Ultrapassando os limites da ciência, estamos na vanguarda da pesquisa sobre antimatéria - liberando novos potenciais para energia, aplicações médicas e descobertas científicas. Nossas iniciativas de antimatéria visam revolucionar os sistemas de armazenamento e propulsão de energia, abrindo caminho para uma nova era de inovação tecnológica. No passado da exploração espacial, os sistemas de propulsão química de naves espaciais provaram ser confiáveis e satisfatórios. No entanto, à medida que nossas ambições e curiosidade no espaço vão se distanciando, um melhor desempenho desses combustíveis químicos continua a ser exigido. A preparação de vários foguetes, as grandes e caras proporções de massa de propelente para carga útil e a dinâmica orbital mais complicada para missões simples são técnicas adotadas para atingir esse objetivo. Isso ainda não foi suficiente para muitas missões de interesse devido à energia limitada extraída da combustão química. A evolução contínua da exploração espacial exige que tenhamos o compromisso de inovar e desenvolver sistemas de propulsão aprimorados. Uma das ideias mais novas e exóticas para propulsão espacial avançada é usar o processo de aniquilação de matéria-antimatéria [1,2]. A energia que essa reação libera é ridiculamente gigantesca e é maior do que qualquer outra reação conhecida na física [3,4]. Um quilograma de aniquilação de matéria-antimatéria libera uma energia impressionante que é mais de 250 vezes maior do que a da fusão nuclear e mais de 8 ordens de magnitude (108) maior do que a da combustão química [5,6]. Isso é alcançado porque todas as massas dos reagentes são convertidas em energia [7,8], o que será discutido mais adiante. De acordo com [9,10], o impulso específico da antimatéria pode chegar a 20 milhões de m/s, que é o mais alto possível, tornando a propulsão interestelar um objetivo em vez de um sonho.
A Fig. 1 abaixo demonstra o impulso específico extremamente alto com empuxo muito baixo fornecido pela antimatéria e destaca a lacuna entre as tecnologias de propulsão atuais e as futuras para missões interestelares. Embora a reação de aniquilação seja basicamente uma explosão, se os cientistas e engenheiros conseguissem controlá-la e utilizá-la para propulsão, sua densidade de energia superior a tornaria a melhor fonte de energia. Apesar do trabalho e do interesse recentes, os foguetes de antimatéria ainda não são viáveis devido a várias questões relacionadas ao combustível (antimatéria), como sua produção e controle, e às configurações do sistema de propulsão que ainda precisam de uma solução, todas as quais serão discutidas aqui. A antimatéria é um material formado por antipartículas que se ligam umas às outras, assim como a matéria é composta por partículas ligadas entre si [11,12]. As antipartículas têm a mesma massa que as partículas comuns, mas cargas e spins quânticos opostos [11,12]. Por exemplo, um átomo de anti-hidrogênio é composto de um pósitron (a antipartícula do elétron, denotada como e+) e um antipróton (símbolo p), conforme mostrado na Fig. 2.
