Минобороны США заказало разработку аналога «невозможного» двигателя EmDrive. Ракетного двигателя emdrive


«Невозможный» двигатель EmDrive: продолжение следует!

Рассказ о «невозможном» двигателе EmDrive, опубликованный в этой колонке пару лет назад, стал одним из самых читаемых её материалов. И, конечно, я постоянно отслеживал тему, надеясь однажды написать продолжение. Но случай такой предоставился только на днях: солидным научным журналом опубликована статья группы сотрудников одной из лабораторий NASA, не просто испытавших движок, чтобы в очередной раз измерить возникающую тягу, но и предоставивших отчёт об испытаниях на суд независимых экспертов (то, что называется peer review), не выявивший серьёзных ошибок. А это значит, что возможность «невозможного» двигателя стала теперь ещё на порядок больше.

Если вы забыли или никогда не слышали, позвольте восстановить картину в общих чертах EmDrive, как его обычно называют, это по большому счёту обычная микроволновая печь, только выполненная не в форме куба, а в форме усечённого и, главное, закрытого с обеих сторон конуса. На узком конце крепится СВЧ-излучатель, включается, и — всё!

Топлива, которое выбрасывалость бы «за борт», здесь нет. Так что, согласно классической физике, а именно Закону сохранения импульса, тяга возникнуть не может. Однако изобретатели EmDrive (британский инженер Роджер Шаер и позже занявшиеся той же темой независимо другие личности) настаивают, что по разным причинам — из-за «квантовой несбалансированности» или ещё чего-нибудь в том же духе, что не учитывает современная физика — тяга таки имеет место быть и её, якобы, даже удалось измерить.

ЭМ-драйв NASA на испытательном стенде.

Заметьте, что Шаер и прочие вовсе не утверждают, что законы Ньютона неверны. Они лишь говорят, что наткнулись на эффект, который уточнит существующие законы. Это принципиально важный момент, который сильно помог «ЭМ-движителю» — обеспечив ему интерес со стороны серьёзных исследователей.

Отсюда начинается парадоксальная часть. С одной стороны, все здравомыслящие научно-популярные и научные ресурсы считают такой движок псевдонаучным. С другой — за него неожиданно взялись вполне серьёзные люди: сперва несколько научных групп из Китая, а потом и NASA. О китайцах с тех пор ничего не слышно, а вот американцы не потерялись: в США эта работа финансируется из кармана налогоплательщиков, поэтому результаты должны быть доступны всем.

И вот два года назад появляется первый, весьма обнадёживающий отчёт NASA: тяга действительно есть, хоть и по неизвестной причине. А на днях престижный Journal of Propulsion and Power публикует новую статью от сотрудников лаборатории NASA Eagleworks — в которой факт возникновения тяги снова подтверждается, причём в этот раз на чувствительном торсионном подвесе в вакууме (но по-прежнему на Земле). А ещё предлагается осторожное объяснение.

Объяснение — далеко не главная часть статьи, потому что является скорее догадкой, но именно оно наделало больше всего шуму. Дело в том, что привлечена существующая теория, которой буквально почти сотня лет: теория волны-пилота (Pilot wave). Её выдвинули ещё в 20-х годах прошлого века и потом несколько раз уточняли.

Боюсь, я объясню её лишь очень грубо (и буду признателен, если знатоки поправят!), но суть, в общем, в предположении, что мы вынуждены описывать квантовые процессы с помощью неудобных статистических методов лишь потому, что не замечаем некоей более низкоуровневой реальной динамики квантовых частиц — которые на самом деле движутся подобно макроскопическим телам, по вполне конкретным траекториям, определяемым свойствами вакуума. Здесь эта теория пригодилась, потому что позволяет объяснить вакуум как среду, поддерживающую колебания плотности: EmDrive передаёт вакууму импульс (отталкивается от него, словно от воды) и именно таким образом возникает тяга в замкнутой системе.

Силовые линии в ЭМ-драйве: красными стрелками показаны линии электрического поля, синими — магнитного. Графика: NASA.

И тут следует подчеркнуть две важных вещи. Во-первых, теория волны-пилоты — не псевдонаучная выдумка, а одно из множества равновероятных объяснений квантовых процессов, которое удовлетворительно точно описывает наблюдаемые эффекты и подтверждается в том числе экспериментальными данными. И, во-вторых, сам факт публикации статьи NASA в таком издании как минимум снимает вопрос о корректности измерения тяги на подвесе (помнится, это был один из аргументов скептиков: мол, в настоящем космосе движок себя поведёт иначе). Попросту говоря, статью можно понимать так: в NASA не знают наверняка, почему тяга возникает, но знают, как её измерить — и простой читатель может на них в этом положиться.

Отсюда — новый простор для предположений. Опуская цифры, которым сейчас в общем-то придавать большого значения не следует (задачей была демонстрация существования эффекта, а поиск путей оптимизации — в списке на будущее), авторы работы констатируют: уже в текущем виде EmDrive хоть и на порядок менее эффективен классических ракетных движков, зато на два порядка эффективней других «безвыхлопных» движителей, как то солнечного паруса, разгона лазером, фотонного двигателя. Учитывая, что ограничение по скорости накладывается только скоростью света, а по мощности вообще никаких (ничто не мешает выстраивать такие двигатели буквально многокилометровыми батареями — хватило бы электричества, чтобы их запитать!), это делает EmDrive самым перспективным направлением для исследования и освоения Солнечной системы как минимум.

А значит, всё упирается теперь в генеральную проверку в космосе. Китайцы, напомню, уже намеревались такую провести. Провели ли и с какими результатами? Неизвестно. Однако в данном случае тишина заставляет скорее насторожиться, нежели разочароваться. Ведь ясно, что первый, кто подтвердит работу такого движка в космосе, а потом и первый, кто даст теоретическое обоснование, станут родоначальниками новой ветви физики и отцами неожиданных, непредсказуемых открытий и технологий!

