Club Aurora

ЕmDrive – невъзможният двигател

Годината е 2000. Британският авиоинженер Роджър Шойър създава компанията Satellite Propulsion Research Ltd., след като няколко десетилетия е работил в отбранителната и аерокосмическата индустрия на Обединеното Кралство. Идеята, която стои зад тази компания, е безспорно революционна и дори прекрачва границата на здравия разум. Шойър се надява да създаде двигател, чрез който се получава теглителна сила, без отделяне на реактивно вещество – инженерният еквивалент на самоиздърпващия се от блатото барон Мюнхаузен.

И само след две години Шойър успява. Пред света е представен работещ прототип на невъзможния двигател. Той се нарича EmDrive – заигравка с ЕлектроМагнетизма, който стои (уж) в основата му. Шойър твърди, че е получил 0,02 N тяга при вкарани 850 W електрическа енергия в устройство, наподобяващо микровълновата ви печка. И съвсем естествено още тогава успява да привлече медийното внимание. Като под медийно внимание нямаме предвид жълти таблоиди, а реномирани научни издания като “New Scientist”. Разбира се всичко това не пречи през годините Шойър непрекъснато да бъде упрекван от консервативната академична общност, че той е просто обикновен шарлатанин, независимо от факта, че „двигателят“ му е тестван вече многократно от различни институции, които нямат нищо общо с Шойър, и резултатите винаги са в негова полза. Всъщност EmDrive е една истинска съвременна научна мистерия, тъй като никой не знае защо работи, а ако всъщност не работи, никой не може да докаже каква точно измервателна грешка допускат всички, занимаващи се с него.

Прототипът на EmDrive, изработен от компанията на Шойър - Satellite Propulsion Research. Изображение: emdrive.com

Прототипът на EmDrive, изработен от компанията на Шойър – Satellite Propulsion Research. Изображение: emdrive.com

Но какво е всъщност EmDrive? Както сме писали и преди, в конструктивно отношение EmDrive е впечатляващо прост и прилича на нещо което всеки с малко свободно време може да сглоби в гаража си сам с подръчни материали. Той наподобява конусообразна метална кухина, като едната ѝ основа е с по-голяма площ от другата. В тази кухина се вкарва по вълновод микровълново лъчение, генерирано в магнетрон, който, както казах, не се различава от магнетроните, използвани масово в микровълновите печки и радарите. И това е практически всичко! Посочената опитна постановка генерира тяга, вярно – мижава тяга, но все пак тяга, така че EmDrive се отмества по посока на голямата си основа. Номерът изглежда е в това, че металната кухина не е просто метална кухина, а обемен резонатор с висок коефициент на качеството, чийто размери са така подбрани, че да се създава резонанс за определена честота, съвпадаща с честотата на вкарваното микровълново излъчване.

Схема на работа на EmDrive, според Роджър Шойър. Изображение: emdrive.com

Тук е необходимо да направим едно отклонение за неизкушените в теорията на електромагнетизма. Както знаете, всяко свободно разпространяващо се електромагнитно излъчване съдържа в себе си както електрична, така и магнитна съставка, чийто полета са перпендикулярни едно на друго и перпендикулярни на посоката на движение. Ето така:

Ала какво се случва, ако електромагнитното излъчване не се разпространява свободно, а сме го вкарали в някаква „насочваща“ структура – метален или оптичен проводник, вълновод? Очевидно тук трябва да отчетем и процеси като рефракция (пречупване) и рефлекция (отражение) на електромагнитната вълна. Анализът на тази задача се извършва посредством решаване на диференциалните уравнения на Максуел, описващи електромагнетизма. Нещо, което далеч надхвърля нивото ни тук, но ако случайно искате да се запознаете по-обстойно с тази задача, то препоръчваме ви да погледнете тук и тук. Ние ще се задоволим само с изводите, а те са, че в един вълновод в зависимост от геометричната му форма, размери и честота на електромагнитното трептение е възможно да се получат много по-сложни форми на електромагнитното поле, от илюстрираното по-горе. Те се наричат модове и най-общо се групират по това дали има електрична или магнитна съставка в посоката на излъчването.

