EmDrive działa! Wiosło zanurzone we Wszechświecie
Naukowcy i inżynierowie z NASA Eagleworks Laboratories bardzo ostrożnie podchodzili do badań. Próbowali wręcz odnaleźć jakiekolwiek potencjalne źródła błędów - lecz bezskutecznie. Ich silnik EmDrive produkował ciąg rzędu 1,2 ± 0,1 miliniutona na jeden kilowat mocy (2). Wynik ten nie rzuca na kolana i ma sprawność ogólną wielokrotnie niższą niż jonówki, np. silniki Halla, jednak trudno podważyć jego ogromną zaletę - nie wymaga żadnego materiału pędnego.Nie trzeba więc w ewentualną podróż "napędzaną" jego mocą zabierać żadnego zbiornika paliwa.
Badacze, nie po raz pierwszy zresztą, udowodnili, że EmDrive pracuje. Nikt jednak nie potrafi jeszcze wyjaśnić, dlaczego. Specjaliści z NASA uważają, że funkcjonowanie tego silnika można wyjaśnić teorią fali pilotującej. Oczywiście nie jest to jedyna hipoteza, za pomocą której próbuje się tłumaczyć działanie tajemniczego źródła ciągu. Konieczne będą kolejne badania, aby potwierdzić przypuszczenia naukowców. Należy uzbroić się w cierpliwość i przygotować na kolejne oświadczenia, że EmDrive (3)… naprawdę działa.
Rzecz nabiera prędkości
Sprawa EmDrive przyspieszała i przyspiesza w ciągu kilkunastu ostatnich miesięcy, niczym prawdziwy silnik rakietowy. Dowodzi tego następująca sekwencja wydarzeń:
- W kwietniu 2015 r. José Rodal, Jeremiah Mullikin i Noel Munson ogłosili wyniki swoich badań na forum NASASpaceFlight.com (jest to strona komercyjna, wbrew nazwie niezwiązana z NASA). Jak się okazuje, sprawdzili działanie silnika w próżni i wyeliminowali możliwe błędy pomiarowe, udowadniając przy tym wg nich zasadę działania tego silnika.
- W sierpniu 2015 r. opublikowano wyniki badań przeprowadzonych przez Martina Tajmara z Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie. Fizyk poinformował, że silnik EmDrive uzyskał wprawdzie ciąg, ale nie stanowi to wcale dowodu na jego działanie. Zadaniem przeprowadzonego przez Tajmara eksperymentu było sprawdzenie efektów ubocznych wcześniejszych metod stosowanych do badania silnika. Sam eksperyment został jednak skrytykowany za jego niedokładne przeprowadzenie, błędy pomiarowe, a ogłoszone wyniki określono jako "gierki słowne".
- W czerwcu 2016 r. niemiecki naukowiec i inżynier Paul Kocyla ogłosił zbiórkę crowdfundingową dotyczącą wysłania w przestrzeń kosmiczną, EmDrive jego własnej produkcji jako satelity nazwanej PocketQube.
- W sierpniu 2016 r. Guido Fetta, założyciel przedsiębiorstwa Cannae Inc., ogłosił koncepcję wystrzelenia CubeSat, miniaturowego satelity, wyposażonego w Cannae Drive (4), czyli we własną wersję napędu EmDrive.
- W październiku 2016 r. Roger J. Shawyer, wynalazca EmDrive, uzyskał patenty brytyjski i międzynarodowy - na drugą generację swojego silnika.
- 14 października 2016 r. ukazał się wywiad filmowy z Shawyerem dla "International Business Times UK". Przedstawiono w nim m.in. przyszłość i historię rozwoju EmDrive oraz zdradzono, że wynalazkiem zainteresowane są departamenty obrony USA i Wielkiej Brytanii, a także Pentagon, NASA i Boeing. Shawyer przekazał niektórym z tych organizacji całą techniczną dokumentację napędu oraz wersje demonstracyjne EmDrive, zapewniające ciąg 8 g i 18 g. Zdaniem Shawyera druga, kriogeniczna generacja EmDrive ma już uzyskać ciągi liczone w ekwiwalentach ton, co pozwoliłoby na zastosowanie napędu w niemal wszystkich obecnie używanych pojazdach.
