DOW-UAP-D123: הנעה בפוזיטרונים ליישומי תעופה וחלל - ממזל"ט שמקיף את העולם ועד ספינה מאוישת למאדים

קובץ: DOW-UAP-D123_AAWSAP-DIRD-Positron-Aerospace-Propulsion-March-2-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), המשרד להתרעה ביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSAP סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD), סדרת "Acquisition Threat Support"; מספר בקרה DIA-08-1003-002 תאריך: 2 במרץ 2010 (מועד סגירת המידע, ICOD: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY (הסימון FOUO מחוק בקו בכל העמודים; שוחרר לציבור ב-2026) מספר עמודים: 35 VIRIN: 260918-D-D0360-1112 שחרור PURSUE: 6

תקציר

זהו אחד ממסמכי ה-DIRD שהופקו בתוכנית AAWSAP (בכמה ממסמכי התוכנית היא מכונה "AAWSA Program"), והנושא שלו הוא אנטי-חומר, ובמדויק יותר פוזיטרונים: החלקיקים האנטי-חומריים של האלקטרון. המסמך כולל 30 עמודים ממוספרים ועוד עמודי פתיחה, 22 איורים ו-6 טבלאות. הוא הוכן בידי מחלקת תמיכת הרכש (Acquisition Support Division, DWO-3) של המשרד להתרעה ביטחונית, באגף לניתוח של ה-DIA, ושם המחבר מושחר ומופיע כ-AAP Person 69.

כבר במבוא המסמך מגדיר את עצמו בצורה חריגה: המחקרים עליו הוא נשען מומנו בידי מעבדת המחקר של חיל האוויר (AFRL) בבסיס חיל האוויר אגלין ובידי מכון נאס"א למושגים מתקדמים (NIAC), והמסמך הוא "אנתולוגיה של אותה עבודה ולא סקירה כללית של הנעה באנטי-חומר". כמעט כל האיורים מיוחסים לחברה פרטית אחת, Positronics Research LLC, והמחבר מדווח על "המדידות שלנו" ועל "ניסויים קנייניים" של אותה חברה. כלומר, זוהי סינתזה של קו מחקר אחד בידי מי שמעורב בו, ולא הערכה עצמאית.

המסמך עובר מהפיזיקה של אנטי-חומר, דרך מנועים נושמי אוויר, רקטות ומקורות כוח, אל משימה מאוישת למאדים, ומסיים בשלוש הבעיות המכריעות: ייצור, עלות ואחסון. הוא אינו מזכיר עב"מים, תופעות אוויריות בלתי מזוהות או טכנולוגיה זרה, ואין בו כל התייחסות לאיום מודיעיני מסוים.

מאמר מחקר

המסמך ומקומו בתוכנית

עמוד השער נושא את הכותרת "Defense Intelligence Reference Document" ואת תת-הכותרת "Acquisition Threat Support", את התאריך 2 במרץ 2010, את מועד סגירת המידע 1 בדצמבר 2009 ואת מספר הבקרה DIA-08-1003-002 (עמוד 1). בעמוד 2 מופיעה הערה מנהלית: המסמך הוא "אחד בסדרה של דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2009" בתוכנית AAWSA של המשרד להתרעה ביטחונית, ושאלות יש להפנות אל AAP Person 1, מנהל תוכנית AAWSA, בכתובת DIA בוושינגטון. באותו עמוד מופיעה גם אזהרת זכויות יוצרים על התצלומים.

מבין 12 התחומים הטכניים שהוגדרו במסמך יעדי התוכנית (DOW-UAP-D110), המסמך משרת בעיקר את תחום ההנעה (propulsion) ואת תחום ייצור הכוח (power generation), שכן הוא מקדיש פרק למקורות חשמל על הסיפון. פסקה אחת נוגעת גם בתחום החימוש (armament): הצעה להשתמש במיקרוגרמים של פוזיטרונים כתחמושת פולס אלקטרומגנטי (EMP) שתשבית אלקטרוניקה של טילים או מטוסים ממרחק של עד מאות מטרים (עמוד 13).

