O co chodzi z tym całym EmDrive?

Od kilku lat, regularnie pojawiają się wieści o nowatorskim napędzie, który zrewolucjonizuje eksplorację kosmosu. Co najlepsze – choć wszystko wskazuje, że EmDrive działa – wciąż nie jesteśmy pewni w jaki sposób.

“Cudowny wynalazek”

Wiecie z jakim sceptycyzmem zazwyczaj podchodzę do wszelkich, sensacyjnych newsów, głoszących nadejście niespodziewanych przełomów w nauce. W przypadku EmDrive nie było inaczej. Pogłoski krążą od bardzo dawna. Jednak skąpe informacje i medialna etykietka “cudownego” wynalazku, rzekomo “łamiącego podstawowe prawa fizyki”, nie pozwalały mi traktować tego zamieszania zbyt poważnie.

Od przedstawienia pierwszych publikacji przez inżyniera Rogera Shawyera, minęło już kilkanaście lat i wiele się zmieniło. Ku mojemu zaskoczeniu, temat nie tylko nie wygasł, ale wręcz nabrał rozpędu. Postępujące prace pozwoliły wreszcie na skonstruowanie prototypów i przetestowanie nietypowego pomysłu w praktyce. Już od 2010 roku, o eksperymentalnym sukcesie swoich przewidywań przekonywał sam Shawyer. Dwa lata później gruchnęła wiadomość z Państwa Środka, gdzie prof. Yang Juan z politechniki w Xi’an, pozytywnie zweryfikował koncepcje brytyjskiego kolegi po fachu. Wreszcie, pod koniec 2015 roku, uczeni z NASA Eagleworks Lab potwierdzili działanie EmDrive, otwierając tym samym wielkie polowanie. Od tego momentu, fizycy z uniwersytetów na całym globie, nieustannie bombardują czasopisma swoimi próbami wytłumaczenia uchwyconego zjawiska.

EmDrive vs. zasada zachowania pędu

No dobrze, ale dlaczego właściwie mówi się o rewolucji? Aby to zrozumieć, musimy zestawić zasadę funkcjonowania EmDrive ze standardowymi typami napędów. Bez względu na to czy bierzemy pod uwagę silnik odrzutowy, rakietowy czy jonowy – podstawa działania pozostaje taka sama. W napędzie odrzutowym i rakietowym, mamy do czynienia z wyrzucaniem rozgrzanych gazów powstających w czasie spalania paliwa. Napęd jonowy, analogicznie wyrzuca z siebie jony rozpędzane przez pole elektromagnetyczne. W efekcie, wylatujące z dużą prędkością “spaliny” pozwalają na osiągnięcie siły ciągu i popychają samolot, rakietę, satelitę lub inny pojazd. Wszystko w zgodzie z nieśmiertelnymi regułami dynamiki.

Względem każdego działania istnieje przeciwdziałanie zwrócone przeciwnie i równe, to jest wzajemne działania dwóch ciał są zawsze równe i zwrócone przeciwnie.

III zasada dynamiki Sir Izaaka Newtona

Jeżeli na jakiś układ ciał nie działają siły (oddziaływania) zewnętrzne, wtedy układ ten ma stały pęd.

Zasada zachowania pędu

I tu wkracza na scenę Roger Shawyer. Już w 1999 roku brytyjski naukowiec wpadł na pomysł, który – przynajmniej na pierwszy rzut oka – zdawał się ignorować te oczywiste fundamenty fizyki. Jego silnik miał generować pęd bez widocznego odrzutu, spalin i całej tej reszty. Rzecz dziwna i budząca uzasadnione podejrzenia o hochsztaplerstwo. Co nie mniej ważne, EmDrive nie potrzebuje paliwa, tj. żadnej substancji chemicznej służącej jako spalany materiał pędny. Rzecz jasna, nie mówimy tu o perpetuum mobile: urządzenie wymaga źródła energii elektrycznej, konwertowanej następnie w energię kinetyczną, lecz niczego nie spala. Bądźmy świadomi, jak wiele to zmienia, w perspektywie przyszłej eksploracji kosmosu. Wehikułowi wyposażonemu w EmDrive, wystarczą ogniwa słoneczne bądź reaktor jądrowy, ale nie będzie on już zmuszony do targania ze sobą dziesiątek ton ropy, tlenu czy wodoru.

Nic dziwnego, że dziennikarze i łowcy teorii spiskowych zaczęli prędko pisać o technologii łamiącej prawa fizyki, tudzież stawiającej pod znakiem zapytania zasadę zachowania pędu.

Napęd mikrofalowy

Konstrukcja Shawyera przypomina kształtem stożek. Dołączony do niego zostaje magnetron, czyli po prostu lampa podobna do tych, jakie montuje się w kuchenkach mikrofalowych. Zasada działania EmDrive opiera się właśnie o mikrofale, a zatem o typ promieniowania elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości. Mikrofale są emitowane do wnętrza metalowego stożka, tak aby odbijały się między jednym a drugim końcem. I tu zaczynają się schody. W jaki sposób, poruszające się w tę i we w tę fale pola elektromagnetycznego, generują pęd?