Intrinsecamente, as partículas e as antipartículas são iguais. As antipartículas seguem as mesmas teorias de partículas e quase todas as leis da física às quais as partículas aderem, com exceção de pequenas diferenças que são insignificantes [13]. Entretanto, há uma diferença significativa na abundância desses dois materiais no mundo; o mundo ao nosso redor é constituído inteiramente de matéria [13]. Uma propriedade distinta da antimatéria é a aniquilação explosiva que ela causa quando misturada com a matéria. Quando ocorre a aniquilação matéria-antimatéria, ambas desaparecem, deixando sua energia transformada em alguma outra forma [3]. Ela pode assumir a forma de raios gama energéticos imediatamente ou pode estar na forma de partículas intermediárias que decaem ou sofrem aniquilação adicional [14]. Além disso, a energia liberada tem uma quantidade astronômica de duas vezes a massa de repouso de qualquer uma das partículas, seguindo a equivalência de energia e massa de Einstein [5]. É por isso que a reação de aniquilação tem um enorme potencial de densidade de energia de cerca de 90 bilhões de MJ/kg ou 9 × 1016 J/kg, que é maior do que qualquer outra reação conhecida [15]. Para descrever essa magnitude, essa energia, quilograma por quilograma, é cerca de dez bilhões de vezes mais do que a combustão de hidrogênio-oxigênio que alimenta os motores principais dos ônibus espaciais e 300 vezes mais do que as reações de fusão no núcleo do Sol [14]. Se ela fosse utilizada como fonte de energia, as aplicações da antimatéria seriam infinitas. A Tabela 1 abaixo compara a densidade de energia das fontes de propulsão mais potentes e comenta suas capacidades quando usadas em naves espaciais para missões no espaço profundo. Vale a pena observar que o campo ambiente em torno de uma antipartícula tem um impacto significativo em seus estados iniciais, o que significa que a reação de aniquilação que ela sofre é uma reação dependente do ambiente [16]. No contexto de um conceito de motor de antimatéria, esse fato é particularmente significativo, pois permite uma gama diversificada de parâmetros de desempenho para o mesmo sistema e reações apenas alterando as condições iniciais da aniquilação. Para criar uma reação de aniquilação, é necessário induzir uma colisão entre partículas e antipartículas. Essas colisões podem ocorrer em grande escala, como em eventos cosmológicos de alta energia, ou em escala atômica [17]. Claramente, uma colisão em grande escala não é possível de ser feita por seres humanos devido às entradas e saídas de energia que envolve. Portanto, este trabalho considerará apenas os mecanismos de interação em escala atômica que levam à aniquilação. Há muitos desses mecanismos e eles podem ser classificados da seguinte forma [17]:
- Aniquilação direta sem intervenção.
- Captura radiativa que produz um fóton mais um positrônio, um próton ou um nucleônio no caso de interação elétron-pósitron, interação antipróton-próton ou interação com partículas mais pesadas, respectivamente.
- Colisões de rearranjo em que moléculas, átomos ou íons formam estados ligados antes da aniquilação real.
Cada mecanismo requer diferentes condições de energia e de partículas para contribuir significativamente para a reação de aniquilação, exigindo, portanto, determinados parâmetros relativos ao projeto do sistema e aos campos elétricos e magnéticos usados. Portanto, cada mecanismo poderia ser utilizado para diferentes propósitos de missão e configurações de sistema. Com base nas informações apresentadas acima, fica claro que a antimatéria tem um potencial promissor para o futuro. Devido a isso, o tópico da antimatéria vem ganhando cada vez mais interesse e atenção de muitos cientistas. Uma tendência de crescimento quase exponencial pode ser vista na Fig. 3, que ilustra a tendência de pesquisa relevante para a antimatéria nas últimas 6 décadas. A pesquisa na Scopus revelou que as publicações sobre antimatéria atingiram um total de 2.790 desde seu início em 1958 até o ano de 2023. Antes de uma compreensão básica da física da antimatéria no período de 1958 a 1995, o número de publicações sobre o tópico era estável e muito pequeno, pois os recursos de aniquilação da antimatéria ainda não haviam sido revelados. No entanto, um salto significativo e um aumento contínuo no número de pesquisas relevantes podem ser notados após esse período, com o número máximo de estudos chegando a 130 em 2015 e 2017. Isso ocorreu depois que os princípios