Eine mythische Form des Weltraumantriebs wird endlich einem realen Test unterzogen

Seit der Geburt des Raumfahrtzeitalters wurde der Traum von einem Flug zu einem anderen Sonnensystem durch die „Tyrannei der Raketengleichung“ behindert, die der Geschwindigkeit und Größe der Raumfahrzeuge, die wir in den Kosmos schleudern, harte Grenzen setzt. Selbst mit den stärksten Raketentriebwerken von heute würden Wissenschaftler schätzen, dass es 50.000 Jahre dauern würde, unseren nächsten interstellaren Nachbarn, Alpha Centauri, zu erreichen. Wenn die Menschheit jemals hoffen will, einen außerirdischen Sonnenaufgang zu sehen, müssen die Transitzeiten deutlich sinken.

Von den fortschrittlichen Antriebskonzepten, die das theoretisch schaffen könnten, haben nur wenige so viel Aufregung und Kontroversen ausgelöst wie der EmDrive. Erstmals vor fast zwei Jahrzehnten beschrieben, funktioniert der EmDrive, indem er Strom in Mikrowellen umwandelt und diese elektromagnetische Strahlung durch eine konische Kammer leitet. Theoretisch können die Mikrowellen eine Kraft auf die Wände der Kammer ausüben, die genug Schub erzeugt, um ein Raumschiff im Weltraum anzutreiben. Bislang existiert der EmDrive jedoch nur als Laborprototyp, und es ist noch unklar, ob er überhaupt Schub erzeugen kann. Wenn ja, sind die Kräfte, die er erzeugt, nicht stark genug, um mit bloßem Auge registriert zu werden, geschweige denn ein Raumschiff anzutreiben.

In den letzten Jahren haben jedoch eine Handvoll Forschungsteams, darunter auch eines von der NASA, behauptet, erfolgreich Schub mit einem EmDrive erzeugt zu haben. Wenn das stimmt, wäre das einer der größten Durchbrüche in der Geschichte der Weltraumforschung. Das Problem ist, dass der Schub, der bei diesen Experimenten beobachtet wird, so gering ist, dass es schwer zu sagen ist, ob er real ist.

Die Lösung liegt in der Entwicklung eines Werkzeugs, das diese winzigen Mengen an Schub messen kann. Deshalb hat sich ein Team von Physikern der Technischen Universität Dresden daran gemacht, ein Gerät zu entwickeln, das diesen Bedarf erfüllt. Unter der Leitung des Physikers Martin Tajmar soll im Rahmen des SpaceDrive-Projekts ein Instrument entwickelt werden, das so empfindlich und unempfindlich gegen Störungen ist, dass es die Debatte ein für alle Mal beendet. Im Oktober präsentierten Tajmar und sein Team auf dem Internationalen Astronautenkongress die zweite Serie von experimentellen EmDrive-Messungen, deren Ergebnisse im August in Acta Astronautica veröffentlicht werden. Basierend auf den Ergebnissen dieser Experimente sagt Tajmar, dass eine Auflösung der EmDrive-Saga nur noch ein paar Monate entfernt sein könnte.

Viele Wissenschaftler und Ingenieure lehnen den EmDrive ab, weil er die Gesetze der Physik zu verletzen scheint. Mikrowellen, die auf die Wände einer EmDrive-Kammer drücken, scheinen einen Schub ex nihilo zu erzeugen, was gegen den Impulserhaltungssatz verstößt – es ist alles Aktion und keine Reaktion. Befürworter des EmDrive wiederum haben sich auf Randinterpretationen der Quantenmechanik berufen, um zu erklären, wie der EmDrive funktionieren könnte, ohne die Newtonsche Physik zu verletzen. „Von der Theorie her nimmt das niemand ernst“, sagt Tajmar. Wenn der EmDrive in der Lage ist, Schub zu erzeugen, wie einige Gruppen behauptet haben, sagt er, sie haben „keine Ahnung, woher dieser Schub kommt.“ Wenn es eine theoretische Kluft dieser Größenordnung in der Wissenschaft gibt, sieht Tajmar nur einen Weg, sie zu schließen: Experimente.

Ende 2016 versammelten sich Tajmar und 25 andere Physiker in Estes Park, Colorado, zur ersten Konferenz, die sich dem EmDrive und verwandten exotischen Antriebssystemen widmete. Einer der spannendsten Vorträge wurde von Paul March gehalten, einem Physiker im Eagleworks-Labor der NASA, wo er und sein Kollege Harold White verschiedene EmDrive-Prototypen getestet hatten. Nach Marchs Präsentation und einem anschließenden Artikel, der im Journal of Propulsion and Power veröffentlicht wurde, beobachteten er und White mehrere Dutzend Mikronewton Schub in ihrem EmDrive-Prototyp. (Zum Vergleich: Ein einzelnes SpaceX-Merlin-Triebwerk erzeugt auf Meereshöhe etwa 845.000 Newton Schub.) Das Problem für Harold und White war jedoch, dass ihr Versuchsaufbau mehrere Störquellen zuließ, so dass sie nicht mit Sicherheit sagen konnten, ob es sich bei dem, was sie beobachteten, um Schub handelte.

