¿Las tres fuentes de energía más eficientes? ¿La superior solo requiere 1 gramo de energía para enviar un cohete a la luna?

En la actualidad, entre las tres fuentes de energía más eficientes, ¿la superior sólo requiere 1 gramo de energía para enviar un cohete a la luna?

1. Fisión nuclear

La fisión nuclear se refiere a la división de un núcleo atómico más pesado (normalmente un núcleo de uranio o un núcleo de plutonio) en dos o más átomos de menor masa. reacción nuclear. La fuente de energía para una bomba atómica o una central nuclear es la fisión nuclear. Entre ellas, la fisión del uranio es la más común en las centrales nucleares, y la energía liberada por la fisión del plutonio se utiliza generalmente como fuente de energía para las sondas espaciales, que funcionan con baterías de plutonio (baterías de energía nuclear), como la Voyager 1.

La fisión completa de 1 gramo de uranio-235 liberaría la misma energía que quemar aproximadamente 2 toneladas de carbón. La pérdida de masa durante la fisión nuclear es de aproximadamente 0,1 (mientras que la pérdida de masa durante la formación de moléculas de metano es sólo 0,000031), es decir, toda la masa perdida después de la fisión se convierte en energía, que se puede calcular según la ecuación masa-energía de Einstein. E=mc^2 La masa perdida corresponde a la cantidad de energía liberada.

2. Fusión nuclear

A día de hoy, todavía no hemos encontrado un método eficaz para conseguir una fusión nuclear controlable (la fusión nuclear incontrolable se utiliza en las bombas de hidrógeno, también llamadas armas termonucleares). Fusión nuclear, también conocida como reacción de fusión o reacción termonuclear. Se refiere a átomos con masas más pequeñas, principalmente deuterio. A temperaturas y presiones extremadamente altas (cientos de millones de grados), bajo temperaturas y presiones extremadamente altas, los electrones extranucleares escaparán de los grilletes del núcleo, permitiendo que los dos núcleos. para superar la fuerza de Coulomb (acercando dos núcleos entre sí hasta el rango de interacción fuerte) y luego chocan entre sí para generar un núcleo más pesado, como el helio. Durante el proceso de fusión nuclear se liberará una enorme energía y la pérdida de masa de la reacción de fusión nuclear es de aproximadamente 0,7.

Los científicos están trabajando intensamente para estudiar la fusión nuclear controlable, que está a punto de convertirse en la fuente de energía del futuro. Las materias primas necesarias para la fusión nuclear contenidas en el agua de mar son muy ricas. Hay un átomo de deuterio por cada 600 átomos de hidrógeno en el agua de mar. La cantidad total de deuterio en el agua de mar es de aproximadamente 40 billones de toneladas. completamente fundido. La energía liberada equivale a la energía liberada por 300 litros de gasolina con combustible completo. Según el consumo de energía actual en el mundo, la energía de fusión del deuterio en el agua de mar se puede utilizar durante decenas de miles de millones de años, lo que se puede decir que es inagotable.

3. Antimateria

Para hablar de antimateria, primero debemos entender el concepto de antipartículas. Dirac predijo teóricamente por primera vez la existencia de antipartículas;

En 1932, Carl Anderson descubrió la existencia de positrones;

En 1955, Chamberlain descubrió los antiprotones. Los antineutrones fueron descubiertos en 1956; . Ahora es prácticamente seguro que cada partícula básica tiene su correspondiente antipartícula. Las antipartículas correspondientes a los electrones son positrones, que tienen la misma masa y carga eléctrica, pero propiedades eléctricas opuestas; las antipartículas de protones son antiprotones, que tienen la misma masa y carga eléctrica, pero propiedades eléctricas opuestas...

Toda la materia que nos rodea es “materia ordinaria”, es decir, materia positiva, y su contraparte es la antimateria. La materia positiva está compuesta de electrones (cargados negativamente) y núcleos cargados positivamente; la antimateria está compuesta de positrones (cargados positivamente) y núcleos cargados negativamente (los antineutrones son magnéticamente opuestos a los neutrones, pero tienen las mismas propiedades). La razón por la cual el núcleo atómico de la antimateria está cargado negativamente es porque el "protón" que forma el núcleo atómico es un antiprotón (también llamado protón negativo), que tiene la propiedad eléctrica opuesta a la del protón.

La antimateria es el antiestado de la materia normal. En teoría, toda materia tiene su correspondiente antimateria (los científicos ya pueden crear antihidrógenos). Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilarán y anularán entre sí (es decir, toda la masa de materia y antimateria se convierte en energía). Según la ecuación masa-energía E = mc ^ 2, se puede ver que la aniquilación de un gramo de antimateria y liberación de un gramo de materia positiva. La energía es sorprendentemente alta (aproximadamente 1,8 10^14 julios, equivalente a 21.608 toneladas de TNT, y la bomba atómica lanzada sobre Hiroshima, Japón, fue sólo 15.000 toneladas de TNT equivalente). ).

Cuando se aniquila la antimateria, la masa-energía se convierte al 100%, que es la fuente de energía definitiva para la humanidad.

