Czytaj dalej

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 rycina 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].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.