físicos básicos da antimatéria foram estabelecidos e uma compreensão mais profunda sobre aniquilações, produção e controle de antimatéria estava sendo desenvolvida. É interessante notar que o assunto da antimatéria chamou a maior parte da atenção por suas aplicações de propulsão espacial. Como mencionado anteriormente, missões atualmente impossíveis, como as interestelares, só podem ser realizadas com essa fonte de energia de elite. Isso chamou a atenção da maioria dos pesquisadores de antimatéria. Na Fig. 4, é apresentada uma nuvem de palavras de tópicos de antimatéria pesquisados, em que uma bolha maior corresponde a um número maior de estudos realizados sobre esse tópico, e as conexões entre as bolhas indicam correlações entre diferentes tópicos de pesquisa. A maior bolha é observada em tópicos de propulsão espacial, seguida por tópicos de propulsão de antimatéria, ilustrando que a maior parte da pesquisa sobre antimatéria foi feita sobre seu uso como combustível em potencial para propulsão. De fato, até mesmo a maioria dos tópicos correlacionados que se ramificam das bolhas de propulsão se concentra em aplicações de propulsão da antimatéria. Por isso, as aplicações da antimatéria na propulsão, principalmente para missões espaciais, são o foco principal deste artigo. Além disso, as implicações de diferentes aspectos da antimatéria, como sua produção e controle, são discutidas neste artigo em relação aos veículos espaciais movidos a antimatéria. Tipos de aniquilação a serem considerados Como existe uma antipartícula para cada partícula, há muitas combinações de aniquilações a serem consideradas [18]. Apesar disso, apenas as aniquilações antipróton-núcleon (próton ou nêutron) e pósitron-elétron são possíveis para aplicações de propulsão espacial. Essa limitação é imposta pela necessidade de armazenar a antimatéria em uma forma estável para os longos períodos de duração das missões espaciais, e somente os antiprótons e pósitrons são suficientemente estáveis [19]. Os antineutrons são instáveis e decaem rapidamente em um antipróton, um pósitron e um antineutrino. Mais criticamente, a única antimatéria que pode ser produzida atualmente é o anti-hidrogênio, como será discutido na seção de produção de antimatéria a seguir [16,20]. 2.1. Aniquilação elétron - pósitron Os elétrons (e- ) têm campos de elétrons quantificados por um valor positivo e, portanto, os pósitrons (antielétrons, símbolo e+) têm um campo de elétrons negativo de igual magnitude. Quando esses dois campos são somados, eles naturalmente somam zero. Quando ocorre a aniquilação elétron-pósitron, a perda de sua massa e campos excita o campo eletromagnético e produz dois fótons gama, conforme mostrado na Fig. 5.
Esse processo libera 1,02 MeV, o que é muito menos do que as aniquilações de antiprótons, mas ainda é mais do que qualquer reação usada para propulsão até agora. 2.2. Aniquilação entre antipróton e núcleon Na aniquilação entre antipróton e núcleon (próton ou nêutron), um terço da energia produzida é convertida em raios gama, e os dois terços restantes são liberados na forma de inúmeras partículas [3]. As partículas resultantes são maciças, carregadas e de curta duração [16]. O mais importante é que elas viajam em velocidades relativísticas, tendo, portanto, uma grande quantidade de energia cinética que pode ser aproveitada para o impulso [3]. Quanto à aniquilação antipróton - próton (pp), a reação passa por vários estágios que ocorrem em um pequeno período de tempo, conforme mostrado na Fig. 6. A aniquilação inicial antipróton - próton libera muitas partículas: píons e kaons neutros, negativos e positivos [3]. Os píons constituem cerca de 99% das partículas liberadas, deixando apenas 1% de kaons [16]. Esse pequeno número de kaons também decai em píons. Em seguida, todos os píons decaem em neutrinos, raios gama e múons. Finalmente, os múons decaem em neutrinos e elétrons ou pósitrons. Lembre-se de que essa não é uma reação simples, pois o número e a energia de cada uma dessas partículas mudam imensamente ao longo do processo [16,21]. A energia liberada dessa aniquilação é de cerca de 1,8 × 1014 J por g de antiprótons [22]. Isso é 1010 vezes maior do que a combustão de hidrogênio-oxigênio e pelo menos 100 vezes maior do que a das reações de fissão ou fusão. Para visualizar esse número colossal, um grama de anti-hidrogênio reagido com um grama de hidrogênio gera a mesma energia que 23 tanques externos (ET) de ônibus espacial.