Пример за различни конфигурации на TEM (Transverse electromagnetic) мод на лазерен сноп в цилиндричен канал. При ТЕМ мода няма нито магнитна, нито електрична съставка по посоката на движение. Различните конфигурации на картинката са отбелязани с различни индекси, като първата цифра бележи броя на интерферентните минимуми радиално по ширината на канала (с формата на пръстени), а втората цифра – интерфернтните минимуми по височина на канала (с формата на лъчи). Изображение: https://en.wikipedia.org/wiki/Transverse_mode

Или казано с няколко думи – даже в конструкции с проста геометрична форма електромагнитното поле приема сложна конфигурация. И конусообразната камера на EmDrive, то не прави изключение. Резониращото микровълново лъчение формира вътре в пресечения конус e съвкупност от стоящи електромагнитни вълни, която се подчинява на някаква хармонична зависимост във времето, т.е. електричното поле се описва от кратни на E sin(ωt), а магнитното поле – от кратни на B cos (ωt). Известно е и по какъв начин могат да се групират силовите линии на магнитното и електричното поле вътре в конуса. Възможни са два начина:

  • Силовите линии на магнитното поле вътре в конуса се групират в окръжности, разположени в равнини, перпендикулярни на оста на конуса, а електричните силови линии са така насочени, че да са перпендикулярни на стените на конуса.

Пример за ТМ модове в конуса на EmDrive, подчинени на горните принципи. Магнитното поле е изобразено със сини линии, а електричното – с червени точки, защото е насочено от или към нас. Изображение: http://www.gregegan.net/SCIENCE/Cavity/Cavity.html

  • Силовите линии на магнитното поле вътре в конуса се групират в окръжности, концентрирани около „пръстени“, перпендикулярни на оста на конуса, а електричните силови линии също се групират в окръжности, разположени в равнини, перпендикулярни на оста на конуса и за разлика от предходния случай никога не контактуват със стените на конуса.

Пример за ТЕ модове в конуса на EmDrive, подчинени на горните принципи. Магнитното поле е изобразено с червени точки (пръстените му са перпендикулярни на равнината на картинката), а електричното – със сини линии. Изображение: http://www.gregegan.net/SCIENCE/Cavity/Cavity.html

На базата на тези принципи полетата могат да се групират в модове с най-разнообразна конфигурация, която зависи от честотата на вкарваното електромагнитно трептение. Съответно електромагнитната енергия вътре в пресечения конус също се разпределя неравномерно и в зависимост от мода може да се концентрира близо до една от двете основи или в средата. Но патентът на Шойър изисква да се вземе не каква да е честота на микровълновото излъчване, а една точно определена стойност, при която настъпва явлението резонанс.

Aла какво точно е електромагнитният резонанс? В общия случай в стените на пресечения конус (и на всяка една метална конструкция, в която се вкара електромагнитно излъчване), електромагнитното поле индуцира токове, които изправни пред съпротивлението на метала, генерират топлина. Нагряват се най-много участъците, където електромагнитното поле е най-интензивно. Или иначе казано имаме загуби и непрекъснато трябва да вкарваме електромагнитна енергия, за да поддържаме полето вътре. Тези загуби са най-малки при една честота, наречена честота на резонанс. В случая на пресечения конус няма формула, по която да се определи аналитично тази честота, тя може да се установи единствено експериментално или чрез компютърна симулация.

Конфигурация на електромагнитното поле за две честоти, при които възниква резонанс – 2179,4 MHz вляво и 1937 MHz вдясно. Както виждате електромагнитната енергия се разпределя съвсем различно при тези два случая, които опитно са изследвани от NASA. Изображение: https://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=39214.0 / http://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/1.B36120