- 17 listopada 2016 r. opublikowano wspomniane wyniki badań zespołu NASA, w których wstępnie potwierdzono działanie napędu.
17 lat i wciąż tajemnica
Dłuższa i bardziej precyzyjna nazwa EmDrive to radio frequency resonant cavity thruster. Koncepcję napędu elektromagnetycznego opracował w 1999 r. brytyjski naukowiec, inżynier Roger Shawyer, założyciel Satellite Propulsion Research Ltd. W 2006 r. opublikował w "New Scientist" artykuł na temat EmDrive (5). Tekst został ostro skrytykowany przez naukowców. W ich ocenie relatywistyczny napęd elektromagnetyczny oparty na zaprezentowanej koncepcji narusza prawo zachowania pędu, czyli jest kolejną wersją fantazji o perpetuum mobile.
Jednak zarówno testy chińskie sprzed kilku lat, jak te przeprowadzone jesienią przez NASA, zdają się potwierdzać, że napęd wykorzystujący ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego na powierzchnię oraz efekt odbijania fali elektromagnetycznej w stożkowym falowodzie daje w efekcie różnicę sił i pojawienie się siły ciągu. Siłę tę można z kolei zwielokrotnić poprzez lustra, umieszczone w odpowiedniej odległości, stanowiącej wielokrotność połowy długości fali elektromagnetycznej.
Wraz z opublikowaniem wyników eksperymentu NASA Eagleworks Lab odżyła polemika na temat tego potencjalnie rewolucyjnego rozwiązania. Rozbieżności między otrzymanymi doświadczalnie wnioskami a obowiązującą teorią naukową i prawami fizyki sprowokowały wiele skrajnych opinii odnośnie przeprowadzonych testów. Rozdźwięk między optymistycznymi zapowiedziami przełomu w podróżach kosmicznych a otwartą negacją rezultatów badań skłaniał wielu do pogłębionej refleksji nad uniwersalnymi postulatami i dylematami naukowego poznania oraz granicami naukowego eksperymentu.
Choć od momentu ujawnienia przez Shawyera projektu bezemisyjnego silnika elektromagnetycznego minęło już ponad siedemnaście lat, model brytyjskiego inżyniera długo nie mógł doczekać się wiarygodnej weryfikacji badawczej. Doświadczenia z jego wykorzystaniem były wprawdzie co jakiś czas ponawiane, jednak nie decydowano się na ich odpowiednie potwierdzenie i zweryfikowanie metodologiczne w ramach konkretnego opracowania naukowego. Sytuacja w tym zakresie zmieniła się po wspominanej publikacji recenzowanych na zewnątrz wyników eksperymentu w amerykańskim Eagleworks Lab. Poza wykazaną zasadnością przyjętej metody badawczej nadal jednak nie rozwiano całej gamy wątpliwości, które od początku skutecznie burzyły wiarygodność samego pomysłu.
Co z Newtonem?
Aby uzmysłowić skalę problemu z postulowaną przez Shawyera zasadą działania jego silnika, krytycy chętnie porównują autora pomysłu na EmDrive do właściciela samochodu, który chce wprawić swój pojazd ruch, napierając od środka na jego przednią szybę. Zobrazowana w ten sposób niezgodność z fundamentalnymi zasadami dynamiki newtonowskiej jest w dalszym ciągu postrzegana jako podstawowy zarzut całkowicie wykluczający wiarygodność projektu brytyjskiego inżyniera. Przeciwników modelu Shawyera nie przekonują kolejne następujące po sobie eksperymenty, które nieoczekiwanie zasugerowały możliwość sprawnego działania silnika EmDrive.
