Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Nowa teoria na temat działania silnika EmDrive. Silnik możliwy inaczej

Nowa teoria na temat działania silnika EmDrive. Silnik możliwy inaczej
Słynny EmDrive (1) wcale nie musi łamać praw fizyki, uważa Mike McCulloch (2) z Plymouth University. Naukowiec proponuje teorię, zakładającą nowy sposób myślenia o ruchu i bezwładności obiektów z bardzo małymi przyspieszeniami. Gdyby miał rację, to skończyłoby się nazywanie tajemniczego napędu "nieinercjalnym", gdyż o inercję właśnie, czyli bezwładność, brytyjskiemu badaczowi chodzi.

Bezwładność to cecha wszystkich obiektów mających masę, reakcja na zmianę kierunku ruchu albo przyspieszenie. Inaczej na to patrząc, masa może być uważana za miarę bezwładności. Mimo iż wydaje się nam ona pojęciem dobrze znanym, sama jej natura aż tak oczywista nie jest. Koncept McCullocha opiera się na założeniu, że bezwładność powstaje z efektu przewidzianego przez ogólną teorię względności, a nazywanego promieniowaniem Unruha, które jest promieniowaniem ciała doskonale czarnego oddziałującym na przyspieszające obiekty. Patrząc z drugiej strony, można by powiedzieć, że temperatura Wszechświata rośnie, kiedy przyspieszamy.

Mike McCulloch z Plymouth University
 
2. Mike McCulloch z Plymouth University

Według McCullocha, bezwładność to zwyczajnie ciśnienie wywierane przez promieniowanie Unruha na przyspieszające ciało. Efekt jest trudny do zbadania dla przyspieszeń, które normalnie obserwujemy na Ziemi. Zdaniem uczonego, uwidacznia się dopiero wtedy, gdy przyspieszenia stają się mniejsze. Przy bardzo małych przyspieszeniach, długości fali Unhruha są na tyle duże, że nie mogą dłużej zmieścić się w obserwowalnym Wszechświecie. Gdy to następuje, przekonuje McCulloch, bezwładność może przyjąć tylko określone wartości i skacze z jednej wartości do następnej, co słusznie przypomina efekty kwantowe. Innymi słowy, bezwładność musi zostać skwantowana jako składowa małych przyspieszeń.

McCulloch uważa, że potwierdzeniem jego teorii w obserwacji mogą być dziwne skoki pędu obserwowane w przypadku niektórych obiektów kosmicznych przelatujących w pobliżu Ziemi w kierunku innych planet. Dokładne badanie tego efektu na Ziemi jest trudne, ponieważ przyspieszenia, które wchodzą w grę, są bardzo małe.

Jeśli chodzi o sam EmDrive, to koncepcja McCullocha opiera się na następującym toku myślenia: jeśli fotony mają jakąś masę, to muszą doświadczać bezwładności, kiedy są odbijane. Jednak promieniowanie Unruha w tym przypadku jest bardzo małe. Tak małe, że może wchodzić w interakcje z jego bezpośrednim otoczeniem. W przypadku EmDrive jest to stożek konstrukcyjny "silnika". Stożek dopuszcza promieniowanie Unruha o określonej długości przy szerszym końcu i promieniowanie o niższej długości przy węższym. Fotony odbijają się, zatem ich bezwładność w komorze musi ulegać zmianie. A z zasady zachowania pędu, która wbrew częstym opiniom o EmDrive nie jest w tej interpretacji łamana, wynika, że musi w ten sposób powstawać ciąg.

Teorię McCullocha da się sprawdzić eksperymentalnie przynajmniej na dwa sposoby. Po pierwsze, przez umieszczenie dielektryka wewnątrz komory - to powinno zwiększyć skuteczność napędu. Po drugie, zdaniem naukowca, zmiana wymiarów komory może odwrócić kierunek ciągu. Stanie się tak, gdy promieniowanie Unruha będzie lepiej pasować do węższego końca stożka niż szerszego. Podobny efekt może wywołać zmiana częstotliwości wiązek fotonów wewnątrz stożka. "Odwrócenie ciągu miało już miejsce w niedawnym eksperymencie NASA", twierdzi brytyjski badacz.