Как хорошо сказал кто-то, представить, куда EmDrive приведёт нас, если окажется правдой, мы не в силах, поскольку стоим в самом начале пути. Как спектральные линии в конце концов привели к полупроводниковой революции, так и «невозможный двигатель» «отталкивающийся от вакуума», вовсе не обязательно должен стать лишь основой для ракетной техники будущего. Обязательно обнаружатся побочные эффекты, будут сделаны смежные открытия, поставлены новые вопросы: не каждый день, год и даже век удаётся уточнить или опровергнуть один из фундаментальных законов физики!

И как же приятно, что живём мы как раз в те дни, когда эта история пишется!

www.computerra.ru

Найдено простое объяснение принципа работы невозможного двигателя "EmDrive"

Научная группа Дрезденского технического университета (Германия), возглавляемая профессором Мартином Таймаром, не нашла убедительных свидетельств работоспособности модели двигателя EMDrive. Соответствующее исследование представлено в мае 2018 года на конференции Space Propulsion 2018 в Севилье (Испания). Эксперименты, проведенные учеными в рамках проекта SpaceDrive, продемонстрировали наличие у EMDrive небольшой «тяги», величина которой оказалась сопоставима с погрешностью измерений. Специалисты полагают, что «тяга» у модельного двигателя обусловлена возникновением сил Лоренца, порожденных действием магнитного поля Земли на находящиеся под током кабели электрического усилителя, питающего EMDrive.

Воспользуйтесь нашими услугами

«Это четко показывает, что “тяга” происходит не от EMDrive, а некоторого электромагнитного взаимодействия. Несмотря на то, что мы использовали как можно больше закрученных или коаксиальных кабелей, в конечном итоге некоторые магнитные поля проникали через наши кабели и разъемы», — пишут авторы.

На конференции ученые также рассказали о проверке эффекта Вудворда, существование которого также не получило убедительных доказательств. Немецкие специалисты заявили, что продолжат исследования в рамках SpaceDrive.

EmDrive представляет собой устройство в форме конуса из магнетрона (генерирующего микроволны) и резонатора (накапливающего энергию их колебаний). Такая конструкция позволяет, по словам создателей, преобразовывать излучение в тягу.

Установка из-за противоречивых результатов испытаний встречает неоднозначную реакцию в научных кругах, поскольку ее действие при наивном рассмотрении предполагает нарушение законов сохранения.

Испытания EmDrive, проведенные в июне 2015 года Таймаром, также не смогли подтвердить (или опровергнуть) работоспособность модельного двигателя.

EmDrive – это двигатель-загадка. Впервые разработка была представлена аэрокосмическим инженером Роджером Шоером (Roger Shawyer) в 2001 году, а суть технологии может быть описана, как «бестопливный ракетный двигатель», в том смысле, что для него не требуется горючего, в традиционном представлении. Отсутствие на борту больших объемов топлива сделает космические корабли более легкими, их будет проще приводить в движение и, теоритически, их производство станет намного дешевле. Кроме того, гипотетический двигатель позволит достигать неимоверно высоких скоростей: астронавты смогут добираться до внешних границ Солнечной системы всего лишь за считанные месяцы.

Все дело в том, что сама по себе концепция движения без реактивного выброса массы «не стыкуется» с ньютоновским Законом сохранения импульса, который утверждает, что внутри замкнутой системы линейный и угловой моменты остаются постоянными величинами, вне зависимости от изменений, происходящих внутри этой системы. Проще говоря, если к телу не приложить внешнюю силу, то сдвинуть его с места невозможно.

Загадочный электромагнитный двигатель, который создает тягу безо всяких реактивных процессов, также нарушает и Третий (не менее фундаментальный) закон Ньютона: «На каждое действие всегда есть равное и противоположное противодействие». Так как же тогда «действие» (реактивное движение космического аппарата) происходит без «противодействия» (сжигания топлива и реактивного выброса масс) и как вообще такое возможно? Если система работает, это значит в ней задействованы силы или явления неизвестной природы или же наше понимание законов физики абсолютно ошибочно.

ПРИНЦИП РАБОТЫ EMDRIVE

Оставив на некоторое время физическую «невозможность» технологии, давайте определимся, что она собой представляет. Итак, EmDrive относится к категории гипотетических машин, использующих в своей работе модель «РЧ тягового полостного резонатора» (RF resonant cavity thruster). Такие устройства работают за счет магнетрона, испускающего микроволны в закрытую металлическую камеру в форме усеченного конуса, которые затем отражаются от ее задней стенки, передавая реактивную тягу аппарату. Опять же, выражаясь обычным языком, тело просто «отталкивается» от самого себя (как всё-таки глупы были люди, не верившие Барону Мюнхгаузену, когда он рассказывал о том, как вытащил себя за волосы из болота).

Такой принцип движения в корне отличается от того, что используют современные космические корабли, сжигающие огромное количество топлива для производства энергии, подымающей в небо массивные аппараты. Одной из метафор, раскрывающих суть «невозможности» такой технологии, может также стать предположение, что сидящий в салоне незаведенного автомобиля водитель способен сдвинуть его с места – всего лишь надавив, как следует, на рулевое колесо.

Несмотря на то, что было проведено несколько успешных тестов экспериментальных прототипов – с очень небольшим, порядка нескольких десятков мкН, выделением энергии (вес мелкой монеты) – итоги ни одного из исследований не были опубликованы в каком-либо рецензируемом журнале. Это значит, что к любым положительным результатом нужно относится с долей здорового скептицизма, который допускает, что зафиксированная тяга могла быть неучтенной силой или ошибкой аппаратуры.

