反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案主要有四種，在這里按照比沖量從低到高列出:

1) 固體核心:湮滅在一個(gè)固體核心的熱交換裝置內(nèi)進(jìn)行，產(chǎn)生的熱量將氫推進(jìn)劑加到高熱，然后從噴口噴出，效率和推力都比較高，但由于原材料的原因，比沖量最多只能達(dá)到1,000秒;

2) 氣體核心:讓反物質(zhì)同氫推進(jìn)劑直接反應(yīng)湮滅，產(chǎn)生的帶電介子以磁場(chǎng)控制并將氫推進(jìn)劑加到高熱，但這樣會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)法控制的γ射線，比沖量能達(dá)到2,500秒;

3) 離子漿核心:以比較多的反物質(zhì)注入氫推進(jìn)劑并湮滅產(chǎn)生高熱的離子漿，并以磁場(chǎng)來(lái)容納它們，然后將離子漿噴出產(chǎn)生推力，這樣同樣會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)法控制的γ射線，但這種方式不受原材料的限制，比沖量可以很高，大約在5,000秒到10萬(wàn)秒之間;

4) 粒子束核心(Beam Core):直接一對(duì)一地湮滅，然后以磁場(chǎng)控制帶電介子并把它們直接從噴口噴射出去，由于這些介子的運(yùn)動(dòng)速度接近光速，發(fā)動(dòng)機(jī)比沖量可能要超過(guò)1千萬(wàn)秒。因?yàn)殇螠绠a(chǎn)生的帶電介子在衰變后變成半衰期更長(zhǎng)的帶電μ介子，所以這個(gè)辦法完全可行。而且這個(gè)方式只需要反物質(zhì)燃料，不需要推進(jìn)劑，可以極大地減少飛船的負(fù)載。

由于湮滅的產(chǎn)物是以接近光速運(yùn)動(dòng)的，所以飛船必須造得很長(zhǎng):

預(yù)計(jì)使用粒子束核心反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛船從地球飛到火星只需要24個(gè)小時(shí)到2個(gè)星期(取決于地球和火星在公轉(zhuǎn)中的相對(duì)位置)，而要讓目前的使用化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，則需要1到2年。

我們回到制造和儲(chǔ)存反物質(zhì)的問(wèn)題上，如果使用粒子束核心反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的話，需要幾毫克反物質(zhì)來(lái)在太陽(yáng)系內(nèi)旅行，如果要去比鄰星的話則需要幾公斤，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們的制造能力。但在存放方面我們倒取得不少進(jìn)展，美國(guó)宇航局和賓州州立大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)能用彭寧離子阱來(lái)存放10^10個(gè)反質(zhì)子一個(gè)星期，下一階段是進(jìn)展到10^12個(gè)，可要滿足反物質(zhì)推進(jìn)的需要，估計(jì)需要存放10^20個(gè)反質(zhì)子。

不過(guò)，科技進(jìn)步的路子從來(lái)都不只一條，如果我們一時(shí)不能在制造和儲(chǔ)存方面取得進(jìn)展的話，也可以想辦法減少反物質(zhì)燃料的使用量。這種方式就是將反物質(zhì)的湮滅和核反應(yīng)結(jié)合，我前面介紹星際沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候，在結(jié)尾也提到了這種方式。

這種方式可以相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，由于反物質(zhì)昂貴而且難以儲(chǔ)存，所以少用反物質(zhì)，多用核燃料;而由于核反應(yīng)，尤其是進(jìn)行熱核反應(yīng)的要求條件太高，所以用能夠自然發(fā)生的反物質(zhì)湮滅來(lái)觸發(fā)核反應(yīng)。這種結(jié)合的方式雖然比純粹的反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率小，但畢竟更接近實(shí)際，從而容易實(shí)現(xiàn)。

需要注意的是，下面介紹的方法是不能用來(lái)發(fā)電的，因?yàn)檩斎氲碾娏窟h(yuǎn)大于輸出的電量。但在宇航方面關(guān)心的是推力，而不是輸入輸出能量的經(jīng)濟(jì)性，所以不要緊。