Trzeba oczywiście przyznać, że otrzymane dotąd rezultaty eksperymentów cierpią na brak jasnej merytorycznej podstawy, w postaci udowodnionych naukowo twierdzeń i praw. Zarówno badacze, jak i sami entuzjaści pokazujący sprawność modelu silnika elektromagnetycznego przyznają, że nie znaleźli jednoznacznie potwierdzonej zasady fizycznej, która wyjaśniałaby jego działanie w domniemanej sprzeczności z prawami dynamiki Newtona.
Sam Shawyer postuluje jednakże konieczność rozpatrywania swojego projektu na gruncie mechaniki kwantowej, a nie klasycznej, jak dzieje się to w przypadku konwencjonalnych napędów. Jego zdaniem, działanie EmDrive opiera się na specyficznym oddziaływaniu fal elektromagnetycznych ( 6), których wpływ nie znajduje pełnego odzwierciedlenia w zasadach Newtona. Również i Shawyer nie przedstawia jednak przy tym zweryfikowanego rachunkowo i metodologicznie dowodu naukowego.
Niezależnie od wszystkich przytaczanych zapowiedzi i obiecujących rezultatów przeprowadzonych badań, wyniki eksperymentu w NASA Eagleworks Laboratory to zaledwie zalążek długiego procesu weryfikowania dowodów i budowania naukowej wiarygodności projektu zapoczątkowanego przez Shawyera. Jeśli wyniki eksperymentów badawczych okażą się powtarzalne, a działanie modelu zostanie potwierdzone także w warunkach kosmicznych, nadal pozostanie do przeanalizowania dużo poważniejszy problem pogodzenia odkrycia z zasadami dynamiki, dotąd nienaruszalnymi. Wystąpienie takiej sytuacji nie musi jednak automatycznie oznaczać zanegowania obowiązującej teorii naukowej czy fundamentalnych praw fizycznych.
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 po prostu w innym układzie odniesienia niż fala "robocza" w jego wnętrzu.
Trudno zrozumieć, jak działa EmDrive, natomiast wiadomo, z czego się składa (7). Najważniejszą częścią urządzenia jest rezonator mikrofalowy, do którego doprowadzane jest promieniowanie mikrofalowe wytwarzane przez magnetron (lampę emitującą mikrofale, stosowaną zarówno w radarach, jak i kuchenkach mikrofalowych). Rezonator ma kształt zbliżony do ściętego stożka z metalu - jeden koniec jest szerszy od drugiego. Dzięki odpowiednio dobranym wymiarom dochodzi w nim do rezonansu fal elektromagnetycznych o określonej długości. Fale te mają przyspieszać, rozchodząc się w kierunku szerszego końca, natomiast w kierunku węższego końca - spowalniać. Różnica prędkości przemieszczania fal ma prowadzić do różnicy ciśnień promieniowania wywieranego na przeciwległe końce rezonatora, a co za tym idzie - powstawania ciągu poruszającego pojazd. Ciąg ten działałby w kierunku szerszej podstawy. Problem w tym, że zdaniem krytyków Shawyera efekt ten równoważy działanie fal na boczne ściany stożka.
Silnik odrzutowy czy rakietowy popycha pojazd (siła ciągu), ponieważ wyrzuca rozpędzony gaz, będący produktem spalania. Stosowany w sondach kosmicznych silnik jonowy także wyrzuca gaz (8), tyle że w postaci rozpędzonych w polu elektromagnetycznym jonów. EmDrive nie wyrzuca z siebie niczego.
Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona względem każdego działania istnieje przeciwdziałanie zwrócone przeciwnie i równe - czyli wzajemne działania dwóch ciał są zawsze równe i zwrócone przeciwnie. Jeśli opieramy się o ścianę, ona też na nas naciska, choć nigdzie się nie wybiera. Jak mówi zasada zachowania pędu, jeżeli na układ ciał nie działają siły (oddziaływania) zewnętrzne, wówczas układ ten ma stały pęd. Krótko mówiąc, EmDrive nie powinien działać. Ale działa. Przynajmniej tak wskazują urządzenia detekcyjne.