Swoje piętno odciska tu efekt Bernoulliego, wywodzący się bezpośrednio z hydrodynamiki. XVIII-wieczny matematyk sformułował równanie pozwalające na opis różnic w ciśnieniu cieczy przepływającej przez rurę o niejednakowej średnicy – zwężającej się i rozszerzającej na różnych odcinkach. Oczywiście nurt wody powinien być odpowiednio większy w rurze o mniejszym przekroju. My jednak potrzebujemy go w wersji odwróconej. Shawyer wykombinował, że skoro promieniowanie elektromagnetyczne ma naturę falową, to różnice w średnicy pojemnika również będą wpływały na jej właściwości. Dotarcie do jednego krańca stożka jest dla mikrofal trudniejsze niż do drugiego. A skoro tak, powinno powstać pewne ciśnienie, powalające rozpędzić urządzenie w kierunku, w którym fale uderzają z większą natarczywością. I tak, EmDrive przyśpieszy w stronę szerszej podstawy.

Spotkałem się również z ilustracją odwołującą się do korpuskularnej natury promieniowania elektromagnetycznego. Zgodnie z nią, fotony wypełniające pojemnik, po prostu odbijają się od wszystkich ścian, ale ostatecznie większość z nich ląduje na największej płaszczyźnie. I znów: tworząc ciśnienie, popychają całą konstrukcję.

Zadyszka teoretyków

emdrive-krytycy

Wszystko jest jasne i zrozumiałe? Mam nadzieję, że nie. To proste wyjaśnienie, z którym się właśnie zapoznaliście – nie tylko nie tłumaczy podstaw tego procesu – ale samo w sobie również budzi kontrowersje. Krytycy podnoszą, że siła fali elektromagnetycznej w obu kierunkach, w rzeczywistości jest równoważna. Niby mamy do czynienia z różną szerokością pojemnika, ale to nic nie zmienia, bo odbite od szerszego końca mikrofale, wracając uderzają nie tylko w węższe dno ale również w ściany. Najlepiej tłumaczy to poniższy schemat.

Oczywiście grafika po prawej wygląda sensowniej, z czym zapewne zgodziłby się sam Shawyer – gdyby nie fakt, że jego prototyp po prostu działa. Trudno o bardziej typowy konflikt inżynierów z teoretykami. Albo przyjmiemy, iż eksperymentatorzy pominęli jakąś drobnostkę i otrzymują wadliwe wyniki; albo, że teoria w tym przypadku nie nadąża za praktyką.

Sceptycy brali pod uwagę chociażby tworzenie lekkiego ciągu przez pływ powietrza, lecz NASA to wykluczyła po testach w komorze próżniowej. W tym samym czasie inni naukowcy z pokorą przyjęli nowe dane, szukając sposobu na ich sensowne pojednanie z zasadą zachowania pędu. Powstało ich już kilka, a każdy próbuje ugryźć temat od nieco innej strony. Na ten przykład, Mike McCulloch z Plymouth University, odwołuje się do egzotycznego efektu Unruha i kwantowej natury próżni. Według hipotezy Williama Unruha ruch obserwatora ma wpływ na ilość napotkanych w przestrzeni cząstek wirtualnych. Osoba poruszająca się ruchem jednostajnym odnotuje ich nieco mniej, niż inna, poruszająca się po tym samym odcinku, ale podlegająca przyśpieszeniu. W gigantycznym uproszczeniu, McCulloch uważa, że w grę wchodzi interakcja fotonów z tajemniczym promieniowaniem Unruha, dzięki czemu zmieniają one swój pęd. Inna długość fali promieniowania Unruha na obu końcach napędu, zmienia również pęd fotonów co zmusza całą konstrukcję do przemieszczenia się. W pewnym pokrętnym sensie, mikrofale “odsuwają się” od kwantowych fluktuacji próżni (bardziej zaawansowanych zapraszam bezpośrednio do publikacji McCullocha, podanej w literaturze uzupełniającej). Ale to oczywiście tylko jedna z hipotez.

Tak czy inaczej, wszystkie niedawne testy dobitnie wskazują, że EmDrive działa. Mamy do czynienia z niewielką, ale jednak mierzalną siłą pędu. Naprawdę niewielką, bo w eksperymentach NASA uzyskano siłę nieprzekraczającą 50 mikroniutonów (milionowych części niutona). Z podobną siłą na powierzchnię Ziemi naciska przeciętna mrówka. W związku z tym EmDrive raczej nie zawiezie nas na Marsa i jeszcze długo nie znajdzie praktycznego zastosowania.

Jest to jednak dodatkowy argument za kontynuowaniem prac teoretycznych. Dopiero gruntowna analiza procesów fizycznych działających wewnątrz metalowego stożka, pozwoli nam na poważne usprawnienie nowej technologii i wyciśnięcie z niej wszystkich soków. Na razie uczymy się raczkować. 

Literatura uzupełniająca:
E. Shawyer, A Theory of Microwave Propulsion for Spacecraft, [online: www.emdrive.com/theorypaper9-4.pdf];
D. Brady, H. White, Anomalous Thrust Production from an RF Test Device Measured on a Low-Thrust Torsion Pendulum, [online: www.ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20140006052.pdf];
M. McCulloch, Can the Emdrive Be Explained by Quantised Inertia?, [online: http://www.ptep-online.com/index_files/2015/PP-40-15.PDF];
M. Russon, What is the EmDrive and why should I care?, [online: www.blogs.elconfidencial.com/tecnologia/relatos-relativos/2015-06-29/emdrive-el-motor-que-nos-hara-volar-gracias-a-la-luz-si-las-leyes-de-la-fisica-le-dejan_903319].
#10YearsChallenge w wykonaniu nauki 7 dowodów na to, że nauka bywa niebezpieczna O tym jak foton może przekroczyć prędkość światła