Isso significa que, idealmente, um grama de anti-hidrogênio poderia alimentar 23 ônibus espaciais. Pode-se prever antecipadamente que a aniquilação antipróton-neutrônio (pn) seria diferente da aniquilação antipróton-próton (pp) devido à diferença nas condições iniciais. Primeiro, a carga líquida é -1 em vez de 0 [16]. Segundo, o sistema está em um estado isospin puro de 1, ao contrário do estado isospin pp, que é uma mistura de 0 e 1 [16]. Um aquecimento importante de um propulsor é mais eficaz do que a radiação gama liberada na aniquilação elétron-pósitron [5]. Consequentemente, há mais interesse nos processos de aniquilação de antipróton-núcleon do ponto de vista da propulsão, e a aniquilação elétron-pósitron é deixada como um processo secundário. Deve-se ressaltar que a aniquilação de antipróton-núcleon deve ocorrer em repouso para que a propulsão da espaçonave seja viável [14]. 3. Métodos e dificuldades de produção de antimatéria 3.1. Produção natural Considera-se que os corpos celestes no universo são compostos de matéria. Entretanto, o oposto pode ser verdadeiro. As estrelas, por exemplo, podem ser inteiramente compostas de antimatéria [23]. Infelizmente, o espectro emitido por essas estrelas é idêntico ao das estrelas feitas de matéria, de modo que elas não podem ser distinguidas pelas tecnologias astronômicas atuais [24]. Portanto, os corpos de antimatéria não podem ser usados até o momento. Além disso, a antimatéria é, na verdade, produzida naturalmente no universo, ou seja, em torno de colisões de partículas de alta energia, como as que ocorrem nos centros das galáxias [25]. Elas também são produzidas em ambientes com temperaturas suficientemente altas, onde a condição de ter uma energia de partícula mais alta do que a energia necessária para produzir um par partícula-antipartícula é atendida [14]. Os raios cósmicos que interagem com a matéria são outra fonte de várias antipartículas que se distinguem por sua capacidade de conter as antipartículas nos próprios raios cósmicos [26]. Na Terra, os decaimentos β+ de isótopos radioativos encontrados naturalmente, como o potássio-40, produzem pósitrons [27]. Além da interação dos quanta gama que eles produzem com a matéria que também produz pósitrons, é importante mencionar aqui que a aniquilação antipróton-nêutron pode ocorrer somente em núcleos mais pesados que o hidrogênio. A alternativa mais leve em uma câmara de bolhas é o deutério líquido (isótopo H-2) [16]. O antipróton primeiro se aniquila em um nêutron livre, enquanto o próton atua como espectador. Isso forma temporariamente um deutério antiprotônico (tem um antipróton em vez de um próton). Naturalmente, a aniquilação antipróton-próton também ocorre com essa reação e se processa como uma aniquilação pp regular, conforme explicado anteriormente [16]. O processo de aniquilação de núcleos e antiprótons tem várias vantagens sobre a aniquilação elétron-pósitron do ponto de vista prático. Primeiro, ele fornece muito mais energia do que a aniquilação elétron-pósitron [16]. A Tabela 2 abaixo lista uma comparação das energias liberadas por aniquilação de pares de partículas, observando que ambas as reações liberam energia com eficiência de 100%. Em segundo lugar, ela pode ser melhor gerenciada. Os antiprótons e suas energias podem ser mais bem controlados antes de decaírem, e os raios gama que eles produzem após a aniquilação podem ser parcialmente controlados, convertendo-os em energia [16]. Terceiro, os produtos das aniquilações de antiprótons podem ser melhor e mais eficientemente aproveitados para propulsão em comparação com as aniquilações elétron-pósitron. Isso se deve à natureza dos produtos de cada reação mostrada na Fig. 7, pois as aniquilações de antiprótons produzem partículas carregadas rápidas, enquanto as aniquilações elétron-pósitron exaurem os raios gama. A energia cinética das partículas carregadas liberadas das aniquilações de antiprótons pode ser colimada para propulsão diretamente por um bocal magnético ou por [14]. Esses antielétrons também podem ser encontrados acima das nuvens de tempestade [28]. Por outro lado, a radioatividade natural na forma de decaimentos de β- cria antineutrinos [29].