Пока технология не получила соответствующего научного подтверждения, логично было бы предположить, что EmDrive, на самом деле, не работает. Однако есть множество людей, которые опытным путем доказали, что «невозможный» электромагнитный двигатель все-таки работает:

В 2001 году Шойер получил от британского правительства грант в размере £45 000 на тесты для EmDrive. Он заявил, что в ходе испытаний была получена тяга силой 0,016 Н и для этого потребовалось 850 Вт энергии, однако не одна экспертная оценка не подтвердила результат. Причем цифры были настолько малы, что легко могли сойти за погрешность измерительной техники.

В 2008 году группа китайских ученых Северо-западного политехнического университета во главе с Ян Хуаном (Yang Juan), по их заявлению, подтвердила дееспособность технологиисоздания тяги за счет электромагнитного резонанса и позднее разработала свою собственную рабочую модель двигателя. С 2012 по 2014 год было проведено несколько удачных тестов, в которых удалось получить тягу силой 750 миллиньютон при затраченных на это 2500 ватт энергии.

В 2014 году исследователи NASA протестировали свою модель EmDrive, причем испытания проходили также и в условиях вакуума. И снова ученые отрапортовали об успешном эксперименте (они зафиксировали тягу в 100 мкН) результаты которого, опять, не были подтверждены независимыми экспертами. В тоже время, другая группа ученых космического агентства весьма скептично отозвалась о работе коллег – однако, ни опровергнуть, ни подтвердить возможность технологии так и не смогла, призвав к проведению более глубоких исследований.

В 2015 году эта же группа NASA протестировала другую версию двигателя Cannae Drive (бывший Q-drive), созданную инженером-химиком Гвидо Фетта (Guido Fetta) и заявила о положительном результате. Практически в одно время с ними, немецкие ученые из Дрезденского технологического университета также опубликовали результаты, в которых предсказуемо подтвердили наличие «невозможной» тяги.

И уже в конце 2015, еще один эксперимент от НАСА, проведенный группой Eagleworks (космический центр имени Джонсона) окончательно подтвердил состоятельность технологии. Тестирование проводилось с учетом предыдущих ошибок и, тем не менее, результаты оказались положительными – двигатель EmDrive производит тягу. В то же время, исследователи допускают, что обнаружились новые неучтенные факторы, одним из которых может быть тепловое расширение, ощутимо влияющее на устройство в условиях вакуума. Будет ли передана работа на рассмотрение экспертам или нет, ученые из Исследовательского центра Гленна, Кливленд, штат Огайо, Лаборатории реактивного движения НАСА и Лаборатории прикладной физики университета Джонса Хопкинса уверены, что продолжать эксперименты стоит.

ЧЕМ НАМ «СВЕТИТ» EMDRIVE

Вообще научное сообщество очень осторожно воспринимает все, что связано с EmDrive и с электромагнитными резонансно полостными двигателями в целом. Но с другой стороны, такое количество исследований вызывает несколько вопросов. Почему к технологии такой повышенный интерес и почему столько людей хотят ее протестировать? Что на самом деле может предложить двигатель с таким привлекательным концептом?

От разного рода атмосферных спутников и до более безопасных и эффективных автомобилей – такую широкую сферу применения пророчат новому устройству. Но главным, по-настоящему революционным последствием его внедрения являются невообразимые горизонты, которые открываются для космических путешествий.

Потенциально, корабль, оснащенный двигателем EmDrive, способен добраться до Луны всего за несколько часов, до Марса – за 2-3 месяца и до Плутона – примерно за 2 года (для сравнения: на то, чтобы долететь до Плутона зонд New Horizons потратил более 9 лет). Это достаточно громкие заявления, однако, если выяснится, что технология имеет под собой реальное основание, эти цифры не будут настолько фантастическими. И это с учетом, того что нет нужды перевозить тонны горючего, производство космических аппаратов станет более простым, а сами они будут намного легче и значительно дешевле.

Для НАСА и подобных организаций, включая множество частных космических корпораций вроде SpaceX или Virgin Galactic легковесный и доступный корабль, способный быстро добираться до самых отдаленных уголков Солнечной системы, является вещью, о которой пока можно только мечтать. Тем не менее, для реализации технологии, науке еще придется потрудиться.

В то же время, Шойер твердо убежден, что для того, чтобы объяснить, как работает EmDrive, не требуется никаких псевдонаучных или квантовых теорий. Наоборот, он уверен, что технология не выступает за рамки действующей модели ньютоновской механики. В подтверждение своих слов он написал несколько статей, одна из которых сейчас находится на рецензировании. Ожидается, что документ будет опубликован в этом году. Вместе с тем, его прошлые работы подверглись критике за некорректные и непоследовательные научные изыскания.

Несмотря на его настойчивые утверждения о том, что двигатель работает в пределах существующих законов физики, Шойер умудряется делать и несколько фантастичные предположения относительно EmDrive. Например, он заявил, что новый двигатель работает за счет варп-поля и именно поэтому последние результаты NASA были успешными. Такие выводы привлекли массу внимания онлайн сообщества. Однако, опять-же, на сегодняшний день нет прозрачных и открытых подтверждающих данных, и для того чтобы технологию восприняла официальная наука нужно провести еще не одно глубокое исследование.

Колин Джонсон (Colin Johnston), сотрудник Планетария Арма, написал объемную статью, в которой раскритиковал EmDrive и неубедительные результаты множества проведенных экспериментов. Кроме того, Кори С. Пауэлл (Corey S. Powell) из Discovery, вынес свой обвинительный вердикт для двигателей EmDrive и Cannae Drive, точно также, как и для исследований NASA. Профессор математики и физики Джон С. Баэз вообще назвал концепцию этой технологии «вздором» и его заключения отражают настроения многих ученых.