Moce oferowane przez zbudowane dotychczas prototypy nie zwalają z nóg, choć, jak już wspomnieliśmy, niektóre ze stosowanych w praktyce silników jonowych operują właśnie w tych, mikroniutonowych zakresach. Według Shawyera siłę ciągu znacząco można by zwiększyć w EmDrive przez zastosowanie nadprzewodników.
Teoria fali pilotującej
Teoria fali pilotującej została podana przez badaczy z NASA jako możliwa podstawa naukowa działania EmDrive. Jest to pierwsza znana teoria zmiennych ukrytych, zaprezentowana przez Louisa de Broglie w 1927 r., później zapomniana, a następnie odkryta ponownie i ulepszona przez Davida Bohma - nazywana obecnie teorią de Broglie-Bohma. Pozbawiona jest problemów, istniejących w standardowej interpretacji mechaniki kwantowej, takich jak natychmiastowy kolaps funkcji falowej oraz problem pomiaru (znany jako paradoks kota Schrödingera).
Jest to teoria nielokalna, co oznacza, że na ruch danej cząstki ma natychmiastowy wpływ ruch innych cząstek układu. Nielokalność ta nie pozwala jednak na przesyłanie informacji z prędkością większą niż prędkość światła, dlatego nie jest sprzeczna z teorią względności. Teoria fali pilotującej pozostaje zarazem jedną z szeregu interpretacji mechaniki kwantowej. Jak dotąd nie wykryto żadnych eksperymentalnych różnic między przewidywaniami teorii fali pilotującej a przewidywaniami standardowej interpretacji mechaniki kwantowej.
W swojej publikacji z 1926 r. Max Born zasugerował, że funkcja falowa równania falowego Schrödingera reprezentuje gęstość prawdopodobieństwa znalezienia cząstki. Właśnie dla tego pomysłu de Broglie rozwinął teorię fali pilotującej i wypracował funkcję dla fali pilotującej. Z początku zaproponował podejście podwójnego rozwiązania, w którym obiekt kwantowy zawiera falę fizyczną (falę-u) w przestrzeni rzeczywistej, mającą sferyczny, osobliwy region, który powoduje zachowania podobne cząstkom. W tej początkowej formie teorii badacz nie postulował istnienia kwantowej cząstki. Później sformułował teorię, w której cząstce towarzyszy fala pilotująca i zaprezentował ją na słynnej Konferencji Solvaya w 1927 r. Wolfgang Pauli wyraził jednak przypuszczenie, że taki model nie byłby poprawny w przypadku nieelastycznego rozpraszania cząstek. De Broglie nie znalazł
na to odpowiedzi i wkrótce porzucił koncepcję fali pilotującej. Nigdy nie rozwinął swojej teorii tak, aby objęła przypadek
wielu cząstek.
W 1952 r. David Bohm ponownie odkrył teorię fali pilotującej. Teoria de Broglie-Bohma ostatecznie została uznana za poprawną interpretację mechaniki kwantowej i stanowi poważną alternatywę wobec najbardziej dotąd popularnej interpretacji kopenhaskiej. Co istotne, pozbawiona jest paradoksu pomiaru, nękającego standardową interpretację mechaniki kwantowej.
Położenia i pędy cząstek są zmiennymi ukrytymi w tym sensie, że każda cząstka ma jednocześnie ściśle określone położenie i pęd w każdej chwili czasu. Jednak nie można zmierzyć dokładnie obu tych wielkości jednocześnie, gdyż każdy pomiar jednej zaburza wartość drugiej - zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Zbiór cząstek ma odpowiadającą sobie falę materii, ewoluującą zgodnie z równaniem Schrödingera. Każda cząstka podąża deterministyczną trajektorią, kierowaną przez falę pilotującą. Zbiorczo, gęstość cząstek dopasowuje się do wysokości amplitudy funkcji falowej. Funkcja falowa nie podlega działaniom cząstek i może istnieć jako pusta funkcja falowa.
