Estamos a la vanguardia de la investigación sobre la antimateria, lo que nos permite desentrañar nuevos potenciales para la energía, las aplicaciones médicas y los descubrimientos científicos. Nuestras iniciativas sobre la antimateria pretenden revolucionar los sistemas de almacenamiento de energía y propulsión, allanando el camino para una nueva era de innovación tecnológica. En el pasado de la exploración espacial, los sistemas químicos de propulsión de las naves espaciales han demostrado ser fiables y satisfactorios. Sin embargo, a medida que nuestras ambiciones y curiosidad en el espacio llegan más lejos, se sigue exigiendo un mejor rendimiento de estos combustibles químicos. Para lograrlo, se han adoptado técnicas como la puesta en marcha de múltiples cohetes, las costosas y grandes relaciones entre la masa propulsora y la carga útil, y una dinámica orbital más complicada para misiones sencillas. Sin embargo, esto sigue siendo insuficiente para muchas misiones de interés debido a la energía, en última instancia limitada, que se extrae de la combustión química. La continua evolución de la exploración espacial exige que nos comprometamos a innovar y a desarrollar sistemas de propulsión mejorados. Una de las ideas más nuevas y exóticas para la propulsión espacial avanzada es utilizar el proceso de aniquilación materia-antimateria [1,2]. La energía que libera esta reacción es ridículamente gigantesca y es superior a la de cualquier otra reacción conocida en física [3,4]. Un kilogramo de aniquilación de materia-antimateria libera una energía descomunal, más de 250 veces superior a la de la fusión nuclear y más de 8 órdenes de magnitud (108 ) más que la combustión química [5,6]. Esto se consigue porque la totalidad de las masas de los reactantes se convierten en energía [7,8], lo que se discutirá más adelante. Según [9,10], el impulso específico de la antimateria puede alcanzar hasta 20 millones de m/s, que es el más alto posible, lo que convierte la propulsión interestelar en un objetivo en lugar de un sueño.
La Fig. 1 muestra el altísimo impulso específico con muy poco empuje que proporciona la antimateria y pone de manifiesto la brecha existente entre las tecnologías de propulsión actuales y las futuras para misiones interestelares. Aunque la reacción de aniquilación es básicamente una explosión, si los científicos e ingenieros fueran capaces de controlarla y utilizarla para la propulsión, su densidad energética superior la convertiría en la fuente de energía definitiva. A pesar del reciente trabajo e interés, los cohetes de antimateria aún no son alcanzables por varias cuestiones en el combustible (antimateria), como su producción y control, y en las configuraciones del sistema de propulsión que aún necesitan una solución, todo lo cual se discutirá aquí. La antimateria es un material formado por antipartículas que se unen entre sí, al igual que la materia se compone de partículas unidas entre sí [11,12]. Las antipartículas tienen la misma masa que las partículas ordinarias, pero cargas y espines cuánticos opuestos [11,12]. Por ejemplo, un átomo de antihidrógeno está compuesto por un positrón (la antipartícula del electrón, denotada como e+) y un antiprotón (símbolo p) como se muestra en la Fig. 2.