Источник: https://lenta.ru/, digitaltrends.com

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

integral-russia.ru

Двигатели, которые позволят покорить Галактику » Репортёр

Новая эра — старые двигатели

Даже если отбросить романтическо-утопические идеалы 60-х, предполагающие покорение человеком Млечного пути, то всё равно заметны «проседания» темпов современного прогресса на фоне ракетно-космической индустрии прошлого столетия. Основная его причина проста: и Советский Союз, и Соединенные Штаты хотели доказать друг другу, а также и сами себе, что они лучше, чем есть. За эту гонку заплатили сотнями миллиардов долларов (по современному курсу). Человечество получило выдающиеся для своего времени технологии, которые даже сейчас, спустя более чем полвека после их разработки, позволяют уверенно себя чувствовать в рамках стоящих перед нами практических задач. Один пример: для российских ракет «Союз» используют маршевый ракетный двигатель РД-107, разработанный в 50-е (сама ракета, если быть откровенными, тоже является версией баллистической Р-7, созданной тогда же).

Американцы активно работают над метановыми двигателями, имеющими ряд эксплуатационных характеристик, но, но сути, обладающие теми же ограничениями, что и старые разработки, использующие топливную схему керосин/жидкий кислород. Грубо говоря, химические ракетные двигатели во многих отношениях достигли вершины эволюции, а чисто концептуально — тупика. Дабы получить более высокое ускорение, нужно либо увеличить скорость истечения реактивного потока, которая ограничена энергией реакции окисления, либо увеличить массу сжигаемого топлива, что, опять же, приведет к увеличению массы всего комплекса. Подобного рода противоречий полным-полно. К счастью, выводу на орбиту коммерческих спутников связи это почти не мешает. А вот колонизация далеких планет — другой вопрос.

Ядерный ракетный двигатель

Продвигающий новый метановый двигатель Raptor Илон Маск предлагает в будущем создать множество космических заправочных станций для кораблей BFR. Однако ранее ученые представили и другие интересные варианты. В числе самых реалистичных идей — ядерный ракетный двигатель. Плюсы очевидны. Такой двигатель может дать требуемые для дальних полетов характеристики, а нужное для него топливо будет измеряться не десятками и сотнями тонн, как сейчас, а десятками и сотнями килограммов.

Энергия, которая будет выделяться при радиоактивном распаде тяжелых ядер, будет нагревать рабочее тело — дальше в дело вступает знакомая схема реактивного движения. В целом, из всех перспективных ракетных двигателей, не использующих «химию», ядерные/термоядерные двигатели являются самым продуманным и реалистичным вариантом. По оценкам ученых они позволят добраться до Плутона за два месяца и вернуться обратно за четыре: при этом придется затратить 75 тонн топлива. Достичь Альфы Центавра можно будет в теории за двенадцать лет. В качестве основного недостатка ядерного двигателя называют высокую радиационную опасность. Нужно сказать, что современная забота об экологии явно не прибавляет шансы на их скорое появление.

Ионный двигатель

Ионным двигателем называют тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основывается на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Назвать ионный двигатель «перспективным» было бы не очень правильно. Уже сейчас ему принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе. В свое время экспериментальная станция Deep Space 1 увеличила скорость (масса аппарата составляла 370 кг) на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона. Данный рекорд побил Dawn в 2010 году, при этом осенью 2016-го года удалось набрать скорость в 11,1 км/с. Сейчас, кстати, компанию аппарату Dawn составляет ионный Artemis, а потом к ним присоединится LISA.

Будущее у концепции определенно есть. Недостатки ионных ракетных двигателей тоже хорошо известны. Главный из них — чрезвычайно слабая тяга, достигающая в лучшем случае 100 миллиньютонов. При текущем уровне развития технологий произвести старт с Земли, используя такой двигатель, невозможно. Зато, по оценкам, в космосе, при условии, что ионный двигатель будет работать долго, космический корабль можно будет разогнать до очень приличных скоростей. Как минимум, такое устройство можно будет применять для корректировки курса.

Антиматерия

Куда более революционным видится перспективный двигатель, использующий антивещество. Ка известно, при встрече античастиц и частиц обычной материи происходит аннигиляция с высвобождением колоссальной энергии. Один килограмм антивещества и один килограмм вещества могут выделить энергии на 43 мегатонны в тротиловом эквиваленте, что сравнимо со взрывом термоядерной советской «Царь-бомбы». Говорят, что полет к Марсу с таким двигателем занял бы в районе месяца. А там и до ближайших звезд, возможно, дело бы дошло.

Есть, увы, одно «но». Антивещество является самой дорогой субстанцией на планете — по оценкам NASA за 2006 год, производство миллиграмма позитронов (античастица электрона) стоило примерно 25 миллионов американских долларов. С учетом современного тренда на удешевление ракетных запусков концепция выглядит утопично. К счастью, наука на месте не стоит. Возможно, в будущем, появятся шансы реализовать такой двигатель на практике.

EmDrive

Самый же странный и фантастичный гость нашего списка — теперь уже широко известный EmDrive. Если кто забыл, напомним: он является экспериментальной установкой, поставивший многих ученых мира в тупик. Согласно точки зрения создателей, двигатель создает тягу, хотя не должен этого делать, по законам физики. Устройство состоит из магнетрона и резонатора. Магнетрон генерирует микроволны, энергия их колебаний накапливается в резонаторе высокой добротности, и, по заявлениям авторов, стоячая волна электромагнитных колебаний в замкнутом резонаторе служит источником тяги. Проблема в том, что отсутствие расходуемого рабочего тела у этого двигателя, по-видимому, идет в разрез с законом сохранения импульса.