הטיעון הפיזיקלי: 180 מגה-ג'ול למיקרוגרם

הבסיס של המסמך הוא פיזיקה מבוססת. הפוזיטרון נובא בידי דיראק ב-1929 ונתגלה בידי אנדרסון ב-1932, וכשהוא פוגש אלקטרון הם מתאיינים (annihilation) וכל מסתם הופכת לקרינה, לפי E = mc². האנרגיה הסגולית, לפי המסמך, היא 180 MJ למיקרוגרם, "10 סדרי גודל" יותר מאנרגיה כימית (איור 1, עמוד 6). בנוכחות חומר נקשר הפוזיטרון לאלקטרון ויוצר אטום קצר חיים בשם פוזיטרוניום (Ps), שאורך חייו בוואקום הוא 125 פיקו-שניות או 142 ננו-שניות, לפי כיוון הספינים, והוא מתפרק לקרני גמא של 511 keV.

מכאן גוזר המחבר שלושה יתרונות על פני ביקוע ועל פני אנטי-פרוטונים: התגובה מהירה וניתנת לוויסות (throttling), קרני הגמא בעלות האנרגיה הנמוכה אינן יוצרות רדיואקטיביות שיורית בחומרים שמסביב, וקל להמיר אותן לחום. שני המכשולים מוצגים כבר בעמוד 7: עד כה לא ניתן היה לייצר פוזיטרונים במספרים הדרושים, ושיטות האחסון הקיימות "אינן מחזיקות מספיק פוזיטרונים לאורך זמן מספיק". ראוי לדייק: הטענה ש"אין בעיות קרינה" מתייחסת להיעדר רדיואקטיביות מושרית, ולא להיעדר קרינה. המסמך עצמו מחשב שנדרש מגן עופרת בעובי 13 ס"מ, שמחליש את שטף הגמא בגורם של 8.3x10⁻¹¹, כדי שאדם במרחק 10 מטרים ממקור של 100 מיליגרם יספוג 2 רם, בתוך המכסה השנתית לעובדי קרינה בארצות הברית (עמוד 16).

מנועים נושמי אוויר: מזל"ט, טיל ו-SSRV

המסמך מציג תחילה את הרקע ההיסטורי: תוכנית ההנעה הגרעינית למטוסים של חיל האוויר (1946 עד 1951), תוכנית ANP המשותפת שבוטלה ב-1961 בלי אב-טיפוס, וטיל הראם הגרעיני SLAM של תוכנית Pluto, שמנועיו Tory-IIA ו-Tory-IIC נוסו באתר הניסויים בנבדה והתוכנית בוטלה ב-1964 (עמודים 7 עד 8). התחליף המוצע הוא מנוע טורבו-סילון/ראם פוזיטרוני (PTRE), שבו קרני הגמא מחממות קליפות טונגסטן, והן מעבירות את החום לאוויר בהסעה.

שלושה יישומים נבחנים. הראשון הוא מזל"ט במשקל 60 ק"ג, ביחס עילוי לגרר של ארבע, שיוכל להקיף את כדור הארץ על 150 מיקרוגרם פוזיטרונים, בדגם שמבוסס על מנוע הטורבו-סילון של LOCAAS ב-AFRL (איור 6, עמוד 10). בעקבותיו מופיעה רשימה ארוכה של שימושים "דו-שימושיים", ממודיעין ואיסוף ומסיור חופים ועד מעקב אחר קרחונים בנתיבי שיט, ניטור בעלי חיים וטיסות נוסעים ללא עצירה סביב העולם (עמודים 11 עד 12). השני הוא טיל בסיוע ראם: טווח ה-BOMARC, 440 ק"מ, יכול לגדול ל-2,000 ק"מ עם מיליגרם אחד של פוזיטרונים (עמוד 13).

השלישי הוא כלי רב-פעמי חד-שלבי (SSRV). טבלאות 1 ו-2 משוות שני כלים בעלי מסה יבשה זהה של 60,500 ק"ג ומטען של 11,340 ק"ג: לכלי הכימי נדרשים 368,300 ק"ג דלק ומשקל ההמראה הכולל (GLOW) שלו הוא 451,540 ק"ג, ואילו לכלי הפוזיטרוני נדרשים 176,000 ק"ג בלבד ומשקל ההמראה שלו 259,240 ק"ג, כלומר קטן ב-43 אחוזים (עמוד 14). פרופיל הטיסה (איור 9): המראה אופקית מבסיס חיל האוויר אדוארדס, האצה למאך 1.8 כטורבו-סילון, מעבר למצב ראם, והצתת רקטה במאך 8 עד למסלול לווייני נמוך (LEO). טבלה 3 מסכמת את התקציב: 2.5 מ"ג להמראה, 76.5 מ"ג לשלב הראם ו-7.9 מ"ג מרווח, סך הכול 86.9 מיליגרם (עמוד 15).

