Od narodzin ery kosmicznej, marzenie o podróży do innego układu słonecznego było ograniczane przez „tyranię równania rakietowego”, które wyznacza twarde limity prędkości i rozmiarów statków kosmicznych, które wystrzeliwujemy w kosmos. Nawet przy użyciu dzisiejszych najpotężniejszych silników rakietowych, naukowcy szacują, że dotarcie do naszego najbliższego międzygwiezdnego sąsiada, Alfy Centauri, zajęłoby 50 000 lat. Jeśli ludzie mają nadzieję zobaczyć wschód słońca w kosmosie, czas przelotu musi się znacznie skrócić.
Wśród zaawansowanych koncepcji napędów, które teoretycznie mogłyby to osiągnąć, niewiele wzbudziło tyle emocji i kontrowersji, co EmDrive. Opisany po raz pierwszy prawie dwie dekady temu napęd EmDrive działa na zasadzie konwersji energii elektrycznej na mikrofale i kierowania tego promieniowania elektromagnetycznego przez komorę stożkową. Teoretycznie, mikrofale mogą wywierać siłę na ściany komory, wytwarzając ciąg wystarczający do napędzania statku kosmicznego w przestrzeni kosmicznej. Na razie jednak EmDrive istnieje tylko jako prototyp laboratoryjny i nie wiadomo, czy jest w stanie wytworzyć ciąg. Jeśli tak, to generowane przez niego siły nie są na tyle silne, by można je było zarejestrować gołym okiem, a tym bardziej nie są w stanie napędzać statku kosmicznego.
W ciągu ostatnich kilku lat kilka zespołów badawczych, w tym jeden z NASA, twierdzi, że udało im się wytworzyć ciąg za pomocą napędu EmDrive. Jeśli to prawda, byłby to jeden z największych przełomów w historii eksploracji kosmosu. Problem w tym, że siła ciągu zaobserwowana w tych eksperymentach jest tak mała, że trudno powiedzieć, czy jest prawdziwa.
Rozwiązanie polega na zaprojektowaniu narzędzia, które może zmierzyć te znikome ilości siły ciągu. Dlatego zespół fizyków z niemieckiego Technische Universität Dresden postanowił stworzyć urządzenie, które spełni tę potrzebę. Projekt SpaceDrive, prowadzony przez fizyka Martina Tajmara, ma na celu stworzenie urządzenia tak czułego i odpornego na zakłócenia, że raz na zawsze położyłoby ono kres tej debacie. W październiku Tajmar i jego zespół zaprezentowali drugi zestaw eksperymentalnych pomiarów EmDrive na Międzynarodowym Kongresie Astronautycznym, a ich wyniki zostaną opublikowane w sierpniu tego roku w Acta Astronautica. Na podstawie wyników tych eksperymentów Tajmar twierdzi, że rozwiązanie sagi EmDrive może nastąpić dopiero za kilka miesięcy.
Wielu naukowców i inżynierów odrzuca EmDrive, ponieważ wydaje się on łamać prawa fizyki. Mikrofale napierające na ścianki komory EmDrive wydają się generować siłę ciągu ex nihilo, co narusza zasadę zachowania pędu – wszystko jest akcją, a nie reakcją. Z kolei zwolennicy EmDrive odwołują się do skrajnych interpretacji mechaniki kwantowej, aby wyjaśnić, jak EmDrive może działać bez naruszania zasad fizyki newtonowskiej. „Z punktu widzenia teorii nikt nie traktuje tego poważnie” – mówi Tajmar. Jeśli EmDrive jest w stanie wytworzyć ciąg, jak twierdzą niektóre grupy, to „nie mają pojęcia, skąd ten ciąg się bierze”. Kiedy w nauce pojawia się tak wielka teoretyczna wyrwa, Tajmar widzi tylko jeden sposób na jej zasypanie: eksperymenty.
Pod koniec 2016 roku Tajmar i 25 innych fizyków zebrali się w Estes Park w Kolorado na pierwszej konferencji poświęconej napędowi EmDrive i pokrewnym egzotycznym systemom napędowym. Jedną z najbardziej ekscytujących prezentacji wygłosił Paul March, fizyk z laboratorium NASA Eagleworks, gdzie wraz ze swoim kolegą Haroldem White’em testował różne prototypy EmDrive’ów. Zgodnie z prezentacją Marcha i późniejszą pracą opublikowaną w Journal of Propulsion and Power, on i White zaobserwowali kilkadziesiąt mikro-newtonów ciągu w swoim prototypie EmDrive. (Dla porównania, pojedynczy silnik SpaceX Merlin wytwarza około 845 000 niutonów ciągu na poziomie morza). Problemem dla Harolda i White’a było jednak to, że ich eksperymentalna konfiguracja pozwalała na kilka źródeł zakłóceń, więc nie mogli stwierdzić z całą pewnością, czy to, co zaobserwowali, było ciągiem.
Tajmar i grupa z Drezna wykorzystali bliską replikę prototypu EmDrive, którego użyli Harold i White w swoich testach w NASA. Składa się on z miedzianego frustum – stożka z obciętym wierzchołkiem – o długości nieco poniżej stopy. Konstrukcja ta pochodzi od inżyniera Rogera Shawyera, który po raz pierwszy opisał napęd EmDrive w 2001 roku. Podczas testów stożek EmDrive umieszczany jest w komorze próżniowej. Na zewnątrz komory, urządzenie generuje sygnał mikrofalowy, który jest przekazywany, za pomocą kabli koncentrycznych, do anten wewnątrz stożka.