Intrínsecamente, las partículas y las antipartículas son iguales. Las antipartículas siguen las mismas teorías de partículas y casi todas las leyes de la física a las que se adhieren las partículas, salvo pequeñas diferencias que son insignificantes [13]. Sin embargo, existe una diferencia significativa en la abundancia de estos dos materiales en el mundo; el mundo que nos rodea está constituido en su totalidad por materia [13]. Una propiedad distintiva de la antimateria es la aniquilación explosiva que provoca cuando se mezcla con la materia. Cuando se produce la aniquilación materia-antimateria, ambas desaparecen, dejando su energía transformada en alguna otra forma [3]. Puede adoptar inmediatamente la forma de rayos gamma energéticos o puede ser en forma de partículas intermedias que decaen o sufren una aniquilación posterior [14]. Además, la energía liberada tiene una cantidad astronómica del doble de la masa en reposo de cualquiera de las partículas, siguiendo la equivalencia masa-energía de Einstein [5]. Por eso, la reacción de aniquilación tiene un enorme potencial de densidad de energía de unos 90.000 millones de MJ/kg o 9 × 1016 J/kg, superior al de cualquier otra reacción conocida [15]. Para representar esta magnitud, esta energía, kilogramo por kilogramo, es unas diez mil millones de veces superior a la combustión de hidrógeno-oxígeno que alimenta los motores principales de los transbordadores espaciales y 300 veces superior a las reacciones de fusión en el núcleo del Sol [14]. Si se utilizara como fuente de energía, las aplicaciones de la antimateria serían infinitas. En la Tabla 1 se compara la densidad energética de las fuentes de propulsión más potentes y se comentan sus capacidades cuando se utilizan en naves espaciales para misiones en el espacio profundo. Cabe señalar que el campo ambiental que rodea a una antipartícula tiene un impacto significativo en sus estados iniciales, lo que significa que la reacción de aniquilación que experimenta es una reacción dependiente del entorno [16]. En el contexto de un concepto de motor de antimateria, este hecho es particularmente significativo, ya que permite una diversa gama de parámetros de rendimiento para el mismo sistema y reacciones con sólo alterar las condiciones iniciales de la aniquilación. Para crear una reacción de aniquilación, es necesario inducir una colisión entre partículas y antipartículas. Estas colisiones podrían ocurrir a gran escala, como en eventos cosmológicos de alta energía, o a escala atómica [17]. Evidentemente, una colisión a gran escala no es posible de realizar por el ser humano por las entradas y salidas de energía que implica. Así pues, en este trabajo sólo se considerarán los mecanismos de interacción a escala atómica que conducen a la aniquilación. Hay muchos de estos mecanismos y, en general, se pueden clasificar de la siguiente manera [17]:
- Aniquilación directa sin intervención.
- Captura radiativa que produce un fotón más un positronio, un protonio o un nucleonio en el caso de la interacción electrón-positrón, antiprotón-protón o interacción con partículas más pesadas, respectivamente.
- Colisiones de reordenación en las que moléculas, átomos o iones forman estados ligados antes de la aniquilación propiamente dicha.
Cada mecanismo requiere diferentes condiciones de energía y de partículas para contribuir significativamente a la reacción de aniquilación, lo que exige ciertos parámetros relativos al diseño del sistema y a los campos eléctricos y magnéticos utilizados. Por lo tanto, cada mecanismo podría utilizarse para diferentes misiones y configuraciones del sistema. De la información expuesta anteriormente se desprende que la antimateria encierra un potencial prometedor para el futuro. Debido a ello, el tema de la antimateria ha ido ganando cada vez más interés y atención por parte de muchos científicos. En la Fig. 3 se observa una tendencia de crecimiento casi exponencial, que ilustra la evolución de la investigación sobre la antimateria en las últimas seis décadas. La búsqueda en Scopus reveló que las publicaciones sobre antimateria alcanzaron un total de 2790 desde su inicio en 1958 hasta el año 2023. Antes de que se conociera la física de la antimateria en el periodo comprendido entre 1958 y 1995, el número de publicaciones sobre el tema era constante y muy escaso, ya que aún no se había desvelado la capacidad de aniquilación de la antimateria. Sin embargo, después de ese periodo se observa un salto significativo y un aumento continuo en el número de investigaciones relevantes, alcanzando el número máximo de estudios los 130 en 2015 y 2017. Esto ocurrió después de que se establecieran los principios físicos básicos de la antimateria