가장 효율적인 세 가지 에너지원은 달에 로켓을 보내는 데 1g의 에너지만 필요하다는 것입니다.

현재 가장 효율적인 에너지원 세 가지 중 상위에 있는 것이 달에 로켓을 보내는 데 1g의 에너지만 필요하다고?

1. 핵분열

핵분열은 더 무거운 원자핵(보통 우라늄 핵 또는 플루토늄 핵)이 더 작은 질량 형태의 두 개 이상의 원자로 분할되는 것을 말합니다. 핵반응. 원자폭탄이나 원자력 발전소의 에너지원은 핵분열이다. 그 중 우라늄 핵분열은 원자력 발전소에서 가장 흔히 발생하며, 플루토늄 핵분열에서 방출되는 에너지는 일반적으로 보이저 1호와 같은 플루토늄 배터리(원자력 배터리)를 동력으로 하는 우주 탐사선의 에너지원으로 사용됩니다.

우라늄-235 1g이 완전히 핵분열되면 약 2톤의 석탄을 태우는 것과 동일한 에너지가 방출됩니다. 핵분열의 질량 손실은 약 0.1입니다(메탄 분자 형성 중 질량 손실은 0.000031에 불과합니다). 즉, 핵분열 후 손실된 모든 질량은 에너지로 변환되며 이는 아인슈타인의 질량-에너지 방정식에 따라 계산할 수 있습니다. E=mc^2 손실된 질량은 방출된 에너지의 양에 해당합니다.

2. 핵융합

오늘날 우리는 여전히 제어 가능한 핵융합을 달성할 수 있는 효과적인 방법을 찾지 못했습니다(제어할 수 없는 핵융합은 열핵무기라고도 불리는 수소폭탄에 사용됩니다). 핵융합은 융합반응 또는 열핵반응이라고도 알려져 있습니다. 초고온, 고압(수억도), 극도로 높은 온도와 압력 하에서 질량이 작은 원자, 주로 중수소를 말하며, 핵외 전자가 핵의 족쇄에서 빠져나와 두 개의 핵이 분리될 수 있게 됩니다. 쿨롱 힘(두 개의 핵을 강한 상호 작용 범위까지 서로 가깝게 가져옴)을 극복한 다음 서로 충돌하여 헬륨과 같은 더 무거운 핵을 생성합니다. 핵융합 과정에서는 막대한 에너지가 방출되며, 핵융합 반응의 질량 손실은 약 0.7입니다.

미래 에너지원이 될 제어 가능한 핵융합 연구에 과학자들이 힘쓰고 있다. 바닷물에 포함된 핵융합에 필요한 원자재는 매우 풍부합니다. 바닷물에는 수소 원자 600개당 중수소 원자 1개가 들어 있습니다. 바닷물에 들어 있는 중수소의 총량은 약 40조 톤에 달합니다. 완전히 융합되면 방출되는 에너지는 완전 연료를 사용하는 휘발유 300리터에서 방출되는 에너지와 같습니다. 현재 세계의 에너지 소비량으로 볼 때 바닷물 속 중수소의 융합 에너지는 수백억년 동안 사용할 수 있어 무궁무진하다고 할 수 있다.

3. 반물질

반물질에 대해 이야기하려면 먼저 반입자의 개념을 이해해야 합니다. 디랙은 이론적으로 처음으로 반입자의 존재를 예측했습니다.

1932년 칼 앤더슨은 양전자의 존재를 발견했습니다.

1955년 체임벌린은 반양성자를 발견했습니다. 1956년에 발견되었습니다. . 이제 모든 기본 입자에는 상응하는 반입자가 있다는 것이 기본적으로 확실해졌습니다. 전자에 해당하는 반입자는 질량과 전하가 동일하지만 전기적 특성이 반대인 양전자입니다. 양성자의 반입자는 질량과 전하가 동일하지만 전기적 특성이 반대인 반양성자입니다.

우리 주변의 모든 물질은 "보통 물질", 즉 양성 물질이고 그 반대 물질은 반물질입니다. 양성 물질은 전자(음전하)와 양전하 핵으로 구성됩니다. 반물질은 양전자(양전하)와 음전하 핵(반중성자는 중성자와 자기적으로 반대이지만 다른 특성은 동일함)으로 구성됩니다. 반물질의 원자핵이 음전하를 띠는 이유는 원자핵을 구성하는 '양성자'가 양성자와 반대되는 전기적 성질을 갖는 반양성자(음성양성자라고도 함)이기 때문이다.

반물질은 일반 물질의 반(反)상태입니다. 이론적으로 모든 물질에는 상응하는 반물질이 있습니다(과학자들은 이미 반수소를 만들 수 있습니다). 물질과 반물질이 만나면 서로 소멸하고 상쇄됩니다(즉, 물질과 반물질의 모든 질량이 에너지로 변환됨). 질량-에너지 방정식 E=mc^2에 따르면 반물질 1그램이 소멸되고 양성물질 1그램이 방출된다. 그 에너지는 놀라울 정도로 높다(약 1.810^14줄, TNT 21,608톤에 해당), 일본 히로시마에 투하된 원자폭탄은 TNT 환산 15,000톤에 불과하다. ).

반물질이 소멸되면 질량-에너지 전환율이 100%가 되는데, 이는 인류의 궁극적인 에너지원이다.