Teoria McCullocha z jednej strony niweluje problem zachowania pędu, a z drugiej orbituje na obrzeżach naukowego mainstreamu (typowa fringe science). Kontrowersyjne naukowo jest w niej założenie, że fotony mają masę bezwładną. Ponadto, logicznie, prędkość światła musi się zmieniać w komorze. To dla fizyki raczej trudne do przyjęcia.

Zasada działania silnika EmDrive
 
3. Zasada działania silnika EmDrive

Działa, ale potrzeba więcej testów

Pierwotnie EmDrive był pomysłem Rogera Shawyera, jednego z najwybitniejszych specjalistów w dziedzinie aeronautyki w Europie. Projekt ten prezentował on w formie stożkowego pojemnika. Jeden z końców rezonatora jest szerszy od drugiego, a jego wymiary są dobrane tak, by zapewnić rezonans dla fal elektromagnetycznych o określonej długości. Dzięki temu fale te, rozchodząc się w kierunku szerszego końca, mają przyspieszać, natomiast w kierunku węższego końca spowalniać (3). W wyniku różnych prędkości przemieszczania czoła fali mają wywierać różne ciśnienia promieniowania na przeciwległe końce rezonatora i w ten sposób powinien powstawać niezerowy ciąg poruszający obiekt.

Jednak, zgodnie ze znaną nam fizyką, jeśli nie została przyłożona żadna dodatkowa siła, to pęd nie ma prawa rosnąć. Teoretycznie EmDrive działa, wykorzystując zjawisko ciśnienia promieniowania. Prędkość grupowa fali elektromagnetycznej i tym samym generowana przez nią siła, mogą zależeć od geometrii falowodu, w którym się ona rozchodzi. Zgodnie z pomysłem Shawyera, jeśli zbuduje się falowód stożkowy w ten sposób, że na jednym jego końcu prędkość fali będzie znacznie różniła się od prędkości fali na drugim końcu, to, odbijając tę falę pomiędzy dwoma końcami, uzyska się różnicę w ciśnieniu promieniowania, a więc siłę wystarczającą do osiągnięcia ciągu. Według Shawyera, EmDrive nie łamie praw fizyki, lecz wykorzystuje teorię Einsteina - silnik znajduje się w innym układzie odniesienia niż fala "robocza" w jego wnętrzu.

Jak do tej pory, udało się zbudować jedynie bardzo małe prototypy EmDrive o siłach ciągu rzędu mikroniutonów. Całkiem poważna instytucja badawcza, jaką jest chińska Politechnika Północno-Zachodnia w Xi'an, podjęła eksperymenty, których rezultatem był prototyp silnika o sile ciągu 720 μN (mikroniutonów). Może to niewiele, ale niektóre stosowane w kosmonautyce silniki jonowe nie generują więcej.

Test EmDrive z 2014 r.
 
4. Test EmDrive z 2014 r.

Testowana przez NASA (4) wersja EmDrive jest dziełem amerykańskiego konstruktora Guido Fetty. Testy na wahadle w próżni potwierdziły, że osiąga on ciąg 30-50 μN. Laboratorium Eagleworks, mieszczące się w Centrum Lotów Kosmicznych imienia Lyndona B. Johnsona w Houston, potwierdziło jego działanie w próżni. Eksperci z NASA tłumaczą działanie silnika efektami kwantowymi, a dokładniej rzecz biorąc, oddziaływaniem z pojawiającymi się i po chwili wzajemnie anihilującymi się cząstkami materii i antymaterii w kwantowej próżni.

Amerykanie długo nie chcieli się zresztą oficjalnie przyznać, że zaobserwowali ciąg wytworzony przez EmDrive, obawiając się, że uzyskana niewielka wartość może wynikać z błędów pomiarowych. Dlatego metody pomiaru udoskonalono i eksperyment powtórzono. Dopiero po tym wszystkim NASA potwierdziła wyniki badania.

Jak doniósł jednak w marcu 2016 r. serwis International Business Times, jeden z pracujących nad projektem pracowników NASA ujawnił, że agencja planuje powtórzenie całego eksperymentu przez osobny zespół. Dzięki temu będzie mogła ostatecznie sprawdzić rozwiązanie, zanim postanowi zainwestować weń większe środki.