Дотук се занимавахме с конфигурацията на полето в пресечения конус, но въобще не стана дума за чудодейната сила, която го кара да се оттласква в една посока. От къде се взема тя (ако изобщо се взема отнякъде)? Оказва се, че всъщност има няколко начина да се създаде тази сила. Така например топлината, генерирана в стените на конуса, трябва да се отдаде на околното пространство и това става включително чрез лъчист топлообмен (ако конусът е във вакуум – само чрез лъчист топлообмен). Но лъчистият топлообмен е най-общо казано излъчване на инфрачервени фотони, всеки от които със собствен импулс, така че техният сумарен импулс се предава на самия конус с обратен знак. Значи заради тях той ще се оттласне? Не бързайте толкова. Математически може да се докаже, че независимо от несиметричната форма на конуса и имащото донейде случаен характер разпределение на електромагнитната енергия вътре, то сумарният импулс, който му оказват топлинните фотони, е равен на нула. И конусът няма да се помръдне, колкото и да се напече отвътре.

Обаче Роджър Шойър и поддръжниците му имат малко по-различна трактовка за това какво се случва в конуса. „Теоретичната обосновка“ можете да я прочетете тук . Както сами бихте се убедили, изложението е доста лаконично и донейде неприятно впечатление правят натрапените още в началото изводи, които манипулативно насочват съзнанието на читателя в желаната от автора насока. Ние ще се опитаме да ги преразкажем тук още по-лаконично. И тъй, Шойър разглежда фотоните, формиращи стоящите електромагнитни вълни вътре в конуса и силата, която създават, отразявайки се от двете му основи. Твърдението му е, че двете сили не са равни – фотоните натискат повече голямата основа, отколкото малката.

Аргументацията на Шойър изхожда от някои особени свойства, които имат електромагнитните излъчвания, когато ги вкараме в насочваща структура (като вълновод). Вътре във вълновода дължината на вълната на електромагнитното излъчване се различава от дължината на вълната на същото електромагнитно излъчване, която би имало, ако се разпространяваше свободно. Тя е по-голяма, като това колко по-голяма е зависи от геометричните размери на вълновода. И за да стане още по-объркано – освен дължината на вълната се променя и скоростта на разпространение на електромагнитното излъчване, която пък намалява*. Идеята е, че поради тази причина около основата на конуса с по-голяма площ скоростта на удрящите се в нея микровълнови фотони е по-голяма, отколкото скоростта на удрящите се в малката. Разликата в скоростите води до поява на сила, насочена към голямата основа. Поне така твърди Шойър. За капак на всичко той набърква и Айнщайновата Специална теория на относителността, в рамките на която според него EmDrive не е затворена физическа система, а отворена и фундаменталният Закон за запазване на импулса е спазен.

Защото именно тук е ахилесовата пета на EmDrive, която кара физиците да сбръчкват чело, щом като чуят за него. Поне на пръв поглед Законът за запазване на импулса (ЗЗИ) е нарушен, а при по-внимателно вглеждане се оказва, че е нарушен и Законът за запазване на енергията (ЗЗЕ). Ако разгледаме една ракета като христоматиен пример за ЗЗИ, ще забележим веднага ключовата разлика с EmDrive. При ракетата имаме гориво, което се изхвърля в едната посока, и ракета, която се отмества в другата посока. Импулсите на горивото и на ракетата са равни по-големина и обратни по знак. При EmDrive нищо не се изхвърля, просто вкараните вътре фотони натискат повече едната му половина, отколкото другата половина. Нещо подобно на човек, който иска да избута напред пикапа си, качен на каросерията му. Що се отнася до ЗЗЕ – при EmDrive имаме постоянна електрическа енергия, генерираща постоянно ускорение, което пък от своя страна непрекъснато увеличава скоростта на двигателя и съответно кинетичната му енергия, така че при продължително ускорение се стига до момент, в който кинетичната му енергия (зависеща от квадрата на скоростта) става по-голяма, от това, което сме вкарали вътре дотогава. Тъй че Шойър просто е принуден да прибегне към Теорията на относителността, която поначало никой не разбира, за да замаскира привидната научна недостоверност на творението си.