В целом, достигаемый эффект незначителен и многие ученые связывают его с допущенными при исследованиях погрешностями или же откровенно грубыми ошибками в расчетах. Одно из последних исследований, проведенных немцами, гласит, что появляющаяся внутри двигателя EmDrive тяга является следствием взаимодействия между магнитным полем кабелей, усилителем и магнитными полями планеты. Туманное, но все же объяснение.

В целом, гегемонии химических ракетных двигателей на данном этапе ничего не угрожает. Они, как мы уже отмечали, вполне вписываются с текущие реалии и отвечают всем требованиям ракетно-космической индустрии. Ну а полеты к другим планетам и, тем более — к другим планетным системам — связаны не только с проблемой новых двигателей, но и с целым списком других вопросов, которые только предстоит решить.

topcor.ru

Фантастическая тяга. EmDrive и другие невозможные двигатели

Независимые испытания двигателя с неизвестным принципом работы EmDrive, вроде бы подтвердившие существование его «аномальной» тяги, в очередной раз закончились крайне критическими отзывами со стороны научного сообщества. Дошло до того, что некоторые физики-теоретики предлагают вообще не рассматривать результаты эксперимента, потому что у них «нет внятного теоретического объяснения». «Лента.ру» решила разобраться и с тем, почему так получается, и с тем, какие еще необычные средства передвижения в космосе человечество придумало за свою историю.

Межзвездные путешествия при нынешнем состоянии технологий невозможны — говорит сама физика с ее законом сохранения импульса. Перефразируя известного персонажа, чтобы разогнать что-нибудь нужное, сперва следует выбросить в противоположном направлении что-нибудь ненужное — вроде ракетного топлива, которого не накопишь на путешествие за границы Солнечной системы.

Чтобы выйти из этого тупика, энтузиасты освоения космоса периодически анонсируют устройства вроде двигателя EmDrive — которые, как нам обещают, не нуждаются в выбросе топлива, чтобы набирать скорость. На вид гипотетический двигатель представляет собой ведро с магнетроном (генератором микроволн, как в СВЧ-печи) внутри. По утверждению изобретателей, раз микроволны не выходят из ведра, значит выброса чего-либо материального не происходит, при этом само «ведро» создает тягу, фиксируемую в экспериментах с 2002 года и по сей день. Причем один такой опыт проделали в НАСА, другой совсем недавно провел Мартин Таджмар (Martin Tajmar), глава немецкого Института аэрокосмического инжиниринга при Техническом университете в Дрездене. Оба учреждения трудно назвать прибежищем научных фриков — быть может, за аномальной тягой EmDrive что-то есть?

Изображение: M. Tajmar and G. Fiedler / Institute of Aerospace Engineering, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, German

Их оппонентов, впрочем, это не смущает. Одни, как Шон Кэролл (Sean Carroll) из Калифорнийского технологического института, просто характеризует EmDriveсловами, которые невозможно повторить в русскоязычных СМИ. Те, кто сдержаннее, высказывают ту же мысль иначе: EmDrive нарушает закон сохранения импульса. А Эрик Дэвис (Eric W. Davis) из Института продвинутых исследований в Остине (США) добавляет: даже если бы тяга действительно создавалась, но как в испытаниях обнаруживалась бы лишь десятками микроньютонов, то профессионалам, работающим в аэрокосмической отрасли, «вообще неинтересны новые методы передвижения, [...] порождающие тягу измеряемую лишь в микроньютонах» — слишком уж она невелика.

Здесь следует отметить, что последнее утверждение довольно рискованно. По данным упомянутых экспериментов НАСА, зарегистрированная тяга составила 0,4 ньютона на киловатт — и несмотря на то, что эта цифра действительно ничтожна, двигатель с такими параметрами доставил бы New Horizons к Плутону за полтора года, вместо десятилетия, потребовавшегося на практике. Иными словами, для действительно дальних перелетов ситуация крайне далека от «незаинтересованности».

Принцип работы EmDrive

Изображение: M. Tajmar and G. Fiedler / Institute of Aerospace Engineering, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, German

Сложнее вопрос о том, работает ли EmDrive на самом деле, или в экспериментах «регистрируется» несуществующая тяга. Мартин Таджмар — известный «разрушитель мифов», экспериментатор, поставивший несколько «аномальных» экспериментов, найдя источники их аномалий в трудно обнаруживаемых ошибках измерения. В этот раз он привлек крутильные весы и проводил сам эксперимент в глубоком вакууме, чтобы исключить влияние конвекции воздуха. Все это не помогло убрать аномальную тягу.

Однако оппоненты не утратили своего скепсиса. Тот факт, что тяга не исчезала сразу после выключения EmDrive, может указывать на то, что речь идет о каком-то тепловом эффекте, влияющем на показания регистрирующих приборов. Следует отметить, что Таджмар в своей работе детально описываетпредпринятые меры по теплозащите и магнитному экранированию, которых его критики (являющиеся физиками-теоретиками) почему-то не замечают.

Более всего смущает тезис Эрика Дэвиса о том, что работа Таджмара «не будет принята рецензируемыми журналами», только потому, что она не предлагает теоретического механизма, который мог бы объяснять наблюдавшуюся аномальную тягу. Очевидно, Дэвис в курсе того, как в XIX веке Майкельсон и Морли опубликовали в American Journal of Science описание эксперимента, также не предложив никакого внятного теоретического механизма, который мог бы объяснить его. Если бы тогда журнал стоял на позициях Дэвиса, результаты важнейшего эксперимента, вызвавшего кризис теории эфира и в конечном счете возникновение теории относительности, просто не были бы опубликованы. Эксперименты по бета-распаду в 1914-1930 годах формально и вовсе нарушализакон сохранения энергии, но трудно представить себе, как кто-то из физиков той поры говорит: «данные об этом не попадут в рецензируемые журналы, потому что не объяснены теоретически».