y se desarrollara una comprensión más profunda sobre las aniquilaciones, la producción y el control de la antimateria. Curiosamente, el tema de la antimateria ha captado la mayor parte de la atención por sus aplicaciones en la propulsión espacial. Como ya se ha mencionado, las misiones actualmente imposibles, como las interestelares, sólo pueden lograrse con esta fuente de energía de élite. Esto ha captado la atención de la mayoría de los investigadores de la antimateria. A continuación de la Fig. 4, se presenta una nube de palabras de temas investigados sobre la antimateria, donde una burbuja más grande corresponde a un mayor número de estudios realizados sobre ese tema, y las conexiones entre burbujas indican correlaciones entre diferentes temas de investigación. La burbuja más grande se observa en los temas de propulsión espacial, seguida de los temas de propulsión de la antimateria, lo que ilustra que la mayor parte de la investigación sobre la antimateria se realizó sobre su uso como combustible potencial para la propulsión. De hecho, incluso la mayoría de los temas correlacionados que salen de las burbujas de propulsión se centran en las aplicaciones de la antimateria a la propulsión. De ahí que las aplicaciones de la antimateria en la propulsión, principalmente para misiones espaciales, sean el tema principal de este artículo. Además, en este artículo se discuten las implicaciones de diferentes aspectos de la antimateria, como su producción y control, en relación con los vehículos espaciales propulsados por antimateria. Tipos de aniquilación a considerar Dado que existe una antipartícula para cada partícula, hay muchas combinaciones de aniquilaciones a considerar [18]. A pesar de ello, para las aplicaciones de propulsión espacial sólo son posibles las aniquilaciones antiprotón-núcleo (protón o neutrón) y positrón-electrón. Esta limitación viene impuesta por la necesidad de almacenar la antimateria en una forma estable para los largos periodos de tiempo que duran las misiones espaciales, y sólo los antiprotones y los positrones son suficientemente estables [19]. Los antineutrones son inestables y se desintegran rápidamente en un antiprotón, un positrón y un antineutrino. Más críticamente, la única antimateria que se puede producir actualmente es el antihidrógeno, como se discutirá en la siguiente sección de producción de antimateria [16,20]. 2.1. Aniquilación electrón - positrón Los electrones (e- ) tienen campos electrónicos cuantificados por un valor positivo, y por tanto los positrones (antielectrones, símbolo e+) tienen un campo electrónico negativo de igual magnitud. Cuando se suman estos dos campos, naturalmente suman cero. Cuando se produce la aniquilación electrón-positrón, la pérdida de su masa y de sus campos excita el campo electromagnético y produce dos fotones gamma como se muestra en la Fig. 5.
Este proceso libera 1,02 MeV, que es mucho menos que las aniquilaciones de antiprotones, pero sigue siendo más que cualquier reacción utilizada para la propulsión hasta ahora. 2.2. Aniquilación antiprotón-nucleón En la aniquilación antiprotón-nucleón (protón o neutrón), un tercio de la energía producida se convierte en rayos gamma, y los dos tercios restantes se liberan en forma de numerosas partículas [3]. Las partículas resultantes son masivas, cargadas y de vida corta [16]. Y lo que es más importante, viajan a velocidades relativistas, por lo que tienen una gran cantidad de energía cinética que puede aprovecharse para el empuje [3]. En cuanto a la aniquilación antiprotón - protón (pp), la reacción pasa por varias etapas que ocurren en un pequeño periodo de tiempo, como se muestra en la Fig. 6. La aniquilación antiprotón-protón inicial libera gran cantidad de partículas: piones y kaones neutros, negativos y positivos [3]. Los piones constituyen alrededor de 99% de las partículas liberadas, dejando sólo 1% de kaones [16]. Este pequeño número de kaones también decae en piones. A continuación, todos los piones se desintegran en neutrinos, rayos gamma y muones. Finalmente, los muones se desintegran en neutrinos y electrones o positrones. Hay que tener en cuenta que no se trata de una reacción directa, ya que el número y la energía de cada una de estas partículas cambian enormemente a lo largo del proceso [16,21]. La energía liberada por esta aniquilación es de aproximadamente 1,8 × 1014 J por g de antiprotones [22]. Esto es 1010 veces más que la combustión de hidrógeno-oxígeno y al menos 100 veces mayor que la de las reacciones de fisión o fusión. Para imaginar esta cifra colosal, un gramo de antihidrógeno reaccionado con un gramo de hidrógeno genera la misma energía que 23 tanques externos (ET) del transbordador.