W interpretacji kopenhaskiej cząstki nie mają zdefiniowanej lokalizacji, zanim nie zostaną zaobserwowane. W teorii fali
pilotującej pozycje cząstek są dokładnie zdefiniowane, ale oznacza to różne poważne implikacje dla całej fizyki - dlatego
też teoria ta nie jest zbyt popularna. Jednak pozwala na wyjaśnienie działania EmDrive.
"Jeśli ośrodek może przenosić oscylacje akustyczne, to oznacza, że jego składniki mogą ze sobą oddziaływać i przekazywać pęd", pisze zespół badaczy z NASA w publikacji z listopada 2016. "Jeśli próżnia kreuje i anihiluje cząstki, jak się przypuszcza, to możliwa jest ekstrakcja pracy z próżni i w konsekwencji odepchnięcie się od niej - przy zachowaniu energii i pędu, co pozwala nie naruszać praw dynamiki Newtona".
Jedną z konsekwencji tej interpretacji wydaje się uznanie, że EmDrive poruszałby się, niejako "odpychając" od Wszechświata.
EmDrive nie musi łamać praw fizyki…
…uważa Mike McCulloch z Plymouth University, proponując nową teorię, zakładającą odmienny 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 jako miara 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.
W odniesieniu do EmDrive 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 powstawać w ten sposób ciąg.
Teoria McCullocha z jednej strony niweluje problem zachowania pędu, z drugiej zaś orbituje na obrzeżach naukowego mainstreamu. 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.
Czy to na pewno ciąg?
Pomimo wspomnianych pozytywnych wyników badań dotyczących ciągu napędu EmDrive, krytycy podtrzymują swój sprzeciw. Zauważają, że wbrew doniesieniom medialnym, NASA nie udowodniła jeszcze, że silnik w rzeczywistości działa. Nie wykluczono np. ze stuprocentową pewnością błędów eksperymentalnych, spowodowanych m.in. parowaniem materiałów stanowiących części układu napędowego.
Krytycy podnoszą, że siła fali elektromagnetycznej w obu kierunkach jest w rzeczywistości 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. Sceptycy brali pod uwagę chociażby tworzenie lekkiego ciągu przez pływ powietrza, lecz NASA wykluczyła to 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.
Niektórzy wątpią, czy w eksperymencie tym rozróżnia się ciąg właściwy silnika i efekt nagrzewania się układu potraktowanego prądem elektrycznym (9). W układzie eksperymentalnym NASA do cylindra przedostaje się bardzo duża ilość energii cieplnej, co może zmieniać rozkład masy i środek ciężkości, powodując w urządzeniach pomiarowych detekcję ciągu EmDrive.
Entuzjaści EmDrive twierdzą, że tajemnica tkwi m.in. w stożkowym kształcie cylindra, dzięki czemu właśnie pojawia się ciąg. Sceptycy odpowiadają na to, że warto byłoby przeprowadzić testy niemożliwego napędu ze zwykłym cylindrem. Jeśli bowiem w takiej zwykłej, niestożkowej, konstrukcji pojawiłby się ciąg, podważałoby to część "mistycznych" twierdzeń na temat EmDrive, a także wsparłoby podejrzenia co do działania w instalacji eksperymentalnej "niemożliwego silnika" dobrze znanych efektów cieplnych.
Wątpliwości budzą też zmierzone w eksperymentach NASA Eagleworks "osiągi" silnika. Przy zastosowaniu bowiem mocy 40 watów zmierzono ciąg na poziomie 40 μN - w granicach plus-minus 20 μN. To aż 50-procentowy margines błędu. Po zwiększeniu mocy do 60 W pomiary osiągów były jeszcze mniej precyzyjne. Nawet jednak po przyjęciu tych danych za dobrą monetę, nowy rodzaj napędu wciąż wytwarza zaledwie jedną dziesiątą siły na kilowat energii elektrycznej, którą daje się osiągnąć w zaawansowanych silnikach jonowych, takich jak NSTAR lub NEXT.