Въпреки белите конци на теорията обаче, както неколкократно бе демонстрирано от най-различни източници, между които и самата NASA, EmDrive работи и генерира тяга. Или поне така изглежда. Най-простото обяснение на този факт е, че всички, занимавали се с EmDrive допускат някаква обща измервателна грешка или не отчитат всички ефекти при работата на „двигателя“. Опитните постановки към момента са базирани на еднакъв принцип за измерване на тягата. Изследваното устройство се поставя в единия край на лост, лагеруван в средата, така че моментът от евентуално създадената сила да предизвика ротация на лоста.

Схема на опитната поставка използвана от Harold White и екипа му към NASA Johnson Space Center. Изображение: http://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/1.B36120

Подобна методика крие възможности за цяла плеяда от измервателни грешки, още повече като имаме предвид нищожната генерирана сила от EmDrive (не повече от 1 mN). И без да сме физици, е ясно, че конусът на EmDrive все пак пропуска в околното пространство известно количество електромагнитна енергия, която кой знае как влияе на измервателната апаратура. Ето и пример за една коварна грешка, която провали експеримента на екип китайски учени, занимаващи се с EmDrive. Както вече стана ясно, докато работи EmDrive създава много топлина, която се отдава в околното пространство през радиатор, подобен на радиаторите използвани за отвеждане на топлината от процесорите и пр. Само че докато се загрява, радиаторът се разширява и измества центъра си на тежестта, така че е възможно той да създаде момент спрямо центъра на тежестта на EmDrive, който да бъде погрешно интерпретиран като генерирана сила.

Все пак каузата на EmDrive не е напълно загубена. И физиците не спират да създават хипотези защо работи невъзможният двигател. Сред най-екстравагантните е хипотезата, че EmDrive всъщност обменя импулс с т.нар. квантов вакуум, т.е. той изтласква назад квантовите флуктуации във вакуума.** Което пък според други физици е невъзможно, тъй като няма отправна система, спрямо която да се оттласкват тия флуктуации.

Изобщо предлаганите хипотези, които да обяснят EmDrive, споделят една обща черта – всички те се основават на меко казано неясни физически концепции. А това е само още един повод да се усмихем, като се замислим как нещо толкова конструктивно просто като EmDrive e способно да тръшне в нокдаун физиката на 21-ви век.

Предстои да видим дали изобретението на Роджър Шойър ще се нареди сред най-големите съвременни мистификации или напротив – ще прокара пътя за ново поколение космически кораби. Макар и малката тяга на EmDrive да няма приложение на земята, в космически условия един такъв двигател би заел много сериозна ниша. В условията на вакуум електрическите двигатели имат редица предимства (като малкото тегло и способността им да се ускоряват до големи скорости след известно време), а EmDrive бе се представил доста по-добре от прекия си електрически конкурент – йонния двигател.

БЕЛЕЖКИ:

* Тук говорим за т.нар. групова скорост на електромагнитния сигнал, която не трябва да се бърка с фазовата му скорост. Под тези две понятия се има предвид следното – ако си представим един електромагнитен импулс, излъчен в пространството, то груповата скорост на това излъчване е скоростта, с която се движи импулса. Освен тази скорост обаче сигналът има и фазова скорост – това е скоростта, с която се премества фазата му, т.е. разстоянието между два пика на електромагнитната вълна. В един свободно разпространяващ се сигнал двете скорости са еднакви, но във вълновод те се различават. Фазовата скорост е трудно за възприемане понятие – тя не носи енергия и може да бъде по-голяма от скоростта на светлината или дори отрицателна.

**Според хипотеза за квантовия вакуум, вакуумът (отсъствието на материя в пространството) всъщност не е вакуум, а в него все пак остава минимално количество енергия, тъй като от време на време във вакуума се появяват и изчезват някакви частици и полета въз основа на квантовата неопределеност.

ИЗПОЛЗВАНА ЛИТЕРАТУРА:

Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum, White et al. Journal of propulsion and power, 2015 (http://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/1.B36120)

http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2016/11/21/impossible-emdrive-thruster-cleared-first-hurdle/#.WFwqMxt97cd

https://en.wikipedia.org/wiki/RF_resonant_cavity_thruster

http://www.rexresearch.com/shawyer/shawyer.htm

http://www.gregegan.net/SCIENCE/Cavity/Cavity.html