Прототип EmDrive, построенный немецкими физиками

Изображение: M. Tajmar and G. Fiedler / Institute of Aerospace Engineering, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, German

 

Повторимся: отсутствие теоретического объяснения тяги EmDrive действительно означает, что, скорее всего, он не работает — по крайней мере, не работает так, как это описывает его создатель Роджер Шойер (Roger Shawyer). Но и позиция Дэвиса, сводящаяся к утверждению «не стоит тратить время на эксперименты, если у них нет теоретического объяснения», несомненно, необычна для ученого.

Впрочем, не только EmDrive пытается перевести космические полеты на принципиально новые рельсы. В конце концов, самый быстрый из запущенных людьми аппаратов «Гелиос-2» с трудом преодолел рубеж в 70 километров в секунду. С такой скоростью полет к звездам займет тысячи лет, что лишает его практического смысла.

Первая серьезная попытка превысить скорость химических ракет была предпринята в американском проекте «Орион» еще в 1950-х. В его рамках предлагалось подрывать небольшие водородные бомбы метрах в ста за кормовой амортизирующей плитой космического корабля. Плиту для этого покрывали тонким слоем графитовой смазки, после взрыва испарявшейся, но не дававшей кораблю перегреться. Мы не случайно написали «покрывали»: помимо расчетов, проводились и опыты по такому взрыво-импульсному полету, хотя и с помощью обычной взрывчатки:

https://www.youtube.com/watch?v=E3Lxx2VAYi8

Ключевая проблема «Ориона» очевидна: при взлете он должен был вызвать радиоактивные осадки. Конечно, его можно было собирать в космосе и отправлять лишь в дальние путешествия. По расчетам, сделанным Фрименом Дайсоном в 1960-х, беспилотный «Орион» мог достигнуть Альфа Центавра за 133 года — вот только стоил бы он несколько сот миллиардов долларов.

После сворачивания «Ориона» у ученых в США и СССР возникла другая мысль: использовать вместо термоядерных взрывов обычный ядерный реактор, нагревающий водород до 2-3 тысяч градусов. Самый эффективный двигатель такого типа, советский РД-0410 прошел испытания в Казахстане и в принципе позволял сравнительно чистый ядерный старт космического корабля с Земли. Поскольку из урана можно извлечь значительно больше энергии, чем из химтоплива, в теории такие средства разгона позволяли совершить пилотируемый полет к Марсу («Марс-94»)

Возникла и конкурирующая концепция – так называемой «ядерной лампочки». В ней активная зона реактора закрывалась кварцевой оболочкой, через которую излучение нагревало газ в рабочей зоне двигателя до 25 тысяч градусов. При такой температуре активная зона реактора излучает в ультрафиолете, для которого кварц прозрачен, что исключало его перегрев. Нагреваемый газ, увлекаемый генерируемым вихрем, в свою очередь не должен был дать перегреться оболочке двигателя. Повышение рабочей температуры на порядок резко улучшало все параметры двигателя — но при СССР дальше проработки концепции дело не ушло, а после он и вовсе потерял какие-либо перспективы на финансирование.

«Ядерная лампочка»

Изображение: NASA

Тем не менее, ядерная лампочка выглядит весьма реалистичным проектом, позволяющим добиться высоких скоростей для массивных космических кораблей на базе уже существующих технологий. Увы, ее тяга хороша для быстрых межпланетных путешествий, но слабовата для межзвездных перелетов.

150 лет тому назад, после описания Максвеллом природы света, Жюль Верн предположил, что для межзвездных путешествий лучше всего подойдет парус, отражающий свет — тогда вместо топлива корабль будут разгонять фотоны. По прибытии в систему ближайшей звезды тот же парус затормозит его, так же без топлива.

Технически проект ограничен одним фактором: корабль со скоростью, близкой к световой, должен иметь паруса в десятки квадратных километров, массой не более 0,1 грамма на квадратный метр, что чрезвычайно трудно реализовать на практике.

Но еще в 1970-х годах был предложен так называемый лазерный парус: отражатель куда меньших размеров, разгоняемый лазерным излучателем с околоземной орбиты. Многие годы лазеры требуемой мощности просто не удавалось построить. Однако несколько лет назад Филип Лубин (Philip Lubin) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) предложил вместо них создать группы из множества более мелких излучателей, действующих по принципу фазированной антенной решетки, с итоговой мощностью, ограниченной лишь их числом. В рамках его концепта DESTAR-6 разгон космического зонда массой 10 тонн до околосветовой скорости может быть осуществлен в пределах Солнечной системы — до 30 астрономических единиц от Солнца (дальше проблемы с фокусировкой лазеров не дадут разгонять корабль).

Система DESTAR

Иллюстрация: Philip M. Lubin

Конечно, DESTAR-6 должна быть огромной группировкой. Каждый из ее элементов по проекту Лубина должен питаться от солнечных батарей, из-за чего общие размеры такой группы — тысяча на тысячу километров. При сегодняшних ценах вывода грузов на орбиту, это те же сотни миллиардов долларов, что и для проектов типа «Ориона».

Поэтому летом 2015 года Лубин предложил использовать зонды минимальной массы: полупроводниковые пластины больших размеров, на которых предлагается расположить все необходимые зонду электронные и оптические компоненты. Их будет достаточно, чтобы делать снимки в оптическом диапазоне, обрабатывать и отправлять их на Землю, используя для этого энергию солнечных батарей с лицевой поверхности пластин. Толщина пластин может быть такой же, как у современных кремниевых подложек — менее миллиметра. Уменьшив массу зонда до десятка килограмм, можно будет доставить зонд к Альфа Центавра всего за 20 лет (0,2 скорости света). Размеры разгоняющей группировки спутников с лазерами на борту при этом могут быть уменьшены до 33 на 33 километра. Конечно, снимки на нем не смогут быть идеальными, да и затормозиться там зонду не удастся, из-за чего первая миссия к звездам будет напоминать пролет New Horizons возле Плутона. Впрочем, на фоне наших нынешних знаний о системе Альфа Центавра и это было бы манной небесной.

