Warum ist es so schwer und teuer Antimaterie herzustellen?

4 Antworten

Bei der Annihilation von Materie und Antimaterie wird sehr viel Energie frei (1 g Anti­materie setzt, wenn es mit Materie in Berührung kommt, die Energie von ein paar Hiroshima-Bomben frei).

Da aber leider die Energieerhaltung nicht leicht auszutricksen ist, bedeutet das zwin­gend, daß man eine Absurde Menge™ Energie zur Herstellung von Anti­mate­rie braucht, näm­lich mehrere Hiroshima-Bomben für ein Gramm. In der Praxis noch viel mehr (näm­lich millionenfach mehr), aber das ist nur ein technisches Pro­blem, und da kann man drauf hoffen, daß jemand eine gute Lösung für einen ef­fi­zien­te­ren Syn­these­weg findet.

Wenn man nicht willens ist, so viel Energie aufzubringen, dann kann man natürlich noch hoffen, daß irgendjemand irgendwo in der Nähe Antimaterie zum berg­män­ni­schen Abbau findet (seeeeeeeeeeeehr unwahrscheinlich, denn wo sollte das Zeug herumliegen, ohne längst schon mit gewöhnlicher Materie in Berührung ge­kom­men zu sein? Sonnenwind ist überall!) oder daß die Sache im Licht zukünftiger, neuer Gesetze in der Physik besser aussieht (nicht ganz so unmöglich, aber gegen den Energiesatz anstinken ist nicht einfach, und die Baryonenerhaltung spuckt auch noch rein).

Nehmen wir trotzdem für den Moment an, es gäbe irgendwo eine vernünftig billige Quelle von Antimaterie. Damit könnte man wirklich eine Rakete bauen: Denn man muß ja nur im Triebwerk Materie und Antimaterie mit einander zur Reaktion brin­gen und die entstehende Strahlung bündeln, so daß ein Rückstoß entsteht. So ein An­­trieb wäre exxxtrem leistungsfähig. Die technischen Schwierigkeiten wären aber im­­mer noch enorm: Erstens muß man die Antimaterie irgendwo so lagern, daß sie nicht mit Materie in Berührung kommt, dann muß man sie ins Triebwerk be­­för­­dern ohne daß sie schon am Weg annihiliert, und zuletzt ist auch die Strah­lung ein Pro­blem, weil sie seeeehr hochenergetisch ist und kein bekanntes Ma­te­rial in der La­ge wäre, sie zu bündeln. Außer kurzwelligen γ-Quanten ent­ste­hen üb­ri­­gens vor al­lem π-Mesonen, die sind instabil und werfen weitere Probleme auf: Als Zer­falls­pro­duk­te treten da Neu­trinos auf, und die sind noch schwieriger zu fokus­sieren als γ-Quanten.

Insgesamt klingt das also wie eine Idee, die nur in der Science-Fiction funktioniert.

Es gibt übrigens ein noch effizienteres Antriebssystem, wenn auch nur in der Theo­rie: Ein Schwarzes Loch. Wenn Hawking-Strahlung real ist, dann könnte man sich einen Antrieb vorstellen, der aus einem kleinen, mit konstanter Leistung heiß strah­len­den Schwarzen Loch besteht, das man durch ständige Materiezufuhr auf kon­stan­ter Mas­se hält (eine kitzlige Angelegenheit, die keine Fehler verzeiht — der ex­po­nen­tiel­le Run­away ist immer nur ein paar dm entfernt). Die Strah­lung die da­bei ent­steht ist auch sehr hochenergetisch, man hätte also ähn­liche Probleme wie mit dem Antimaterie-Antrieb, aber ohne die teure, ge­fähr­liche und schwer hand­hab­bare Anti­materie (da­für mit einem noch gefährlicheren und noch schwerer hand­hab­baren Schwarzen Loch, und wie und zu welchen Kosten man das her­stel­len kann, will ich mir gar nicht ausdenken).