Sceptycy wzywają do dalszych, dokładniejszych i oczywiście niezależnych testów. Przypominają, że ciąg EmDrive pojawiał się w chińskich eksperymentach już w 2012 r., zaś po udoskonaleniu technik doświadczalno-pomiarowych, zniknął.
Test prawdy na orbicie
Ostateczną (?) odpowiedź na pytanie, czy napęd z komorą rezonansową działa, zamierza dać wspominany wcześniej Guido Fetta - wynalazca wariantu tej koncepcji, nazwanej Cannae Drive. Jego zdaniem usta sceptykom i krytykom zamknie wysłanie na orbitę satelity napędzanego tym właśnie silnikiem. Zamknie, ma się rozumieć, jeśli Cannae Drive rzeczywiście satelitę napędzi.
Sonda wielkości 6 jednostek CubeSat (tj. ok. 10×20×30 cm) ma zostać wyniesiona na wysokość 241 km, na której pozostanie około pół roku. Tradycyjnym satelitom tej wielkości paliwo na korygowanie wysokości orbity kończy się już po ok. sześciu tygodniach. EmDrive zasilany przez ogniwa słoneczne pozwolić ma na zniesienie tego ograniczenia.
Aby skonstruować urządzenie, zarządzana przez Fettę firma Cannae Inc. zawiązała spółkę z LAI International oraz SpaceQuest Ltd, mającymi doświadczenie jako dostawca części m.in. dla lotnictwa oraz producent mikrosatelitów. Jeżeli wszystko pójdzie dobrze, to Theseus, bo tak się nowe przedsięwzięcie nazywa, może wystrzelić pierwszego mikrosatelitę z napędem EmDrive jeszcze w 2017 r.
To nic innego jak fotony – twierdzą Finowie
Na kilka miesięcy przed publikacją wyników NASA, w recenzowanym naukowo piśmie "AIP Advances" ukazał się artykuł na temat kontrowersyjnego silnika EmDrive. Jego autorzy, profesor fizyki Arto Annila z Uniwersytetu w Helsinkach, dr chemii organicznej Erkki Kolehmainen z Uniwersytetu w Jyväskylä oraz fizyk Patrick Grahn z firmy Comsol, twierdzą, że EmDrive zyskuje ciąg dzięki ucieczce fotonów z zamkniętej komory.
Profesor Annila to znany badacz sił natury. Jest autorem niemal pięćdziesięciu prac opublikowanych w prestiżowych pismach. Jego teorie znalazły zastosowanie w badaniach ciemnej energii i ciemnej materii, ewolucji, ekonomii czy neurologii. Annila stwierdza kategorycznie: EmDrive jest jak każdy inny silnik. Pobiera paliwo i wytwarza ciąg.
Od strony paliwa wszystko jest proste i zrozumiałe dla każdego - do silnika wysyłane są mikrofale. Prblem w tym, że nie widać niczego, co by się z niego wydostawało, dlatego też ludzie sądzą, że silnik nie działa. Jak więc może z niego wydostawać się coś, czego nie da się wykryć? Fotony odbijają się w komorze w tę i z powrotem. Część z nich podąża w tym samym kierunku i z tą samą prędkością, jednak ich faza jest przesunięta o 180 stopni. Jeśli więc podróżują w takiej konfiguracji, nawzajem znoszą swoje pole elektromagnetyczne. To jak fale wody podróżujące razem, gdy jedna jest przesunięta względem drugiej tak, że nawzajem się niwelują. Woda nie znika, nadal tam jest. Tak samo nie znikają fotony, które są nośnikiem pędu, chociaż nie widać ich w formie światła. Jeśli zaś fale nie mają już właściwości elektromagnetycznych, gdyż nawzajem je sobie zniwelowały, nie odbijają się od ścian komory i się z niej wydostają. Mamy więc napęd dzięki fotonom występującym w parach.