그러나 반물질을 생산하는 데 드는 비용은 매우 높으며(반물질 1g을 생산하는 데 드는 비용은 약 62조 5000억 달러에 달한다고 합니다), 반물질은 주변의 일반 물질에 흡수되기 때문에 보존하기가 극히 어렵습니다. 이제 반물질을 에너지원으로 논의하는 것은 환상입니다.

다시 본론으로 돌아가서, 반물질 1g이 소멸될 때 방출되는 에너지로 달에 로켓을 보낼 수 있을까요? 세계에서 가장 강력한 로켓인 미국 새턴 5호를 예로 들어보자.

새턴 5호는 1967년 첫 비행 이후 여전히 최대 로켓 운반 능력에 대한 세계 기록을 보유하고 있다. 동시에 미국에서 두 번째로 강력한 로켓이기도 한 새턴 1B와 동시에 소련에서 가장 강력한 로켓인 프로톤-K(Proton-K)는 21세기 가장 강력한 로켓인 팔콘 헤비(Falcon Heavy)보다 용량이 7배, 용량이 2배 더 큽니다(출처: Wikipedia). 동시에 인류 역사상 사용된 발사체 중 가장 무거운 발사체이기도 하다. 로켓의 전체 높이는 110.6m, 이륙 중량은 3,038,500kg, 총 추력은 3,408,000kg, 저궤도이다. 운반 능력은 118,000kg, 달 궤도 운반 능력은 45,000kg입니다.

그렇다면 새턴V 달탐사로켓 발사에는 얼마나 많은 연료가 소모됐을까? 아쉽게도 구체적인 자료는 찾지 못했습니다. 그런데 연료를 넣지 않은 로켓과 연료를 넣은 로켓의 각 단의 질량에 대한 데이터를 찾았습니다. 그 차이는 추진제의 질량입니다. 다양한 연료 유형의 반응에 대한 화학 반응식과 연소 열량을 기반으로 모든 로켓 연료에서 방출되는 에너지를 대략적으로 계산할 수 있습니다(계산 과정과 방법은 정확하지 않을 수 있으며 참고용일 뿐입니다).

새턴V 로켓은 3단 구조로 되어 있다.

1단은 연료를 넣지 않았을 때 질량이 131톤이고, 연료를 가득 채웠을 때의 질량은 2300톤이다. 그 차이로 얻은 추진체의 질량은 2169톤이다. /p>

(등유 연소의 화학반응식으로 계산하면 1단계 추진제에 포함된 등유의 질량은 약 m1=560톤입니다. 이 값이 반드시 정확하지는 않습니다.)

질량은 연료를 사용하지 않는 2단계 추진제는 36톤, 완전부하 연료 질량은 480톤, 추진제 질량은 444톤이며, 추진제는 액체수소/액체산소이다.

2단계 추진제인 수소 연소의 화학반응식에서 액체수소의 질량은 약 m2 = 49.33톤이다. 이 값은 수소와 산소의 비율이 2:1인 이론적인 화학반응식을 바탕으로 계산한 것으로, 그렇지 않을 수도 있다. 정확합니다.)

연료를 제외한 세 번째 수준은 10톤, 전체 연료 질량은 128.8톤, 추진제 질량은 118.8톤, 추진제는 액체 수소/액체 산소입니다.

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(마찬가지로 계산하면 3단계 추진제의 액체수소가 계산됩니다. 질량은 약 m3=13.2톤으로 이 값이 반드시 정확하지는 않습니다.)

참고: [고정된 값은 없습니다. 등유의 화학 방정식은 다음과 같은 일반 공식으로 대체됩니다: 2CmHn [(4m n)/2]O2=2mCO2 nH2O

등유의 종류에 따라 발열량이 다릅니다. 여기서는 q1=4.6 10 을 사용합니다. ^7J/kg(등유 1kg을 완전 연소하면 46,000,000줄의 에너지가 방출됩니다).

액체 수소의 경우, 수소의 발열량을 취하고 q2=1.42 10^8J/kg을 취합니다. 수소와 산소의 연소에 대한 화학 반응식은 다음과 같습니다: 2H2 O2=2H2O]

그러면 1단 로켓에서 연료(등유)가 연소되면서 방출되는 에너지는 E1=m1 q1=560 10^3 4.6 10^7=2.58 10^13J 입니다.

2단 및 3단 로켓에서 연료(액체수소)의 연소로 방출되는 에너지 E23= (m2 m3) q2= (49.33 13.2) 10^3 1.42 10^8=8.8 10^12J .

모든 연소에 의해 방출되는 총 에너지 E=E1 E23=2.58 10^13 8.8 10^12=3.46 10^13J

로켓 연료에 의해 방출되는 계산된 총 에너지 E는 다음과 같습니다. 질량-에너지 방정식 E=mc^2에 적용됩니다. 여기서 c는 빛의 속도(c=299792458m/s)입니다.

m=E/c^2=3.46 10^13/(3 10^8)^2=0.00038kg을 계산하세요. 0.38g입니다. 따라서 토성V를 달에 보내는 데는 이론적으로 단 0.19g의 반물질과 0.19g의 양성물질이 소멸되어 생성되는 에너지가 필요하다.

위에서 언급한 모든 계산에서 부적절한 부분이 있다면 양해해 주시고 시간 내에 댓글로 메시지를 남겨주시면 함께 논의해 보겠습니다.