1) ICAN-II

ICAN-II(ion compressed antimatter nuclear II)是由賓州州立大學(xué)的反物質(zhì)太空推進(jìn)小組(Antimatter Space Propulsion team)設(shè)計(jì)的，這種方式使用了反物質(zhì)和核裂變的結(jié)合，用反物質(zhì)來(lái)引發(fā)裂變。方法是讓反質(zhì)子撞擊裂變物質(zhì)的原子核，并同原子核里面的質(zhì)子湮滅，產(chǎn)生的能量將使原子核分裂，其最終產(chǎn)生的能量要比普通的核裂變要大，估計(jì)去火星旅行一番需要140毫微克(1毫微克等于10億分之1克)的反物質(zhì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于粒子束核心反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的消耗量。

2) AIM之星

AIM是反質(zhì)子觸發(fā)微裂變/聚變的縮寫(xiě)(Antiproton Initiated Microfission/fusion)，按照賓州州立大學(xué)的設(shè)想，如果有了比ICAN-II中能得到的稍微多一點(diǎn)的反物質(zhì)，就可以朝粒子束核心反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的方向前進(jìn)一步，用反物質(zhì)來(lái)加強(qiáng)裂變，從而加熱聚變?nèi)剂弦l(fā)聚變。這種發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)反物質(zhì)的需要量增加了，但需要的裂變物質(zhì)比較少，而且有比ICAN-II更高的比沖量，大約在61,000秒左右。他們把按這種方式設(shè)計(jì)的飛船稱為AIM之星(AIMStar)，如果能有30-130微克(1微克等于1/1000毫克)的反物質(zhì)，AIM之星探測(cè)飛船能在50年內(nèi)飛到歐特云。

3) 聚變和反物質(zhì)的結(jié)合

同樣，這是把反物質(zhì)在比較近的時(shí)期投入使用的嘗試，不過(guò)需要比AIM方式再多一些的反物質(zhì)。只有有足夠的反物質(zhì)，我們就可以完全拋棄裂變過(guò)程，直接用反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的能量來(lái)觸發(fā)慣性約束聚變，而不必象前面介紹慣性約束聚變時(shí)那樣使用激光。估計(jì)使用這種發(fā)動(dòng)機(jī)，我們能在1個(gè)月以內(nèi)到達(dá)火星。

美國(guó)宇航局馬歇爾飛行中心(Marshall Flight Centre)的研究人員期望，上述技術(shù)能在30-40年之內(nèi)成熟并獲得應(yīng)用。

此外，同樣有人設(shè)想將反物質(zhì)湮滅同核反應(yīng)結(jié)合，并用類似獵戶座的爆炸的方式來(lái)推進(jìn)，正在美國(guó)航空航天局下屬的NIAC資助下研究反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的Hbar Technologies公司就設(shè)計(jì)了如下圖所示的飛船。

顯然，Hbar公司設(shè)計(jì)的飛船和獵戶座一樣有個(gè)推進(jìn)盤(pán)，不過(guò)這個(gè)推進(jìn)盤(pán)是在前方，而且直徑只有15英尺(5米)，這種反物質(zhì)飛船結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊密。飛船向推進(jìn)盤(pán)噴出反物質(zhì)，反物質(zhì)粒子和推進(jìn)盤(pán)碰撞產(chǎn)生爆炸，而物質(zhì)和反物質(zhì)湮滅時(shí)將和帆上薄薄的鈾235涂層作用，產(chǎn)生少量的核裂變。這兩個(gè)反應(yīng)組合起來(lái)能產(chǎn)生最大的爆炸，用這種方法加速，Hbar公司設(shè)計(jì)的飛船在四個(gè)月里能達(dá)到每秒116公里。

這項(xiàng)研究的目的就是設(shè)計(jì)出一個(gè)小型飛船用以攜帶探測(cè)器，初步計(jì)劃是在發(fā)送一個(gè)探測(cè)器并使之在10年內(nèi)到達(dá)柯伊伯帶。而這個(gè)公司到目前為止的成就顯示，可以利用30毫克的反氫在10年內(nèi)將一個(gè)載有小質(zhì)量?jī)x器的探測(cè)飛船送到距離太陽(yáng)250天文單位遠(yuǎn)的地方;而根據(jù)初步測(cè)算，使用幾克反物質(zhì)則可以把同樣大小的探測(cè)器在40年內(nèi)送到比鄰星。