שלוש רקטות ומקור כוח על הסיפון

המסמך בוחן שלוש תצורות רקטה (עמודים 16 עד 22). ברקטת הליבה המוצקה (solid-core), הדומה לרקטה הגרעינית-תרמית NERVA, פוזיטרוניום מוזרק למטריצת טונגסטן שמחממת מימן. ניתוח תרמי מנבא דחף סגולי (Isp) של 920 שניות בטמפרטורת תא של 3,000 קלווין; זמני הבערה לטיסה למאדים הם כ-30 דקות, וחללית עם שלושה מנועים של 72 קילו-ניוטון תצרוך 6 עד 9 מיליגרם למשימה. טבלה 4 משווה בגילוי לב: מערכת הביקוע "הודגמה" בתוכנית NERVA/Rover, ואילו המערכת הפוזיטרונית היא "מושגית" ו"חייבת להדגים אחסון פוזיטרונים והזרקה מבוקרת".

ברקטת הליבה הגזית (gas-core) קרני הגמא מחממות את הנוזל ישירות. חישובי דינמיקת זורמים הראו שמעל 300 מגה-וואט האזורים הצפופים של הנוזל מתרחקים ממקור הגמא ותצורת המערבולת קורסת, אך שתי תצורות נותרו מבטיחות. התחזית: דחף של 130 קילו-ניוטון ביעילות של 85 אחוזים, 25 מיליגרם עבור מסה של 50,000 ק"ג, ותקרת Isp של כ-2,500 שניות, בסף היינון של המימן.

התצורה השלישית היא גרסה משופרת של "רקטת הפוטונים" שהציע המהנדס הגרמני אויגן זנגר (Eugen Sänger) ב-1953. המסמך מודה ש"אין חומרים שמחזירים קרני גמא בזוויות גדולות", ולכן המראה מוחלפת בלוח לחץ מצופה בחומר שנשחק (ablation) מסיליקון קרביד, ומעטפת עופרת מסיטה את אורך הגל של הגמא מ-511 keV לטווח של 1 עד 10 keV ביעילות של 85 אחוזים. התוצאה: Isp של 1,200 עד 3,000 שניות, דחף של 40 עד 145 קילו-ניוטון, ו-15 עד 40 מיליגרם לטיסה חד-כיוונית למאדים. טבלה 5 מסכמת את שלוש התצורות לשינוי מהירות (ΔV) של 3.7 ק"מ לשנייה. לצידן מתוארת מערכת כוח במחזור בריטון (Brayton) של 100 קילו-וואט, ביעילות של 25 עד 30 אחוזים ובצריכה של 7 מיקרוגרם לשעה, וגנרטור סטירלינג של 110 וואט המבוסס על מחולל רדיואיזוטופי של מרכז המחקר גלן של נאס"א (עמוד 23).

משימה מאוישת למאדים

פרק המאדים (עמודים 24 עד 27) נשען על משימת הייחוס של צוות חקר המאדים של נאס"א מ-1997 עד 1998 ומאמץ ממנה את עיקרי התכנון: כמה מטענים במקום כלי אחד, מטען לא מאויש במסלול העברה איטי, וטיסה מאוישת מהירה של פחות מ-180 יום, שלפי המסמך אינה מחייבת כבידה מלאכותית. חלונות השיגור נקבעים כל 778 יום. איור 16 מציג טיסת מטען ב-2029, נחתת מאוישת ב-2031, חזרה ב-2033 ונחתת נוספת ב-2035 במידת הצורך. בכל חלון משוגרים שני מטענים של 45,000 ק"ג ברקטה בסדר הגודל של Saturn V, ומורכבים במסלול נמוך.