Es decir, un gramo de antihidrógeno podría alimentar idealmente 23 transbordadores espaciales. Se puede predecir de antemano que la aniquilación antiprotón-neutrón (pn) sería diferente de la antiprotón-protón (pp) debido a la diferencia en las condiciones iniciales. En primer lugar, la carga neta es -1 en lugar de 0 [16]. En segundo lugar, el sistema se encuentra en un estado de isospin puro de 1, al contrario que el estado de isospin pp, que es una mezcla de 0 y 1 [16]. Un importante calentamiento de un propulsor más eficaz que la radiación gamma liberada en la aniquilación electrón-positrón [5]. En consecuencia, hay más interés en los procesos de aniquilación antiprotón-núcleo desde el punto de vista de la propulsión y la aniquilación electrón-positrón queda como un proceso secundario. Hay que señalar que la aniquilación antiprotón-nucleón debe tener lugar en reposo para que la propulsión de naves espaciales sea factible [14]. 3. 3. Métodos de producción de la antimateria y dificultades 3.1. Producción natural Producción natural Se considera que los cuerpos celestes del universo están compuestos de materia. Sin embargo, podría ocurrir lo contrario. Las estrellas, por ejemplo, podrían estar compuestas en su totalidad de antimateria [23]. Desgraciadamente, el espectro emitido por estas estrellas es idéntico al de las estrellas hechas de materia, por lo que no pueden distinguirse con las tecnologías astronómicas actuales [24]. Por lo tanto, los cuerpos de antimateria no pueden utilizarse por ahora. Aparte de eso, la antimateria se produce de forma natural en el universo, concretamente alrededor de colisiones de partículas de alta energía como las que se producen en los centros de las galaxias [25]. También se producen en entornos con temperaturas suficientemente altas donde se cumple la condición de tener una energía de partículas superior a la necesaria para producir un par partícula-antipartícula [14]. Los rayos cósmicos que interactúan con la materia son otra fuente de varias antipartículas que se distingue por su capacidad de contener las antipartículas en los propios rayos cósmicos [26]. En la Tierra, las desintegraciones β+ de isótopos radiactivos que se encuentran de forma natural, como el potasio-40, producen positrones [27]. Además de la interacción de los cuantos gamma que producen con la materia que también produce positrones, un descubrimiento a mencionar aquí es que la aniquilación antiprotón-neutrón sólo puede tener lugar en núcleos más pesados que el Hidrógeno. La alternativa más ligera en una cámara de burbujas es el deuterio líquido (isótopo H-2) [16]. El antiprotón se aniquila primero sobre un neutrón libre, mientras que el protón actúa como espectador. Esto forma temporalmente un deuterio antiprotónico (tiene un antiprotón en lugar de un protón). Naturalmente, la aniquilación antiprotón-protón también ocurre con esta reacción y procede como una aniquilación pp regular como se explicó antes [16]. Desde un punto de vista práctico, el proceso de aniquilación antiprotón-núcleo tiene varias ventajas sobre la aniquilación electrón-positrón. En primer lugar, proporciona mucha más energía que la aniquilación electrón-positrón [16]. La Tabla 2 muestra una comparación de las energías liberadas por aniquilación de pares de partículas, observándose que ambas reacciones liberan energía con una eficiencia de 100%. En segundo lugar Los antiprotones y sus energías pueden controlarse mejor antes de que decaigan, y los rayos gamma que producen tras la aniquilación pueden controlarse parcialmente convirtiéndolos en energía [16]. En tercer lugar, los productos de las aniquilaciones antiprotónicas pueden aprovecharse mejor y más eficazmente para la propulsión en comparación con las aniquilaciones electrón-positrón. Esto se debe a la naturaleza de los productos de cada reacción mostrados en la Fig. 7, ya que las aniquilaciones antiprotón producen partículas cargadas rápidas, mientras que las aniquilaciones electrón-positrón agotan rayos gamma. La energía cinética de las partículas cargadas liberadas de las aniquilaciones de antiprotones puede ser colimada para su empuje directamente por una tobera magnética o por [14]. Estos antielectrones también pueden encontrarse por encima de las nubes de tormenta [28]. Por otro lado, la radiactividad natural en forma de desintegraciones β- crea antineutrinos [29].
