Od narodzin ery kosmicznej marzenie o podróży do innego układu słonecznego było trzymane w „smyczy rakietowej”, która poważnie ogranicza prędkość i rozmiar statku kosmicznego, który wyrzucamy w kosmos. Naukowcy szacują, że nawet z najpotężniejszymi obecnie silnikami rakietowymi dotarcie do naszego najbliższego międzygwiazdowego sąsiada, Alfy Centauri, zajmie około 50 000 lat. Jeśli ludzie kiedykolwiek mają nadzieję ujrzeć wschodzące słońce, czas tranzytu powinien zostać znacznie skrócony.
Czy niemożliwy EmDrive działa?
Spośród zaawansowanych koncepcji silników, które mogłyby to umożliwić, bardzo niewiele z nich wywołało tyle emocji - i kontrowersji - jak EmDrive. Opisany po raz pierwszy prawie dwadzieścia lat temu, EmDrive działa poprzez przekształcanie energii elektrycznej w mikrofale i kierowanie tego promieniowania elektromagnetycznego przez stożkową komorę. Teoretycznie mikrofale mogą wywierać nacisk na ściany komory i wytwarzać ciąg wystarczający do poruszania statku kosmicznego w kosmosie. Na razie jednak EmDrive istnieje tylko jako prototyp laboratoryjny i nadal nie jest jasne, czy w ogóle jest w stanie wytworzyć ciąg. Jeśli tak, to są to siły, które nie są wystarczająco silne, aby można je było zobaczyć gołym okiem, nie mówiąc już o poruszaniu aparatem.
Jednak w ciągu ostatnich kilku lat kilku naukowców, w tym NASA, twierdziło, że z powodzeniem wytworzyli siłę napędową za pomocą EmDrive. Jeśli to prawda, jest to jeden z największych przełomów w historii eksploracji kosmosu. Problem polega na tym, że ciąg obserwowany w tych eksperymentach jest tak mały, że trudno stwierdzić, czy w ogóle istnieje.
Rozwiązaniem jest opracowanie instrumentu, który może mierzyć te drobne przejawy ciągu. Dlatego zespół fizyków z niemieckiego Technische Universität Dresden postanowił stworzyć urządzenie, które rozwiąże ten problem. Projekt SpaceDrive, prowadzony przez fizyka Martina Taimara, ma na celu stworzenie instrumentu tak czułego i odpornego na zakłócenia, że raz na zawsze zakończy dyskusję. W październiku Taimar i jego zespół zaprezentowali drugi zestaw pomiarów eksperymentalnych, EmDrive, na Międzynarodowym Kongresie Astronautycznym, a ich wyniki zostaną opublikowane w Acta Astronautica w sierpniu tego roku. Na podstawie wyników eksperymentów Taimar mówi, że rozwiązanie sagi z EmDrive czeka nas za kilka miesięcy.
Wielu naukowców i inżynierów nie wierzy w EmDrive, ponieważ narusza on prawa fizyki. Mikrofale pchające ściany komory EmDrive wydają się generować ciąg ex nihilo, to znaczy z niczego, co jest sprzeczne z zachowaniem pędu - działanie i brak reakcji. Zwolennicy EmDrive z kolei szukają odpowiedzi w sprytnych interpretacjach mechaniki kwantowej, próbując zrozumieć, jak EmDrive mógłby działać bez łamania fizyki Newtona. „Z teoretycznego punktu widzenia nikt nie traktuje tego poważnie” - mówi Taimar. Jeśli EmDrive jest zdolny do generowania ciągu, jak twierdzą niektóre grupy, „nikt nie ma pojęcia, skąd on pochodzi”. Kiedy istnieje teoretyczna luka tej wielkości w nauce, Taimar widzi tylko jeden sposób, aby ją zamknąć: eksperymentalny.
Film promocyjny:
Pod koniec 2016 roku Taimar i 25 innych fizyków zgromadzili się w Estes Park w Kolorado na pierwszej konferencji poświęconej EmDrive i powiązanym egzotycznym układom napędowym. Jedną z najciekawszych prezentacji wygłosił Paul Marsh, fizyk z laboratorium NASA Eagleworks, gdzie wraz z kolegą Haroldem White'em testowali różne prototypy EmDrive. Według prezentacji Marsha i późniejszego raportu w Journal of Propulsion and Power, on i White zaobserwowali kilkadziesiąt mikrontonów ciągu w swoim prototypie EmDrive. Dla porównania, pojedynczy silnik SpaceX Merlin wytwarza około 845 000 niutonów ciągu na poziomie morza. Jednak problem Marsha i White'a polegał na tym, że ich konfiguracja eksperymentalna obejmowała kilka źródeł zakłóceń, więc nie mogli powiedzieć na pewno, co spowodowało ciąg.lub konkretna przeszkoda.