So, und jetzt kommt die wirklich gruselige Nachricht:

Raumfahrt mit relativistischer Geschwindigkeit erlaubt Dir zwar, in ein paar Jahren Deiner Eigenzeit ans andere Ende der Galaxis und wieder zurückzufliegen (die Rück­kehr ist aber öd, weil auf der Erde inzwischen hunderttausende Jahre ver­gan­gen sind). Aber selbst mit einem solchen futuristischen Antrieb, der die not­wen­di­ge Ge­schwin­dig­keit liefern kann, brauchst Du immer noch Treibstoffmengen in der Größen­ordnung einer Planetenmasse. Es scheint, als ob sich die ganze Natur ver­schwo­ren hat, interstellare Raumfahrt unmöglich zu machen.

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...ähn­liche Probleme wie mit dem Antimaterie-Antrieb, aber ohne die teure, ge­fähr­liche und schwer hand­hab­bare Anti­materie...

Und du meinst, ein Schwarzes Loch wäre einfacher kontrollierbar als AM?

Sag aber vorher Bescheid, falls du in meiner Nähe experimentierst...

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@nax11

Hast Du den Absatz, den Du zitiert hat, wirklich auch gelesen?

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@indiachinacook

Du meinst offenbar ein (hypothetisches) Mini-SL, aber auch das hat noch eine Masse und für ein Raketentriebwerk wäre das eine Masse, die ebenfalls bewegt werden muß.

Die Hawking-Strahlung erzeugt nämlich erstmal keinen Vortrieb, denn es handelt sich um eine isotrope Strahlung. Sie muß gespiegelt werden, damit sie in eine Vorzugsrichtung wirkt. Der Impuls wirkt dann auf den Spiegel, der fest mit der Rakete verbunden ist - und was ist mit dem Mini-SL?

Das kann man ja nicht einfach in "eine Kiste" packen. Wenn die Rakete den ersten Impuls bekommt, dann bewegt sie sich vorwärts, aber das Mini-SL verharrt durch seine Massenträgheit an der gleichen Stelle - die Rakete verliert ihre Energiequelle schon beim Start (und kurz danach "verdampft" das SL).

Anders als ein SL kann man Antimaterie immerhin in Fallen vom Kontakt mit Normalmaterie isolieren, also in einer Rakete mitnehmen - mit der aktuellen Technik wäre ich aber sehr skeptisch, wenn z.B. 1 kg AM mitgenommen werden soll...

PS: mit dem Zitat bezog ich mich auf "teure und gefährliche AM" - ich bin der Ansicht, daß die Erzeugung eines Mini-SL noch viel teurer und die Kontrolle einer solchen Antriebseinheit praktisch unmöglich wäre.

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46
@nax11

Ein schwarzes Loch, das ein paar Kilogramm Energie pro Sekunde abstrahlt, ist gar nicht so schwer, im Bereich von 1000 bis 10000en Tonnen, und hätte ungefüttert eine Lebens­dauer von Stunden. Das ist nicht völlig unhandhabbar. (Ich bin kein Experte, die Zahlen habe ich nach dem Lesen des Wikipedia-Artikels abgeschätzt und mich dabei hoffentlich nicht vertan). Und man muß es nur einmal herstellen und kann es danach mit billigen Steinen füttern.

Wie man das am Raumschiff befestigt, überlasse ich den Ingenieuren, ich bin ja Theoretiker.

Daß das praktisch nicht einfach ist, hatte ich ja auch geschrieben (da­für mit einem noch gefährlicheren und noch schwerer hand­hab­baren Schwarzen Loch, und wie und zu welchen Kosten man das her­stel­len kann, will ich mir gar nicht ausdenken).

Die Hawking-Strahlung ist genauso isotrop wie die Annihilationsstrahlung, da stellen sich also genau dieselben Probleme.

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Und was ist der Baryonenerhaltungssatz?

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@Godisdead

Sollte Hawking-Strahlung wirklich existieren, dann würde sie sowohl die Baryonen­erhaltung als auch die Leptonenerhaltung verletzen. Das folgt unmittelbar daraus, daß Schwarze Löcher keine Haare haben: Wenn Du ein Schwarzes Loch mit einem H-Atom fütterst und dann wartest, bis es diesen Massenzuwachs abgestrahlt hat, dann ist es gleich schwer wie zuvor, hat sich also nicht geändert. Das H-Atom ist aber verschwunden, und es ist nur noch Strahlung da, letztlich hast Du also ein H-Atom in Strahlung umgewandelt und Baryonen- und Leptonenerhaltung verletzt.

