عُشر المليمتر، وهو موضع مماثل لنواة الانشطار الأساسية في تصميم كعكة الطبقات/ سلوكا . ^{[ 2 ] [ 3 ]} ولأن المادة المضادة يجب أن تبقى بعيدة عن المادة العادية حتى اللحظة المطلوبة للانفجار، يجب عزل الحبيبة المركزية عن الكرة المجوفة المحيطة بها التي تحتوي على 100  غرام من الوقود النووي الحراري. أثناء وبعد الضغط الانضغاطي بواسطة العدسات شديدة الانفجار ، يتلامس وقود الاندماج مع الهيدروجين المضاد. تُوفّر تفاعلات الإفناء، التي تبدأ بعد تدمير مصيدة بينينغ بفترة وجيزة ، الطاقة اللازمة لبدء الاندماج النووي في الوقود النووي الحراري. إذا كانت درجة الضغط المختارة عالية، يُحصل على جهاز ذي تأثيرات تفجيرية/دافعة مُعززة، وإذا كانت منخفضة، أي أن كثافة الوقود ليست عالية، فسيتسرب عدد كبير من النيوترونات من الجهاز، مُشكّلاً قنبلة نيوترونية . في كلتا الحالتين ، يكون تأثير النبضة الكهرومغناطيسية والتساقط الإشعاعي أقل بكثير من تأثير جهاز الانشطار التقليدي أو جهاز تيلر-أولام ذي نفس القوة التفجيرية، والتي تُقدّر بحوالي 1  كيلوطن. ^{[ 4 ]}

يختلف عدد البروتونات المضادة اللازمة للتحفيز (التعزيز) عن تلك اللازمة لبدء (إشعال) الانفجار النووي الحراري. وقد حُسبت الكمية اللازمة لإشعال انفجار نووي حراري في عام 2005 لتكون 10^ ¹⁸ ، أي ما يعادل 1.67 ميكروغرام من الهيدروجين المضاد. ^{[ 5 ]}

يُمكن أيضًا ضبط أداء المركبة الفضائية. ترتبط كفاءة الصاروخ ارتباطًا وثيقًا بكتلة الوقود المستخدم ، وهي في هذه الحالة الوقود النووي. الطاقة المنبعثة من كتلة معينة من وقود الاندماج النووي أكبر بعدة مرات من تلك المنبعثة من نفس الكتلة من وقود الانشطار النووي. بالنسبة للمهام التي تتطلب فترات قصيرة من الدفع العالي، مثل الرحلات المأهولة بين الكواكب، قد يُفضّل استخدام الانشطار النووي الجزئي النقي لأنه يقلل من عدد عناصر الوقود المطلوبة. أما بالنسبة للمهام التي تتطلب فترات أطول من الكفاءة العالية ولكن بدفع أقل، مثل مجسات الكواكب الخارجية، فقد يُفضّل استخدام مزيج من الانشطار النووي الجزئي والاندماج النووي لأنه يقلل من إجمالي كتلة الوقود.

طُوّر هذا المفهوم في جامعة ولاية بنسلفانيا قبل عام ١٩٩٢. ومنذ ذلك الحين، درست عدة مجموعات محركات الانشطار/الاندماج النووي الدقيقة المحفزة بالمادة المضادة في المختبر. ^{[ ٦ ]} وقد أُجريت أبحاث في مختبر لورانس ليفرمور الوطني حول الاندماج النووي المُحفّز بالبروتونات المضادة منذ عام ٢٠٠٤. ^{[ ٧ ]} وعلى النقيض من الكتلة الكبيرة والتعقيد وقوة إعادة التدوير لمحركات الاندماج النووي بالقصور الذاتي التقليدية ، يوفر إفناء البروتونات المضادة طاقة نوعية تبلغ ٩٠  ميغا جول/ميكروغرام، وبالتالي شكلاً فريداً من أشكال تغليف الطاقة وتوصيلها. من حيث المبدأ، يمكن لمحركات البروتونات المضادة أن تُسهم بشكل كبير في تقليل كتلة النظام اللازمة للدفع الفضائي المتقدم باستخدام الاندماج النووي بالقصور الذاتي.

يُعدّ الاندماج بالقصور الذاتي المُحفّز بالبروتونات المضادة مفهومًا نظريًا، وسيُمثّل التعامل مع البروتونات المضادة ودقة حقنها المطلوبة - زمنيًا ومكانيًا - تحديات تقنية كبيرة. ولا يزال تخزين ومعالجة البروتونات المضادة منخفضة الطاقة، وخاصةً في صورة الهيدروجين المضاد ، علمًا في مراحله الأولى، وسيتطلب الشروع في برنامج بحث وتطوير جاد لمثل هذه التطبيقات زيادةً كبيرة في إنتاج البروتونات المضادة مقارنةً بأساليب الإمداد الحالية.

كان الرقم القياسي لتخزين المادة المضادة، والذي تجاوز 1000  ثانية بقليل، والذي تم تحقيقه في منشأة سيرن خلال عام 2011، بمثابة قفزة هائلة في ذلك الوقت مقارنةً بالنطاق الزمني الذي كان ممكناً تحقيقه سابقاً والذي كان يُقاس بالمللي ثانية. ^{[ 8 ]} وفي الآونة الأخيرة، تم تخزين البروتونات المضادة لمدة 614 يوماً بين عامي 2023 و2025، أيضاً في سيرن ^{[ 9 ]} .

يبلغ إجمالي إنتاج مضادات البروتونات عالميًا خلال عام واحد حوالي نانوغرامات. ويتمتع مصيدة المادة المضادة (النسخة الأولى) في جامعة ولاية بنسلفانيا بقدرة تخزين تصل إلى 10 مليارات مضاد بروتون لمدة تقارب 168 ساعة. وقدّر مشروع إيكاروس التكلفة المحتملة لإنتاج ملليغرام واحد من مضاد البروتون بـ 100 مليار دولار. ^{[ 10 ]}

من الناحية التقنية، يُعتبر هذا التفاعل "معززًا" بالبروتونات المضادة ، وليس "محفزًا"، لأن المادة المضادة المستخدمة لبدء كل تفاعل تُستهلك. ورغم إمكانية إعادة إنتاج الجسيمات المضادة في الموقع نفسه وفنائها فورًا أثناء العملية، فإنه في حال وجود المادة المضادة كمحفز، فإن الجسيمات المضادة الأصلية ستبقى دون تغيير، وسيؤثر استمرار وجودها على التفاعلات اللاحقة. ^{[ 11 ] [ 12 ]} ومع ذلك، لا تزال هذه التسمية الشائعة، وإن كانت غير دقيقة من الناحية التقنية، مستخدمة.

• أيمستار
• صاروخ مضاد للمادة
• سلاح مضاد للمادة
• ICAN-II
• الدفع النبضي النووي

• صفحة تناقش إمكانية استخدام المادة المضادة كمحفز لانفجار نووي حراري
• ورقة بحثية تناقش عدد البروتونات المضادة اللازمة لإشعال سلاح نووي حراري.