Taimar i zespół z Drezna użyli dokładnej repliki prototypu EmDrive używanego w laboratorium NASA. Jest to ścięty miedziany stożek - z odciętym wierzchołkiem - o długości nieco poniżej stopy. Ten projekt został wymyślony przez inżyniera Rogera Scheuera, który jako pierwszy opisał EmDrive w 2001 roku. Podczas testów stożek EmDrive jest umieszczany w komorze próżniowej. Poza kamerą urządzenie generuje sygnał mikrofalowy, który jest przesyłany kablami koncentrycznymi do anten wewnątrz stożka.
To nie pierwszy raz, kiedy zespół w Dreźnie próbuje zmierzyć prawie niezauważalną siłę. Stworzyli podobne urządzenia do pracy z silnikami jonowymi, które służą do dokładnego pozycjonowania satelitów w kosmosie. Te mikronewtonowe silniki pomagają satelitom wykrywać słabe zjawiska, takie jak fale grawitacyjne. Jednak badanie EmDrive i podobnych silników bez paliwa będzie wymagało rozdzielczości w nanontonach.
W nowym podejściu zastosowano równowagę skrętną, równowagę typu wahadłowego, która mierzy wielkość momentu obrotowego przyłożonego do osi wahadła. Mniej wrażliwa wersja tego balansu została również wykorzystana przez zespół NASA, kiedy zdecydowali, że EmDrive wytwarza ciąg. Aby dokładnie zmierzyć tę małą siłę, zespół z Drezna użył interferometru laserowego do pomiaru fizycznego przemieszczenia ciężarków wyważających wytwarzanych przez EmDrive. Ich skale skrętne mają rozdzielczość nanonautonów i obsługują kilka kilogramów silników odrzutowych, powiedział Taimar, co czyni je najbardziej czułymi istniejącymi skalami ciągu.
Jednak prawdziwie czułe ciężarki oporowe raczej nie będą pomocne, chyba że można określić, czy wykryta siła jest naciskiem, a nie zakłóceniami zewnętrznymi. Istnieje wiele alternatywnych wyjaśnień obserwacji Marsha i White'a. Aby ustalić, czy EmDrive faktycznie wytwarza ciąg, naukowcy muszą być w stanie chronić urządzenie przed zakłóceniami powodowanymi przez pola magnetyczne Ziemi, wibracjami sejsmicznymi w środowisku i rozszerzalnością cieplną EmDrive związaną z ogrzewaniem mikrofalowym.
Taimar powiedział, że wprowadzenie zmian w konstrukcji wyważenia skrętnego - aby lepiej kontrolować zasilacz EmDrive i chronić go przed polami magnetycznymi - rozwiąże szereg problemów związanych z zakłóceniami. Dużo trudniej było rozwiązać problem „dryfu termicznego”. Po przyłożeniu mocy do EmDrive miedziany stożek nagrzewa się i rozszerza, przesuwając środek ciężkości na tyle, że równowaga skrętna zarejestruje siłę, którą można pomylić z przyczepnością. Taiman i jego zespół mieli nadzieję, że zmiana orientacji silnika pomoże rozwiązać ten problem.
W 55 eksperymentach Taimar i jego koledzy zarejestrowali średnio 3,4 mikronona siły z EmDrive, co było bardzo podobne do tego, co znaleźli w NASA. Niestety, siły te najwyraźniej nie przyszły do testu przemieszczenia termicznego. Były bardziej charakterystyczne dla rozszerzalności cieplnej niż ciągu.
Ale dla EmDrive nadzieja nie jest stracona. Taimar i współpracownicy opracowują również dwa dodatkowe typy obciążników oporowych, w tym balans nadprzewodzący, który pomoże wyeliminować fałszywe alarmy spowodowane dryfem termicznym. Jeśli znajdą siłę z EmDrive na taką skalę, są szanse, że to naprawdę jest popchnięcie. Jeśli jednak waga nie wykryje żadnego ciągu, będzie to oznaczać, że wszystkie poprzednie obserwacje ciągu EmDrive były fałszywie dodatnie. Taimar ma nadzieję na ostateczny werdykt przed końcem roku.
Ale nawet negatywne wyniki nie będą oznaczały werdyktu dla EmDrive. Istnieje wiele innych typów silników pozapaliwowych. A jeśli naukowcy kiedykolwiek opracują nowe formy ruchu o niskiej sile ciągu, ultra czułe skale trakcyjne pomogą oddzielić fikcję od faktów.
Ilya Khel