Das klingt jetzt dramatischer, als es ist: Viele GUTs machen das auch, solche Effekte werden seit den 70ern diskutiert (sind aber trotz aufwendiger Versuche nicht experimentell nachgewiesen). Bei Schwarzen Löchern führt das beschriebene Verhalten, wenn man weiter nachdenkt, zum berühmten Informationsparadox.

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46
@Godisdead

Vielleicht schoß meine vorherige Antwort daneben, und Du wolltest nur wissen, was Baryonenerhaltung bedeutet, nicht wie sie bei Deiner Fragestellung ist Spiel kommt.

Ein Baryon ist ein Teilchen wie ein Neutron oder Proton, und deren Antiteilchen sind Antibaryonen. Das Standardmodell sagt voraus, daß sich die Anzahl der Baryonen nie­mals ändert. Man kann also auch mit noch so viel Energie nie ein einzelnes Pro­ton oder Neutron erzeugen (oder vernichten), sondern immer nur Paare von Baryonen plus Anti­bary­onen. Ebenso gilt Leptonenerhaltung: Die beiden Leptonen (Elektron, Elektron­neutrino) können also ebenfalls nur in Paaren mit ihren Antileptonen entstehen oder verschwinden.

e⁺ + e⁻ ⟶ 2 γ

Dieser Prozeß ist erlaubt, weil Du links null Leptonen hast (ein Lepton und ein Anti­lepton, also insgesamt gar nicht) und links ebenfalls (γ-Quanten sind keine Leptonen).

Andererseits muß an diesen beiden Erhaltungssätzen eine Hintertür existieren, denn wo kommen sonst all die Baryonen und Leptonen her, die Galaxien, Sterne, Planeten und Meerschweinchen bilden? Antimaterie scheint es im Universum nirgendwo in größeren Mengen zu geben, also sind die Erhaltungssätze doch irgendwie zu umgehen. Verschiedene spekulative Theorien, die über das Standard­modell hinausgehen (GUT), erlauben solche Prozesse, aber experi­men­tell wurde so etwas nie beobachtet. Wenn Hawking-Strahlung real ist, dann verletzt sie eben­falls diese Gesetze.

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Nun das liegt daran das für den Herstellungsprozess eine winzig kleine Maschine mit mäßigem energie- und Platzbedarf benötigt wird. Ein sogenannter Teilchenbeschleuniger. Nicht wirklich groß und die Stromkosten sind mit einem Teleskop überschaubar. So so einen haben wir. Den LHC in Genf. Jetzt könnte man meinen "super lass uns Antimaterie bauen". Da gibt es nur ein klize kleines problem. Es ist derzeitig nur möglich ein Subatomares Teilchen nach dem anderen zu Produzieren. Und ich will ja nichts sagen aber ein Kg Materie besteht im durchschnitt aus sehr vielen Teilchen. Das würde nicht nur mehrere Billionen Jahre dauern zu produzieren, sondern auch mehr Energie kosten als die erde zur verfügung hat.

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Wie könnte man die Energie welche benötigt wird errechnen?

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@Godisdead

Es geht nicht wirklich um die Energie sondern viel mehr die Menge. Im moment feuert ein Teilchenbeschleuniger einmal (oder öfter, je nach Experiment) und dann ist ende im Gelände. Dann wird er umgebaut, Modifiziert und Repariert. Wenn man einen Teilchenbeschleuniger bauen könnte der mehrere Tausend oder Millionen mal pro Sekunde Feuern kann und das 24/7 dann wäre die Herstellung von ein paar Gramm Antimaterie realistisch. Die Energie muss von AKWs kommen und diese haben auch die Möglichkeit sowas am laufen zu halten. Zumindest mehrere AKWs.

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@ItsJesusSayAmen

ich weiß ja nicht was du mit "feuern" meinst, aber z.B. der LHC. läuft jahre ohne größere reperaturen oder Modifikationen.

ein run dauert etwa 15 stunden, und liefert einige hundert Millionen Kollisionen pro sekunde. dann wird nachgefüllt (dauert ein paar stunden) und dann geht's weiter. und das ohne gröbere Unterbrechungen (nur eine Winterpause gibt's jedes jahr).

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Man braucht sehr sehr viel Energie und teure Maschinen um Antimaterie herzustellen.

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