Também foi descoberto que os antiprótons existem nos cinturões de Van Allen ao redor da Terra [30]. A cada segundo, quase um quilograma de antiprótons entra em nosso sistema solar, mas apenas alguns gramas deles chegam às proximidades da Terra [31]. Em todas as fontes mencionadas, a antimatéria produzida é imediatamente destruída pelo contato com a matéria próxima. Isso impossibilita a coleta de antimatéria produzida naturalmente, ou pelo menos em um futuro próximo. 3.2. Produção artificial Os cientistas já produziram, capturaram, resfriaram e armazenaram com sucesso alguns átomos de anti-hidrogênio [32]. No entanto, mesmo com desenvolvimentos tecnológicos substanciais, ainda há uma chance de que não seja possível gerar e armazenar antimatéria suficiente para propulsão [33]. Isso se deve ao fato de que é necessária uma enorme quantidade de entrada de energia, pelo menos uma quantidade igual à energia de repouso dos pares de partículas/antipartículas criados e, geralmente (como no caso dos antiprótons), dezenas de milhares a milhões de vezes mais [14]. Além disso, a maioria dos projetos de foguetes de antimatéria propostos exige uma quantidade relativamente grande de antimatéria. É necessário cerca de 1MeV de energia para produzir um par elétron-pósitron, enquanto um par próton-antipróton e um par nêutron-antipróton requerem cerca de 2GEV de energia, o que aumenta a demanda por aceleradores de partículas maiores do que os existentes [3]. As técnicas e os métodos propostos ou desenvolvidos ainda são vitais para desenvolver uma futura linha de produção de antimatéria com capacidade suficiente [34]. Realisticamente, só faz sentido tentar fabricar, estocar e usar o anti-hidrogênio por dois motivos [16]. Primeiro, a antimatéria neutra é necessária para facilitar e melhorar o manuseio, de modo que os antiprótons ou pósitrons não podem ser usados sozinhos [16]. Suas propriedades eletromagnéticas individuais, por serem carregadas, ainda são essenciais para controlá-las, portanto, os antineutrons também não podem ser usados. Em segundo lugar, seria muito caro e ineficiente em termos de energia produzir qualquer átomo de antimatéria maior [16]. Além disso, os átomos de anti-hidrogênio devem ser produzidos criogenicamente e armazenados na forma de flocos microscópicos de anti-hidrogênio carregado a temperaturas muito baixas. Essa é a melhor solução provisória para a produção de antimatéria que permite aos cientistas manipular a antimatéria e estudá-la usando a tecnologia atual. Há muitas ideias propostas sobre como o anti-hidrogênio pode ser produzido [35,36]. Entre elas estão: 1. Bombardear um átomo com um antipróton viajando a uma velocidade relativística para forçar a criação de um par elétron-pósitron (positrônio). Assim, haveria uma pequena chance de que o antipróton se emparelhasse com o pósitron e ejetasse o elétron, formando um átomo de anti-hidrogênio [37]. 2. Robert Forward teve a ideia de construir usinas de antimatéria no espaço que são alimentadas pelo Sol [38]. Sua ideia era construir um conjunto de coletores de 100 km para obter energia da radiação do Sol. Isso poderia fornecer dez terawatts de energia, o suficiente para operar várias fábricas de antimatéria em sua capacidade total e produzir um grama de antimatéria por dia [38]. 3. Uma ideia de Bickford era fazer uma pá magnética a partir de um ímã de plasma que direcionasse partículas carregadas e as prendesse a longas distâncias. Por exemplo, se colocada na órbita equatorial ao redor da Terra, ela pode capturar as antipartículas que ocorrem no cinturão de Van Allen. Uma configuração possível é usar bobinas de RF (radiofrequência) feitas de supercondutores de alta temperatura para gerar um campo magnético dentro delas que concentra os antiprótons que chegam do cinturão de radiação e os captura [3]. 4. Outra maneira possível é resfriar extremamente os antiprótons e pósitrons e combiná-los para formar anti-hidrogênio, mas isso requer que os antiprótons e pósitrons sejam produzidos e gerenciados primeiro. Pode até ser possível condensar ainda mais o anti-hidrogênio para formar cristais de anti-hidrogênio para facilitar o armazenamento e o manuseio para fins de propulsão, mas esse seria o próximo estágio [39,40]. 