Łódź zanurzona w relatywnej czasoprzestrzeni
Znany fizyk James F. Woodward (10) wierzy dla odmiany, że podstawą fizyczną działania nowego rodzaju napędu jest tzw. zasada Macha. Woodward sformułował nielokalną teorię matematyczną w oparciu o zasadę Macha. Najbardziej niezwykłe jest jednak to, że teoria jego jest weryfikowalna, ponieważ przewiduje fizyczne efekty.
Woodward mówi, że jeżeli gęstość masy-energii jakiegoś wyszczególnionego systemu zmienia się w czasie, to masa tegoż systemu zmienia się o wielkość proporcjonalną do drugiej pochodnej zmiany gęstości rozpatrywanego systemu.
Jeżeli np. kondensator ceramiczny o masie 1 kg ładujemy raz dodatnim, raz ujemnym napięciem, które zmienia się z częstotliwością 10 kHz i przenosi moc np. 100 W - to teoria Woodwarda przewiduje, że masa kondensatora powinna zmieniać się ±10 milligramów wokół jego początkowej wartości masy z częstotliwością 20 kHz. To przewidywanie zostało potwierdzone w laboratorium i tym samym potwierdzona została empirycznie zasada Macha.
Ernst Mach uważał, że ciało porusza się ruchem jednostajnym nie względem przestrzeni absolutnej, lecz względem środka masy wszystkich pozostałych ciał Wszechświata. Bezwładność ciała jest skutkiem jego oddziaływania z innymi ciałami. Jak uważa wielu fizyków, pełna realizacja zasady Macha byłaby dowodem na całkowite uzależnienie geometrii czasoprzestrzeni od rozkładu materii we Wszechświecie, a teoria jej odpowiadająca byłaby teorią relatywnej czasoprzestrzeni.
Obrazowo tę koncepcję działania silnika EmDrive można porównać do wiosłowania po oceanie. Przy czym ocean ów to Wszechświat. Napęd działałby mniej więcej, jak wiosło zanurzające się i odpychające od wody składającej się na Wszechświat. A najciekawsze w tym wszystkim jest to, że fizyka znajduje się obecnie w takim stanie, iż tego rodzaju metafora wcale nie wydaje się czczą fantazją i poezją.
Nie tylko EmDrive, czyli napędy kosmiczne przyszłości
Choć silnik Shawyera dał dopiero minimalny pęd, już wróży mu się wielką przyszłość w dziedzinie podróży kosmicznych.Ma nas zabrać na Marsa i dalej. Nie jest jednak jedyną nadzieją na naprawdę szybkie i wydajne napędy pojazdów kosmicznych. Oto kilka innych koncepcji:
- Napęd nuklearny. Miałby polegać na odpalaniu bomb atomowych i kierowaniu siły ich eksplozji "lufą" w kierunku rufy statku. Eksplozje nuklearne dałyby siłę uderzeniową "popychającą" statek do przodu. Wersja niewybuchowa polegałaby na zastosowaniu substancji rozszczepialnej w postaci soli, np. bromku uranu, rozpuszczonego w wodzie. Paliwo takie jest składowane w szeregu pojemników, ogrodzonych od siebie warstwą wytrzymałego materiału, z dodatkiem boru, silnego
pochłaniacza neutronów, co uniemożliwia ich przepływ między pojemnikami. Gdy uruchamiamy silnik, materiał z wszystkich pojemników jest łączony, co wywołuje reakcję łańcuchową, zaś roztwór soli w wodzie zamienia się w plazmę, która, wylatując z dyszy rakiety zabezpieczonej przed ogromną temperaturą plazmy polem magnetycznym, daje stały ciąg. Szacuje się, że dałoby się taką metodą rozpędzić rakietę do 6 tys. km/s lub nawet więcej. Jednak przy tej metodzie potrzeba wielkich ilości paliwa jądrowego - dla statku o masie tysiąca ton byłoby to nawet 10 tys. ton uranu. - Napęd termojądrowy, wykorzystujący deuter. Dająca ciąg plazma o temperaturze ok. 500 mln stopni Celsjusza to poważne wyzwanie dla konstruktorów np. dysz wylotowych. Jednak prędkość, którą w teorii można by dzięki temu osiągnąć, wynosi blisko jedną dziesiątą prędkości światła, czyli dochodzi do 30 tys. km/s. Opcja ta na razie pozostaje jednak niewykonalna technicznie.