También se descubrió que existen antiprotones en los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra [30]. Cada segundo, casi un kilogramo de antiprotones entra en nuestro sistema solar, pero sólo unos pocos gramos de ellos llegan a las proximidades de la Tierra [31]. En todas las fuentes mencionadas, la antimateria producida se destruye inmediatamente al entrar en contacto con la materia cercana. Eso hace que sea imposible cosechar antimateria producida de forma natural, o al menos en un futuro próximo. 3.2. Producción artificial Los científicos ya han logrado producir, capturar, enfriar y almacenar algunos átomos de antihidrógeno [32]. Sin embargo, incluso con avances tecnológicos sustanciales, sigue existiendo la posibilidad de que no sea posible generar y almacenar suficiente antimateria para la propulsión [33]. Ello se debe a que se requieren enormes cantidades de energía, al menos una cantidad igual a la energía en reposo de los pares partícula/antipartícula creados, y normalmente (como en el caso de los antiprotones) de decenas de miles a millones de veces más [14]. Además, la mayoría de los diseños de cohetes de antimateria propuestos requieren una cantidad relativamente grande de antimateria. Se requiere alrededor de 1MeV de energía para producir un par electrón-positrón, mientras que un par protón-antiprotón y un par neutrón-antiprotón, requieren alrededor de 2GEV de energía, lo que plantea la demanda de aceleradores de partículas más grandes que los existentes [3]. Las técnicas y métodos propuestos o desarrollados siguen siendo vitales para desarrollar una futura línea de producción de antimateria con capacidad suficiente [34]. Siendo realistas, sólo tiene sentido intentar fabricar, almacenar y utilizar antihidrógeno por dos razones [16]. En primer lugar, en última instancia se necesita antimateria neutra para facilitar y mejorar su manipulación, por lo que los antiprotones o positrones no pueden utilizarse por sí solos [16]. Sus propiedades electromagnéticas individuales, debido a que están cargados, siguen siendo esenciales para controlarlos, por lo que los antineutrones tampoco pueden utilizarse. En segundo lugar, sería demasiado caro e ineficiente energéticamente producir un átomo de antimateria más grande [16]. Además, los átomos de antihidrógeno deberían fabricarse criogénicamente y almacenarse en forma de copos microscópicos de antihidrógeno cargado a temperaturas muy bajas. Esta es la mejor solución provisional para la producción de antimateria que permite a los científicos manipular la antimateria y estudiarla utilizando la tecnología actual. Se han propuesto muchas ideas sobre cómo fabricar antihidrógeno [35,36]. Entre ellas se encuentran: 1. Bombardear un átomo con un antiprotón que viaje a velocidad relativista para forzar la creación de un par electrón-positrón (positronio). Entonces habría una ligera posibilidad de que el antiprotón se emparejara con el positrón y expulsara al electrón formando un átomo de antihidrógeno [37]. 2. Robert Forward tuvo una vez la idea de construir plantas de antimateria en el espacio alimentadas por el Sol [38]. Su idea consistía en construir un conjunto de colectores de 100 km para obtener energía de la radiación solar. Esto podría proporcionar diez teravatios de energía, suficiente para hacer funcionar múltiples fábricas de antimateria a pleno rendimiento y producir un gramo de antimateria al día [38]. 3. Una idea de Bickford consistía en fabricar una pala magnética a partir de un imán de plasma que dirigiera las partículas cargadas y las atrapara a largas distancias. Por ejemplo, si se coloca en la órbita ecuatorial alrededor de la Tierra, puede capturar las antipartículas que se producen en el cinturón de Van Allen. Una posible configuración consiste en utilizar bobinas de RF (radiofrecuencia) fabricadas con superconductores de alta temperatura para generar en su interior un campo magnético que concentre los antiprotones entrantes procedentes del cinturón de radiación y los capture [3]. 4. Otra forma posible es enfriar extremadamente los antiprotones y los positrones y combinarlos para formar antihidrógeno, pero para ello es necesario fabricar y gestionar primero los antiprotones y los positrones. Incluso sería posible condensar aún más el antihidrógeno para formar cristales de antihidrógeno que faciliten su almacenamiento y manejo con fines de propulsión, pero esto sería la siguiente etapa [39,40]. 