5. Outros dois métodos são propostos em [41]. A primeira abordagem envolve a coleta de antiprótons e píons gerados por colisões de prótons de alta energia com um alvo de elementos pesados. Embora inicialmente sejam produzidos mais píons do que antiprótons, os píons são redirecionados para colidir com o mesmo alvo ou com outro alvo pesado. Essas colisões de núcleos pesados com píons têm maior probabilidade de produzir antiprótons, aumentando significativamente seu rendimento. A segunda abordagem utiliza um colisor de elétrons/pósitrons recirculante projetado para produzir colisões repetidas perto de uma ressonância otimizada para a geração de antiprótons. Ao empregar agitadores de feixe, semelhantes aos dos lasers de elétrons livres, esse método aumenta muito o número de interações, levando a um aumento proporcional na produção de antiprótons. 4. Armazenamento e controle da antimatéria Outra grande dificuldade com a antimatéria é armazená-la e controlá-la. Para começar, já foi demonstrado que é impossível armazenar antimatéria sólida ou líquida em contato com qualquer estado da matéria [42]. Isso se deve às taxas proibitivas de produção de energia a partir da aniquilação com a matéria, causando perda de energia de forma significativa. Isso significa basicamente que a antimatéria continua se aniquilando com a matéria em taxas rápidas ao menor contato com ela. Portanto, a única e melhor opção é usar suspensão magnética, eletrostática ou eletromagnética de antimatéria sólida no vácuo [42]. A antimatéria sólida é composta por pelotas congeladas de anti-hidrogênio. Alguns exemplos de tais sistemas incluem as armadilhas Penning ou Paul. O conceito depende da propriedade do momento magnético de spin da antimatéria. Os campos magnéticos e elétricos exercem uma força sobre a antimatéria, direcionando-a para longe de qualquer matéria e impedindo seu contato com as laterais da caixa de armazenamento. Esse sistema produz uma densidade de armazenamento muito alta para o combustível de anti-hidrogênio [5]. Isso não quer dizer que essa seja a solução perfeita, pois ainda há obstáculos práticos a serem superados. A aniquilação poderia ocorrer entre os antiátomos vaporizados e a matéria na superfície do contêiner (bobinas magnéticas, por exemplo) ou entre a matéria vaporizada que entra na câmara de confinamento. O primeiro caso impõe uma séria dificuldade técnica que ainda não foi resolvida porque a antimatéria usada é o anti-hidrogênio congelado com um ponto de congelamento extremamente baixo [7]. O segundo é evitável com o projeto adequado e a escolha de materiais que mantenham o vácuo absoluto dentro da câmara [43,44].
As armadilhas eletromagnéticas atualmente disponíveis incluem as armadilhas Penning-Malmberg e Ioffe-Pritchard, que têm sido usadas para confinar matéria e recentemente foram usadas para aprisionar antimatéria no Conselho Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), mostradas na Fig. 8 (a) e (b) [45]. Essas armadilhas também são usadas como locais de produção de anti-hidrogênio pela combinação de pósitrons e antiprótons dentro da própria armadilha [46,47]. Elas confinam as partículas em três dimensões aplicando campos magnéticos para confinamento radial e campos elétricos, a partir de tensões aplicadas a uma série de eletrodos cilíndricos, ao longo do eixo de um solenoide. Portanto, o aprisionamento radial é obtido por campos magnéticos e o aprisionamento axial é feito por campos elétricos. Essas armadilhas podem armazenar apenas alguns átomos de anti-hidrogênio, sendo que a duração máxima de aprisionamento alcançada é de 1.000 segundos. Além disso, são necessárias energias e tensões extremamente altas para adquirir os campos eletromagnéticos elevados para a operação das armadilhas, conforme observado no experimento ALPHA [50,51]. Ao mesmo tempo, temperaturas inferiores a 375 mK devem ser mantidas dentro da armadilha para que haja eficiência suficiente no aprisionamento, o que significa que nenhum aquecimento dos fios deve atingir o vácuo interno. Observando os métodos de armazenamento atualmente disponíveis, nota-se uma enorme lacuna na capacidade de armazenamento de átomos de H, sendo o limite de alguns átomos. Além disso, os cientistas estão aprisionando-os apenas por períodos muito curtos antes de aniquilá-los, desligando os campos eletrostáticos e magnéticos, para que sejam detectados [52]. A incapacidade de detectar átomos de antimatéria, a menos que eles sejam aniquilados e, em seguida, os produtos sejam detectados, é outro defeito grave nos procedimentos de pesquisa de antimatéria que está retardando imensamente o progresso nessa área.