בגרסה השאפתנית ביותר, צוות של חמישה או שישה אסטרונאוטים טס למאדים ב-SSRV הפוזיטרוני עצמו. המסקנות טוענות שכלי כזה יוכל להמריא אופקית, להגיע למאדים לשנה של מחקר ולנחות חזרה אופקית "ללא תדלוק", אף שתיאור הארכיטקטורה בעמוד 26 מציין תדלוק בתחנת החלל שבמסלול כדור הארץ. יש גם אי-התאמה קטנה בלוח הזמנים: הטקסט אומר שהצוות מגיע למאדים בסוף 2033, ואילו כיתוב איור 16 מייחס ל-2033 את החזרה לכדור הארץ.

ייצור, עלות ואחסון: צוואר הבקבוק

כאן המסמך מתמודד עם השאלה המכרעת. מקורות פוזיטרונים רדיואקטיביים מוגבלים לכ-10⁶ פוזיטרונים איטיים בשנייה, מאיצי אלקטרונים מגיעים ל-10¹⁰, וכורים לכ-10¹¹. ההצעות לעתיד כוללות מאיץ בטטרון של מעבדת המחקר של הצי (10¹⁶ בשנייה, הצעה מ-1996), מקורות מבוססי לייזר פמטו-שנייה, ומקור מבוסס אונדולטור של מאיץ ה-ILC (10¹⁴ עד 10¹⁶ בשנייה). בהנחה שיושגו 10¹⁶ בשנייה בתוך עשר שנים, 150 מיקרוגרם יוכלו להיות מיוצרים בשישה חודשים (עמודים 27 עד 28).

לפי טבלה 6, פוזיטרונים זולים מאנטי-פרוטונים פי 1,000 עד 100,000 לכל ג'ול, והמחיר הצפוי הוא 720 אלף דולר למיקרוגרם: גרם אחד יעלה 0.72 טריליון דולר, "5 אחוזים מהתוצר המקומי הגולמי של ארה"ב ב-2008". למען ההשוואה, מחקר של נאס"א משנת 2000 העריך אנטי-פרוטונים ב-64 טריליון דולר לגרם. בנתוני הטיסה סביב העולם יש סתירה פנימית: בפרק העלויות היא מתומחרת ב-96 מיליון דולר (עמוד 29), ובמסקנות ב-69 מיליון דולר (עמוד 32); בנוסף, הטקסט מפנה ל"טבלה 5" כשנתוני העלות מופיעים בטבלה 6.

האחסון הוא הבעיה הקשה ביותר, והמסמך מציג אותה ביושר. במלכודת פנינג (Penning trap) הוחזקו 10⁹ פוזיטרונים למשך שעה; לפי גבול בריואן (Brillouin), בשדה של טסלה אחד אפשר להחזיק בכדור ברדיוס 10 ס"מ לכל היותר 4x10¹⁶ פוזיטרונים, כ-40 פיקוגרם. המסקנה היא שגבול האחסון הוא "עשרות פיקוגרמים", פער של 7 עד 8 סדרי גודל מ-100 מיקרוגרם, הסף שבו השימושים המעשיים מתחילים (עמודים 29 עד 30). החלופה המוצעת היא אחסון אטומי פוזיטרוניום נייטרליים בחומר נקבובי כמו איירוג'ל סיליקה (silica aerogel), בשדות חשמליים ומגנטיים מוצלבים שמרחיקים את האלקטרון מהפוזיטרון. לפי משוואה 2, בחללים של 20 ננומטר צפוי אורך חיים של 82.5 ננו-שניות, ו-1.2 מיקרו-שניות אם מדכאים את ההתאיינות העצמית; בניסויים קנייניים נמדדו עד 10 מיקרו-שניות, ובחללים של 1,000 ננומטר צפויות 61 אלפיות השנייה. להנעה נדרשים, לדברי המסמך, "חודשים ושנים"; בין 10 מיקרו-שניות לחודש אחד יש פער של יותר מעשרה סדרי גודל.

משמעות

המסמך ממחיש את קצה הספקטרום של ספריית ה-DIRD של AAWSAP: מושג שנשען על פיזיקה מוכחת לגמרי, התאיינות של חומר ואנטי-חומר, אך עומד מול פערים הנדסיים של סדרי גודל רבים. כאשר המסמך עצמו מראה שהמלכודות הטובות ביותר מחזיקות עשרות פיקוגרמים, בעוד שהמזל"ט הצנוע ביותר דורש 150 מיקרוגרם והמשימה למאדים דורשת עד 100 מיליגרם, ברור מדוע התקציר הרשמי מגדיר את ההנעה בפוזיטרונים "ספקולטיבית מאוד".