5. En [41] se proponen otros dos métodos. El primero consiste en recoger antiprotones y piones generados por colisiones de protones de alta energía con un blanco de elementos pesados. Aunque inicialmente se producen más piones que antiprotones, los piones son redirigidos para colisionar con el mismo u otro blanco pesado. Estas colisiones pión-núcleo pesado tienen una mayor probabilidad de producir antiprotones, lo que aumenta significativamente su rendimiento. El segundo enfoque utiliza un colisionador de electrones/positrones de recirculación diseñado para producir colisiones repetidas cerca de una resonancia optimizada para la generación de antiprotones. Al emplear onduladores de haz, similares a los de los láseres de electrones libres, este método aumenta enormemente el número de interacciones, lo que conduce a un aumento proporcional de la producción de antiprotones. 4. Otra gran dificultad de la antimateria es su almacenamiento y control. Para empezar, ya se ha demostrado que almacenar antimateria sólida o líquida en contacto con cualquier estado de la materia es imposible [42]. Esto se debe a las prohibitivas tasas de producción de energía a partir de la aniquilación con la materia, lo que provoca una pérdida de energía de manera significativa. Básicamente significa que la antimateria sigue aniquilándose con la materia a gran velocidad al menor contacto con ella. Por lo tanto, la única y mejor opción es utilizar la suspensión magnética, electrostática o electromagnética de antimateria sólida en el vacío [42]. La antimateria sólida son gránulos congelados de antihidrógeno. Algunos ejemplos de estos sistemas son las trampas Penning o Paul. El concepto depende de la propiedad del momento magnético de espín de la antimateria. Los campos magnético y eléctrico ejercen una fuerza sobre la antimateria, alejándola de cualquier materia e impidiendo su contacto con los laterales de la caja de almacenamiento. Este sistema proporciona una densidad de almacenamiento muy alta para el combustible antihidrógeno [5]. Esto no quiere decir que sea la solución perfecta, ya que aún quedan obstáculos prácticos por superar. La aniquilación podría producirse entre los antiátomos vaporizados y la materia en la superficie del contenedor (bobinas magnéticas, por ejemplo) o entre la materia vaporizada que entra en la cámara de confinamiento. Lo primero plantea una grave dificultad técnica que aún no se ha resuelto porque la antimateria utilizada es antihidrógeno congelado con un punto de congelación extremadamente bajo [7]. La segunda se puede evitar con un diseño adecuado y la elección de materiales que mantengan el vacío absoluto dentro de la cámara [43,44].
Las trampas electromagnéticas disponibles en la actualidad incluyen las trampas de PenningMalmberg y las de Ioffe-Pritchard, que se han utilizado para confinar materia y recientemente se han utilizado para atrapar antimateria en el Consejo Europeo de Investigación Nuclear (CERN), mostradas en la Fig. 8 (a) y (b) [45]. Estas trampas también se utilizan como lugares de producción de antihidrógeno mediante la combinación de positrones y antiprotones dentro de la propia trampa [46,47]. Confinan partículas en tres dimensiones aplicando campos magnéticos para el confinamiento radial y campos eléctricos, a partir de voltajes aplicados a una serie de electrodos cilíndricos, a lo largo del eje de un solenoide. Así, el atrapamiento radial se consigue mediante campos magnéticos y el axial, mediante campos eléctricos. Estas trampas sólo pueden almacenar un par de átomos de antihidrógeno, siendo la duración máxima de atrapamiento alcanzada de 1000 segundos Además, se necesitan energías y voltajes extremadamente altos para adquirir los elevados campos electromagnéticos para el funcionamiento de las trampas, como se vio en el experimento ALPHA [50,51]. Al mismo tiempo, deben mantenerse temperaturas inferiores a 375 mK en el interior de la trampa para lograr una eficiencia de atrapamiento suficiente, lo que significa que ningún calentamiento procedente de los hilos debe alcanzar el vacío interior. Si se analizan los métodos de almacenamiento disponibles en la actualidad, se observa una enorme brecha en la capacidad de almacenamiento de átomos de H, siendo el límite un par de átomos. Además, los científicos sólo los atrapan durante periodos muy breves antes de aniquilarlos apagando los campos electrostáticos y magnéticos, para que sean detectados [52]. La incapacidad de detectar átomos de antimateria a menos que se aniquilen y luego se detecten los productos es otro grave defecto de los procedimientos de investigación de la antimateria que está ralentizando enormemente los avances en este campo.