Новый проект Лубина

 

Все предложенные выше варианты требуют как минимум десятков лет ожидания. Нет ли более быстрого способа? В первой половине 90-х годов этот вопрос пришел в голову мексиканскому физику Мигелю Алькуберре (Miguel Alcubierre). Если окажется возможным получить отрицательную массу/энергию, ее можно использовать для создания «пузыря», сжимающего пространство прямо перед собой и расширяющего его позади себя, предположил ученый. Идея была чисто теоретической и даже фантастической. Даже при существовании отрицательной энергии, перемещение пузыря диаметром в 200 метров потребует энергии, эквивалентной массе Юпитера. Однако в последние несколько лет были предложены модификации его идеи, в которой «пузырь» заменили на тор, а отрицательная энергия оказалась и вовсе ненужной. В этом случае расчеты показывают необходимость в энергии, содержащейся всего в сотнях килограммов массы.

Схематическое изображение путешествия с помощью пузыря Алькуберре

Изображение: Chine Nouvelle

 

Чтобы проверить возможность такого искривления пространства-времени, которое в теории может вести к сверхсветовому перемещению, сотрудник НАСА Гарольд Уайт модифицировал интерферометр Майкельсона-Морли, сравнивая параметры двух половин расщепленного лазерного луча, одну из которых он подвергает воздействию, теоретически способному искривлять пространство. В 2013 году в таком эксперименте были получены признаки искривления пространства — причем безо всякой материи с отрицательной массой. Увы, результаты не были окончательными: слишком много помех действует на интерферометр, чувствительность которого требуется существенно повысить.

И кстати об EmDrive: чтобы найти объяснение аномальной тяге, создаваемой «ведром», группа Уайта провела эксперимент с резонирующей полостью EmDrive, пропуская через нее лазерный луч своего интерферометра. Исследователи заявили, что луч в ряде случаев определенно проходил через полость за разное время. Сам Уайт склонен трактовать это как признак того, что по каким-то причинам внутри полости существуют слабые искривления пространства, что может быть как-то связано с аномальной тягой EmDrive.

Любой двигатель, к разработке которого не предпринимают никаких шагов, является невозможным. Первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания поехал еще в 1807 году, однако отсутствие интереса к изобретению (и целому ряду ему подобных), привело к тому, что большинство населения Земли считает изобретателем автомобиля то ли Форда, то ли Даймлера. Сходная история случилась с паровым двигателем и турбиной, все компоненты которых былиизготовлены еще во времена Римской империи. Если мы 

будем считать межзвездные путешествия невозможными, они несомненно останутся таковыми.

И все же надежда есть. Достаточно безопасные ядерные ракетные двигатели испытывались еще десятилетия назад, они, как и технологии лазерного паруса, вполне реальны уже сегодня — было бы желание за них взяться. Возможно, нам повезет и физики откроют новые явления, которые позволят повторить историю открытия ядерной энергии. Когда Эйнштейн в 1934 году сообщал миру, что «нет ни малейших признаков, что атомную энергию когда-либо удастся использовать», Лео Силлард как раз разрабатывал концепцию цепной ядерной реакции, а до запуска основанного на ней атомного реактора оставалось всего восемь лет.

 

Александр Березин

 

 

alternathistory.com

это все фотоны / Хабр

Финские ученые считают, что EmDrive не нарушает закон сохранения импульса

Эпопея с так называемым «невозможным» двигателем EmDrive на электромагнитных волнах продолжается. На данный момент ряд известных ученых и научных организаций подтвердили работоспособность EmDrive. Двигатель представляет собой систему, состоящую из резонатора (металлический усеченный конус) и магнетрона. Двигатель работает, это факт. Каким образом? Такая система каким-то образом создает тягу под влиянием электромагнитного излучения. Существует несколько гипотез, объясняющих появление тяги. Пока что ни одна гипотеза не была доказана. Собственное объяснение принципа работы EmDrive в этом месяце предложили финские ученые.

По их мнению, образование тяги в этой системе объясняется определенным типом интерференции волн, а именно — деструктивной интерференцией. Под конструктивной интерференцией понимается такой тип комбинирования отраженных волн при резонансе, когда происходит усиление волнами друг друга. В случае деструктивной интерференции максимумы одних волн приходятся на минимумы других, при этом резонанс отсутствует. Если речь идет о волнах на воде, то при деструктивной интерференции они накладываются друг на друга, и поверхность воды выглядит спокойной. Можно привести и другой пример, с электронами. Так, интерференция рамановских переходов электрона различной степени нелинейности является деструктивной.

А причем здесь фотоны?

По мнению физиков из Финляндии, в резонаторе этого двигателя из большого количества всех частиц выделяются пары фотонов, которые находятся в противофазе друг с другом. Такие пары, считают ученые, уносят импульс в сторону, противоположную движению двигателя. Взаимодействие этих фотонов приводит в возникновению электромагнитной волны с нулевой поляризацией. Но импульс эта волна все же переносит.

«Принцип работы EmDrive можно сравнить с принципом работы реактивного двигателя самолета, когда газы, двигающиеся в одном направлении, толкают самолет в противоположном направлении», — говорит Арто Аннила (Arto Annila), представитель команды ученых из Финляндии. «Микроволновое излучение — это топливо, которое уходит в резонатор… а тягу в EmDrive создают пары фотонов. Когда два фотона движутся вместе, но имеют противоположные фазы, тогда у этой пары нет электромагнитного поля, следовательно, она не будет отражаться от металлических стенок, а уйдет».