ראוי לציין גם את נימתו של המסמך. הוא כתוב כטקסט של תומך נלהב: המחבר מקווה שהמאמר "יעזור להפיץ את הבשורה הטובה" על ירידת מחיר האנטי-חומר, ומסיים בקביעה שאורך חיים ארוך הוא "רק עניין של הנדסה". הוא חוזה טיסה ראשונה סביב העולם בתוך עשר שנים, "כ-90 שנה אחרי" טיסת Spirit of St. Louis של לינדברג ב-1927; עד מועד פרסום המסמך ב-2026 לא הודגמה בפומבי טיסה כזו.

לבסוף, מבחינת הקשר לתופעות בלתי מזוהות: אין בו דבר. המסמך אינו עוסק בעב"מים, אינו מנתח תצפיות ואינו מייחס יכולות כלשהן לגורם זר. ערכו לארכיון הוא בכך שהוא מראה איזה ידע בסיסי ביקשה התוכנית לאסוף על טכנולוגיות הנעה עתידיות, ועד כמה המקורות שעליהם נשענה היו לעתים קרובים לתומכי הרעיונות עצמם.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"Antimatter is considered an extremely attractive fuel for aerospace propulsion because of its enormous advantage in energy density over all other known sources of energy. However, because antimatter does not occur naturally and is unstable in the presence of matter, no vehicles have ever flown using it." (אנטי-חומר נחשב לדלק אטרקטיבי במיוחד להנעה אווירית-חללית בזכות יתרונו העצום בצפיפות האנרגיה על פני כל מקורות האנרגיה הידועים האחרים. עם זאת, מאחר שאנטי-חומר אינו מופיע בטבע ואינו יציב בנוכחות חומר, שום כלי לא טס מעולם באמצעותו.) -- עמוד 5

"This paper is an anthology of that work and not a general review of antimatter propulsion." (מאמר זה הוא אנתולוגיה של אותה עבודה ולא סקירה כללית של הנעה באנטי-חומר.) -- עמוד 5

"In addition, positrons could act as ordnance to destroy electronics on missiles or aircraft by electromagnetic pulse (EMP) by detonation of micrograms of positrons up to hundreds of meters from the target." (בנוסף, פוזיטרונים יכולים לשמש תחמושת להשמדת אלקטרוניקה בטילים או במטוסים באמצעות פולס אלקטרומגנטי, על ידי פיצוץ של מיקרוגרמים של פוזיטרונים במרחק של עד מאות מטרים מהמטרה.) -- עמוד 13

"The GLOW of the positron SSRV is 43 percent less than that of the chemical SSRV owing to reduced propellant mass." (משקל ההמראה הכולל של ה-SSRV הפוזיטרוני קטן ב-43 אחוזים מזה של ה-SSRV הכימי, בזכות מסת הדלק המופחתת.) -- עמוד 14

"Hence, the cost of 1 gram is $0.72T, or 5 percent of the 2008 U.S. gross domestic product (GDP)." (לפיכך, עלותו של גרם אחד היא 0.72 טריליון דולר, או 5 אחוזים מהתוצר המקומי הגולמי של ארה"ב ב-2008.) -- עמוד 28

"Therefore, by either space charge or magnetic energy considerations, the storage limit is tens of picograms, 7-8 orders of magnitude short of 100 micrograms, where practical uses of positrons begin to emerge, as illustrated earlier." (לכן, בין משיקולי מטען מרחבי ובין משיקולי אנרגיה מגנטית, גבול האחסון הוא עשרות פיקוגרמים, 7 עד 8 סדרי גודל פחות מ-100 מיקרוגרם, הסף שבו מתחילים להופיע שימושים מעשיים בפוזיטרונים, כפי שהודגם קודם.) -- עמודים 29-30

"With the issue of stabilization in crossed fields now settled, very long lifetimes are but a matter of engineering!" (כעת, כשסוגיית הייצוב בשדות מוצלבים הוכרעה, אורכי חיים ארוכים מאוד הם רק עניין של הנדסה!) -- עמוד 33