需要說(shuō)明的是，反物質(zhì)的基本粒子不僅僅包括正電子和反質(zhì)子，而是多種多樣的，例如反μ介子、反π介子等等，它們是和對(duì)應(yīng)的正基本粒子電荷相反的基本粒子，但它們的壽命太短暫，比如正反μ介子只能存在百萬(wàn)分之幾秒鐘，而正反π介子大約只能存在一億分之二點(diǎn)五秒，壽命如此短暫的物質(zhì)顯然無(wú)法作為燃料。除了帶電的之外，還有不帶電的，如反中子、反中微子之類，以反中子為例，它雖然和普通中子一樣 都不帶電荷，但一個(gè)反中子經(jīng)過(guò)β衰變后就變成一個(gè)反質(zhì)子，而不是一個(gè)帶正電的質(zhì)子，我們可以據(jù)此區(qū)分它們，不過(guò)這樣不帶電的粒子以目前的手段無(wú)法有效儲(chǔ)存(甚至更糟糕，以我們目前的手段都無(wú)法直接觀測(cè)到它們，而是通過(guò)湮滅間接觀測(cè))，所以同樣也不適合作為燃料。最后能夠候選的還是反質(zhì)子和反電子。

由于反物質(zhì)和物質(zhì)如果相遇，將會(huì)湮滅，正反物質(zhì)的質(zhì)量將全部轉(zhuǎn)化為能量，按照愛(ài)因斯坦的質(zhì)能公式E=mc2釋放巨大的能量，就目前所知道的所有物理反應(yīng)而言，這是效率最高的燃料。我們可以比較一下每公斤星際飛船發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的效果，很理想的化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生1×10的7次方焦耳的能量，核裂變產(chǎn)生8×10的13次方焦耳，核聚變產(chǎn)生3×10的14次方焦耳，而反物質(zhì)的湮滅能產(chǎn)生9×10的16次方焦耳，是氫氧化學(xué)反應(yīng)的1百億倍，太陽(yáng)核心熱核反應(yīng)的300倍。這種飛船的比沖量將是最高的，而推重比也可能是最高的，一片阿司匹林那么大的反物質(zhì)同物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的能量足以讓一艘飛船巡弋?dāng)?shù)百光年，而航天飛機(jī)那么巨大的燃料箱和推進(jìn)器中的燃料完全可以用100毫克的反物質(zhì)代替。

此外，反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)好處是反物質(zhì)的湮滅可以自發(fā)產(chǎn)生，不需要象核發(fā)動(dòng)機(jī)中的核反應(yīng)那樣需要許多條件，所以就不需要很大的反應(yīng)堆，可以減輕飛船重量。因此，早在1953年德國(guó)火箭科學(xué)家Eugen Sanger就提出可以用反物質(zhì)推進(jìn)宇宙飛船，而以反物質(zhì)為燃料的飛船其后也成為科幻小說(shuō)作家喜愛(ài)的星際運(yùn)輸工具。

不過(guò)，若想把理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，還有許多困難要克服。首先是制造它太消耗能量了，因?yàn)槲覀兡壳斑€沒(méi)有其他制造反物質(zhì)的辦法，所以只能把湮滅過(guò)程反過(guò)來(lái)，使用粒子加速器，根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式從能量中制造出反物質(zhì)(以基本粒子的形態(tài)產(chǎn)生)。由于這個(gè)原因，現(xiàn)在全球每年才能制造出1百億分之一克的反物質(zhì)，這點(diǎn)反物質(zhì)還不夠加熱一杯咖啡。

另外一個(gè)障礙是儲(chǔ)存，因?yàn)榉次镔|(zhì)只要遇到正物質(zhì)立刻就會(huì)湮滅爆炸，所以我們無(wú)法使用任何正物質(zhì)制作的容器來(lái)存放它，現(xiàn)在都是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)保存這些反物質(zhì)基本粒子。使用最多的是超冷真空的彭寧離子阱(Penning trap)，這是種可以便攜運(yùn)輸?shù)姆促|(zhì)子存放裝置，利用迭加電磁場(chǎng)來(lái)存放質(zhì)子，但正電子難以用這種方式存放。