LEARN MORE
The WIRED Guide to Aliens
To nie pierwszy raz, gdy zespół z Drezna starał się zmierzyć niemal niezauważalne ilości siły. Zbudowali oni podobne urządzenia do pracy nad pędnikami jonowymi, które są używane do precyzyjnego pozycjonowania satelitów w przestrzeni kosmicznej. Te mikro-newtonowe pędniki zostały wykorzystane przez misję LISA Pathfinder, która potrzebuje niezwykle precyzyjnego pozycjonowania, aby wykryć słabe zjawiska, takie jak fale grawitacyjne. Tajmar twierdzi jednak, że aby zbadać EmDrive i podobne systemy napędowe bez napędu, potrzebna jest rozdzielczość rzędu nano-newtonów.
Podejście to polegało na użyciu wagi skrętnej, czyli wagi typu wahadłowego, która mierzy wielkość momentu obrotowego przyłożonego do osi wahadła. Mniej czuła wersja tego balansu została również użyta przez zespół NASA, gdy sądzili, że ich napęd EmDrive wytwarza ciąg. Aby dokładnie zmierzyć niewielką siłę, zespół z Drezna użył interferometru laserowego do pomiaru fizycznego przesunięcia liniałów wagi EmDrive. Według Tajmara, ich waga skrętna ma rozdzielczość nano-newtonów i obsługuje pędniki ważące kilka funtów, co czyni ją najczulszą wagą do pomiaru siły ciągu, jaka istnieje.
Ale naprawdę czuła waga do pomiaru siły ciągu nie jest zbyt użyteczna, jeśli nie można określić, czy wykryta siła jest rzeczywiście siłą ciągu, a nie artefaktem zakłóceń zewnętrznych. A istnieje wiele alternatywnych wyjaśnień dla obserwacji Harolda i White’a. Aby stwierdzić, czy EmDrive rzeczywiście wytwarza siłę ciągu, badacze muszą zabezpieczyć urządzenie przed zakłóceniami powodowanymi przez bieguny magnetyczne Ziemi, drgania sejsmiczne otoczenia oraz rozszerzalność cieplną EmDrive spowodowaną nagrzewaniem się od mikrofal.
Poprawki w konstrukcji wagi skrętnej – lepsza kontrola zasilania EmDrive i zabezpieczenie go przed polami magnetycznymi – rozwiązały część problemów związanych z zakłóceniami, mówi Tajmar. Trudniejszym problemem było rozwiązanie problemu „dryftu termicznego”. Kiedy do napędu EmDrive płynie prąd, miedziany stożek nagrzewa się i rozszerza, co powoduje przesunięcie środka ciężkości na tyle, że waga skrętna rejestruje siłę, którą można pomylić z siłą ciągu. Tajmar i jego zespół mieli nadzieję, że zmiana orientacji pędnika pomoże rozwiązać ten problem.
Podczas 55 eksperymentów Tajmar i jego koledzy zarejestrowali średnio 3,4 mikro-newtony siły pochodzącej z EmDrive, co było bardzo podobne do tego, co znalazł zespół NASA. Niestety, siły te nie zdają egzaminu w teście dryftu termicznego. Siły widoczne w danych wskazywały raczej na rozszerzalność cieplną niż na siłę ciągu.
Wszystkie nadzieje nie są jednak stracone dla EmDrive. Tajmar i jego koledzy opracowują dwa dodatkowe rodzaje wag oporowych, w tym wagę nadprzewodnikową, która między innymi pomoże wyeliminować fałszywe wyniki pozytywne spowodowane dryfem termicznym. Jeśli na tych wagach zostanie wykryta siła pochodząca z napędu EmDrive, istnieje duże prawdopodobieństwo, że jest to rzeczywiście siła ciągu. Jeśli natomiast na tych wagach nie zostanie zarejestrowana żadna siła, oznacza to, że wszystkie poprzednie obserwacje napędu EmDrive były fałszywie pozytywne. Tajmar ma nadzieję, że ostateczny werdykt zostanie wydany do końca roku.
Ale nawet negatywny wynik tych badań może nie przekreślić EmDrive na dobre. Istnieje wiele innych projektów napędów bezmotorowych, które można rozwijać. A jeśli naukowcy kiedykolwiek opracują nowe formy słabych napędów, hiperczułe wagi ciągu opracowane przez Tajmara i zespół z Drezna niemal na pewno odegrają rolę w oddzielaniu faktów naukowych od fikcji.
Więcej wspaniałych historii z WIRED
- Mój wspaniały, nudny, prawie pozbawiony kontaktu z otoczeniem spacer po Japonii
- Co naprawdę oznaczają gwiazdki Amazona?
- Leki, które zwiększają rytm okołodobowy, mogą uratować nasze życie
- 4 najlepsze menedżery haseł, aby zabezpieczyć swoje cyfrowe życie
- Co firmy technologiczne płacą pracownikom w 2019 roku
- 🏃🏽♀️ Chcesz najlepszych narzędzi do zdrowia? Sprawdź nasze wybory zespołu Gear dla najlepszych trackerów fitness, sprzętu do biegania (w tym butów i skarpetek) i najlepszych słuchawek.
- 📩 Uzyskaj jeszcze więcej naszych wewnętrznych pętli z naszym cotygodniowym biuletynem Backchannel