Tajmar und die Dresdner Gruppe verwendeten eine genaue Nachbildung des EmDrive-Prototyps, den Harold und White bei ihren Tests bei der NASA verwendeten. Er besteht aus einem Kupferstumpf – einem Kegel mit abgeschnittener Spitze -, der nur knapp einen Meter lang ist. Diese Konstruktion geht auf den Ingenieur Roger Shawyer zurück, der den EmDrive erstmals 2001 beschrieb. Bei den Tests wird der EmDrive-Kegel in eine Vakuumkammer gestellt. Außerhalb der Kammer erzeugt ein Gerät ein Mikrowellensignal, das über Koaxialkabel an Antennen im Inneren des Kegels weitergeleitet wird.

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Es ist nicht das erste Mal, dass das Dresdner Team versucht, nahezu unmerkliche Kraftmengen zu messen. Sie bauten ähnliche Vorrichtungen für ihre Arbeit an Ionentriebwerken, die zur präzisen Positionierung von Satelliten im Weltraum verwendet werden. Diese Mikro-Newton-Triebwerke sind die Art, die von der LISA-Pathfinder-Mission verwendet wurden, die eine extrem präzise Positionierungsfähigkeit benötigt, um schwache Phänomene wie Gravitationswellen zu entdecken. Aber um den EmDrive und ähnliche antriebslose Antriebssysteme zu untersuchen, so Tajmar, war eine Auflösung im Nanonewtonbereich erforderlich.

Ihr Ansatz war die Verwendung einer Torsionswaage, einer pendelartigen Waage, die das auf die Achse des Pendels ausgeübte Drehmoment misst. Eine weniger empfindliche Version dieser Waage wurde auch vom NASA-Team verwendet, als sie dachten, dass ihr EmDrive Schub erzeugt. Um die geringe Kraft genau zu messen, nutzte das Dresdner Team ein Laserinterferometer, um die physikalische Verschiebung der Waage zu messen, die durch den EmDrive erzeugt wird. Laut Tajmar hat ihre Torsionswaage eine Auflösung im Nanonewton-Bereich und unterstützt Schubdüsen mit einem Gewicht von mehreren Pfund, was sie zur empfindlichsten Schubwaage macht, die es gibt.

Aber eine wirklich empfindliche Schubwaage nützt nicht viel, wenn man nicht auch feststellen kann, ob die detektierte Kraft tatsächlich Schub ist und nicht ein Artefakt von äußeren Störungen. Und es gibt eine Menge alternativer Erklärungen für Harolds und Whites Beobachtungen. Um festzustellen, ob ein EmDrive tatsächlich Schub erzeugt, müssen die Forscher das Gerät vor Störungen abschirmen, die durch die magnetischen Pole der Erde, seismische Vibrationen aus der Umgebung und die thermische Ausdehnung des EmDrive aufgrund der Erwärmung durch die Mikrowellen verursacht werden.

Durch Optimierungen am Design der Torsionswaage – bessere Kontrolle der Stromversorgung des EmDrive und Abschirmung vor Magnetfeldern – konnten einige der Störungsprobleme beseitigt werden, sagt Tajmar. Ein schwierigeres Problem war der Umgang mit der „thermischen Drift“. Wenn Strom in den EmDrive fließt, erwärmt sich der Kupferkegel und dehnt sich aus, wodurch sich sein Schwerpunkt gerade so weit verschiebt, dass die Torsionswaage eine Kraft registriert, die fälschlicherweise als Schubkraft angesehen werden kann. Tajmar und sein Team hofften, dass die Änderung der Ausrichtung des Triebwerks dazu beiträgt, dieses Problem zu lösen.

Im Verlauf von 55 Experimenten registrierten Tajmar und seine Kollegen eine durchschnittliche Kraft von 3,4 Mikronewton vom EmDrive, was den Ergebnissen des NASA-Teams sehr ähnlich war. Leider schienen diese Kräfte den thermischen Drifttest nicht zu bestehen. Die Kräfte, die in den Daten zu sehen waren, deuteten eher auf eine thermische Ausdehnung als auf einen Schub hin.

Alle Hoffnung ist für den EmDrive jedoch noch nicht verloren. Tajmar und seine Kollegen entwickeln außerdem zwei weitere Typen von Schubwaagen, darunter eine supraleitende Waage, die unter anderem helfen soll, Fehlanzeigen durch thermische Drift zu eliminieren. Wenn sie an diesen Waagen die Kraft eines EmDrive erkennen, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass es sich tatsächlich um Schub handelt. Wenn jedoch keine Kraft auf diesen Waagen registriert wird, bedeutet dies wahrscheinlich, dass alle bisherigen Beobachtungen des EmDrive-Schubs falsch positiv waren. Tajmar sagt, er hofft, bis Ende des Jahres ein endgültiges Urteil zu haben.

Aber selbst ein negatives Ergebnis dieser Arbeit bedeutet nicht das endgültige Aus für den EmDrive. Es gibt viele andere treibstofflose Antriebskonzepte, die verfolgt werden können. Und sollten Wissenschaftler jemals neue Formen schwacher Antriebe entwickeln, werden die hypersensiblen Schubbalancen, die Tajmar und das Dresdner Team entwickelt haben, mit ziemlicher Sicherheit eine Rolle dabei spielen, Science Fact von Science Fiction zu trennen.

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