Sin embargo, el costo de producir antimateria es muy alto (se dice que el costo de producir un gramo de antimateria es aproximadamente 62,5 billones de dólares estadounidenses), y la antimateria es extremadamente difícil de preservar porque será absorbida por la materia normal circundante. Ahora bien, hablar de antimateria como fuente de energía es una fantasía.

Volviendo al tema, ¿puede la energía liberada por la aniquilación de 1 gramo de antimateria enviar un cohete a la luna? Tomemos como ejemplo el Saturn 5 estadounidense, el cohete más potente del mundo.

Saturno 5 todavía ostenta el récord mundial de mayor capacidad de carga de cohetes desde su primer vuelo en 1967. También es al mismo tiempo el segundo cohete más potente de Estados Unidos, el Saturn 1B, y el El cohete más poderoso de la Unión Soviética al mismo tiempo, el Proton-K, 7 veces la capacidad y 2 veces la capacidad del Falcon Heavy, el cohete más poderoso del siglo XXI (de Wikipedia). Al mismo tiempo, también es el vehículo de lanzamiento más pesado jamás utilizado en la historia de la humanidad. La altura total del cohete es de 110,6 metros, con un peso de despegue de 3.038.500 kg, un empuje total de 3.408.000 kg, en una órbita terrestre baja. capacidad de carga de 118.000 kg y una capacidad de carga en órbita lunar de 45.000 kg.

Entonces, ¿cuánto combustible consumió para lanzar el cohete de exploración lunar Saturn V? Desafortunadamente, no encontré ningún dato específico. Pero encontré los datos sobre la masa de cada etapa del cohete sin combustible y la masa con combustible lleno. La diferencia entre ellos es la masa del propulsor. Con base en las ecuaciones químicas y los valores del calor de combustión de las reacciones de diferentes tipos de combustible, la energía liberada por todos los combustibles para cohetes se puede calcular de manera aproximada (el proceso y el método de cálculo pueden no ser precisos y son solo de referencia).

El cohete Saturn V tiene una estructura de tres etapas.

La primera etapa tiene una masa de 131 toneladas sin combustible y una masa de 2300 toneladas con combustible lleno. La masa del propulsor obtenido por la diferencia es de 2169 toneladas. El propulsor es queroseno/oxígeno líquido. /p>

(Calculada a partir de la ecuación química de la combustión de queroseno, la masa de queroseno en el propulsor de la primera etapa es aproximadamente m1=560 toneladas. Este valor no es necesariamente exacto.)

La masa del propulsor de segunda etapa sin combustible es de 36 toneladas, la masa de combustible a plena carga es de 480 toneladas y la masa del propulsor es de 444 toneladas, y el propulsor es hidrógeno líquido/oxígeno líquido;

(Calculado). de la ecuación química de la combustión de hidrógeno, el propulsor de segunda etapa. La masa de hidrógeno líquido es aproximadamente m2 = 49,33 toneladas. Este valor se calcula basándose en la ecuación teórica de la reacción química de hidrógeno y oxígeno con una proporción de 2:1 y puede que no. sea ​​preciso.)

El tercer nivel, sin combustible, es de 10 toneladas, la masa total de combustible es de 128,8 toneladas, la masa del propulsor es de 118,8 toneladas y el propulsor es hidrógeno líquido/oxígeno líquido;

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(De manera similar, se calcula el hidrógeno líquido en el propulsor de la tercera etapa. La masa es aproximadamente m3 = 13,2 toneladas, este valor no es necesariamente exacto)

Nota: [No hay un valor fijo ecuación química del queroseno, aquí se reemplaza por la fórmula general: 2CmHn [(4m n)/2]O2=2mCO2 nH2O

Los diferentes tipos de queroseno tienen diferentes poderes caloríficos Aquí tomamos q1=4,6 10. ^7J/kg (la combustión completa de un kilogramo de queroseno libera 46.000.000 julios de energía).

Para el hidrógeno líquido, tome el poder calorífico del hidrógeno, tome q2=1.42 10^8J/kg, la ecuación química para la combustión del hidrógeno y el oxígeno es: 2H2 O2=2H2O]

Entonces, la energía liberada por la combustión de combustible (queroseno) en el cohete de primera etapa es E1 = m1 q1 = 560 10 ^ 3 4,6 10 ^ 7 = 2,58 10 ^ 13J.

La energía liberada por la combustión del combustible (hidrógeno líquido) en los cohetes de segunda y tercera etapa E23= (m2 m3) q2= (49,33 13,2) 10^3 1,42 10^8=8,8 10^12J .

La energía total liberada por toda la combustión E=E1 E23=2.58 10^13 8.8 10^12=3.46 10^13J

La energía total calculada E liberada por el combustible del cohete es introducido en la ecuación masa-energía E=mc^2, donde c es la velocidad de la luz (c=299792458m/s).

Calcule m=E/c^2=3,46 10^13/(3 10^8)^2=0,00038kg. Eso es 0,38 gramos. Por lo tanto, la energía generada por la aniquilación de sólo 0,19 gramos de antimateria y 0,19 gramos de materia positiva es teóricamente necesaria para enviar el Saturno V a la luna.

Si hay algo inapropiado en todos los cálculos mencionados anteriormente, perdóneme y corríjame a tiempo. Puede dejarme un mensaje en el área de comentarios y discutirlo juntos.