- Antymateria. To dziwne coś naprawdę istnieje - w CERN i Fermilab udało się zebrać za pomocą pierścieni zbiorczych około tryliona antyprotonów, czyli jeden pikogram antymaterii. Teoretycznie można by antymaterię przechowywać w tzw. pułapkach Penninga, w których pole magnetyczne nie pozwala na zderzanie ze ścianami pojemnika. Anihilacja antymaterii ze zwykłą
materią, np. z wodorem, daje gigantyczną energię z wysokoenergetycznej plazmy, znajdującej się w pułapce magnetycznej. W teorii pojazd napędzany energią anihilacji materii i antymaterii mógłby rozpędzić się aż do 90% prędkości światła. W praktyce wytwarzanie antymaterii jest jednak niezwykle trudne i kosztowne. Potrzeba dziesięć milionów razy więcej energii na wytworzenie danej porcji niż jest ona sama w stanie jej później wygenerować. - Żagle słoneczne. Stanowią koncepcję napędu znaną od lat, ale wciąż czekającą na, choćby próbną, realizację. Żagle działałyby, wykorzystując opisany przez Einsteina efekt fotoelektryczny. Ich powierzchnia musiałaby być jednak bardzo duża. Sam żagiel musiałby też być bardzo cienki, aby konstrukcja nie ważyła zbyt wiele.
- Napęd warp. Fantaści twierdzą, że wystarczy… zakrzywić przestrzeń, co w efekcie zmniejsza odległość pomiędzy pojazdem a celem podróży i zwiększa odległość za nim. W ten sposób sam pasażer porusza się w niewielkim stopniu, ale przemierza ogromny dystans w "bąblu warp". Jakkolwiek fantastycznie to brzmi, naukowcy z NASA całkiem poważnie eksperymentowali
z efektami warp na fotonach. W 1994 r. fizyk dr Miguel Alcubierre zaproponował teorię naukową, opisującą, jak mógłby taki napęd działać. Chodziłoby w istocie o pewnego rodzaju oszustwo - zamiast poruszać się szybciej niż prędkość światła, modyfikowano by samą czasoprzestrzeń. Niestety, w najbliższym czasie nie należy spodziewać się otrzymania napędu warp. Jeden z wielu wiążących się z nim problemów polega na tym, że statek tak napędzany wymagałby ujemnej energii do zasilania. Co prawda energia tego rodzaju znana jest teoretycznej fizyce - teoretyczny model próżni jako nieskończonego morza cząstek mających negatywną energię pierwszy raz zaproponował brytyjski fizyk Paul Dirac w roku 1930, aby wytłumaczyć istnienie stanów kwantowych o negatywnej energii, przewidywanych przez równanie Diraca dla relatywistycznych elektronów.
W fizyce klasycznej zakłada się, że w naturze występuje tylko rozwiązanie o dodatniej energii, natomiast takie o ujemnej nie ma sensu. Jednak równanie Diraca postuluje istnienie procesów, w których ujemne rozwiązanie jest w stanie powstać z "normalnych" dodatnich cząstek, wobec czego nie można go ignorować. Nie wiadomo jednak, czy ujemną energię można stworzyć w dostępnej nam rzeczywistości.
Istnieje wiele problemów, związanych z realizacją napędu warp. Jednym z najważniejszych wydaje się komunikacja. Przykładowo, nie wiadomo, w jaki sposób statek mógłby komunikować się z obszarami czasoprzestrzeni znajdującymi się wokół niego, poruszając się szybciej od prędkości światła? Uniemożliwiałoby to też wyłączanie napędu lub uruchomienie go.
Mirosław Usidus