По мнению исследователей, тяга в двигателе возникает под влиянием волн, длина которых не кратна расстоянию между стенками резонатора. Это возможно только в том случае, если резонатор несимметричен. Если бы он был полностью симметричным, то тяга бы не возникала. В случае EmDrive тяга будет проявляться при любой асимметричной конфигурации. Вероятно, что эффективность работы двигателя зависит как от мощности микроволнового источника, так и от материала резонатора EmDrive, а также от его формы. И зависимость эта нелинейна.

Финны подчеркивают, что их идея — это всего лишь предположение, как и гипотезы их коллег, пытавшихся объяснить принцип действия EmDrive раньше. Физики из Финляндии надеются, что инженеры смогут создать тестовые системы для проверки их теории парных фотонов. Для этого нужно также устройство, которое называется интерферометром. Интерферометр — измерительный прибор, действие которого основано на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок электромагнитного излучения (света, радиоволн и т. п.) с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и направляется на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить разность фаз интерферирующих пучков в данной точке картины.

Еще фотоны

Отмечу также, что в апреле работу EmDrive пытался связать с взаимодействием фотонов физик Майк Макалох (Mike McCulloch) из Плимутского университета. Макалох предлагает объяснить принцип работы двигателя при помощи эффекта Унру. Этот эффект был назван в честь физика Билла Унру, который открыл его в 1976 году. Он показал, что понимание вакуума зависит от типа движения наблюдателя через пространство-время. К примеру, если неподвижный наблюдатель находится в вакууме, то в случае ускорения этот наблюдатель увидит вокруг себя множество частиц, которые находятся в термодинамическом равновесии. Другими словами, о вакууме можно говорить только относительно определенного объекта. При этом инерция, по словам Махалоха — это давление теплового излучения на ускоряющееся тело. При малых ускорениях волны излучения Унру превышают размеры всей Вселенной, что позволяет говорить о квантовании инерции.

Теория несколько необычная, но она кроме принципа работы EmDrive объясняет еще один эффект — пролетные аномалии. Пролётная аномалия — это неожиданное увеличение энергии во время гравитационных манёвров космических аппаратов около Земли. Эта аномалия наблюдалась как доплеровский уход частоты в S-диапазоне и X-диапазоне и дальней телеметрии.

Так вот, Макалох предположил, что у фотонов есть инертная масса. Фотоны отражаются внутри корпуса EmDrive, следовательно, они испытывают инерцию. Длины волн излучения Унру в этом случае очень малы, их размер сравним с размером корпуса двигателя. Если в широкой части конуса могут поместиться волны Унру, которые не помещаются в узкой части резонатора, то инерция фотонов, которые отражаются, должны меняться. А для сохранения импульса система создает тягу. По мнению автора этой теории, она согласуется с теми величинами тяги, которые были получены в экспериментах.

Проверить как теорию финнов, так и теорию англичанина можно экспериментально, проведя серию тестов с EmDrive. И если окажется, что тягу в «невозможном» двигателе создают именно фотоны, это позволит технологам создать EmDrive с иной формой резонатора, что приведет к созданию большей тяги у двигателя.

Что это может означать для космонавтики? Значительное сокращение времени полета космических аппаратов. Например, New Horizons с EmDrive мог бы добраться до Плутона всего за 18 месяцев вместо 9 лет. Если EmDrive получится масштабировать, то и полет к ближайшим звездам вместо сотен и тысяч лет мог бы занять всего несколько десятков лет. Это, конечно, тоже много, но уже более реально.

habr.com

Ученые заявили о разгадке концепции «невозможного» двигателя EmDrive — Naked Science

К двигателю EmDrive в последние годы приковано особое внимание мировых СМИ. Саму установку впервые предложил британский инженер Роджер Шойер в 1999 году. Она представляет собой комплекс конической формы, включающей в себя магнетрон и резонатор. За счет магнетрона генерируются микроволны, а резонатор накапливает энергию их колебаний. Согласно заявлениям авторов разработки, стоячая волна электромагнитных колебаний в замкнутом резонаторе специальной формы выступает в качестве источника тяги.

 

Из-за отсутствия расходуемого рабочего тела многие специалисты заявили о «невозможном» двигателе, нарушающем закон сохранения импульса. В действительности у авторов изобретения до сих пор не нашлось убедительных доказательств верности концепции. Примечательно и то, что критики EmDrive тоже нередко использовали весьма туманные формулировки о «допущенных во время эксперимента ошибках».

 

Сейчас расставить все на свои места попытались немецкие исследователи из Дрезденского технического университета. Проведенные тесты показали, что тяга внутри двигателя действительно есть, но она слишком мала, а показатели нельзя назвать точными. Главное то, что специалисты пришли к любопытному объяснению: они связали наблюдаемый эффект со взаимодействием магнитного поля кабелей и усилителя с магнитным полем Земли.

 

«Это четко показывает, что «тяга» происходит не от EmDrive, а от некоторого электромагнитного взаимодействия. Мы использовали как можно больше закрученных или коаксиальных кабелей, но в конечном итоге некоторые магнитные поля проникали через наши кабели и разъемы», — заявили авторы исследования. Свои выводы специалисты представили на конференции Space Propulsion в Севилье.

 

Сложно сказать, поставит ли это точку в истории EmDrive. Вероятно, защитники концепции все равно будут настаивать на жизнеспособности «невозможного» двигателя.

 

Напомним, не так давно китайские эксперты заявили о создании «работоспособного» двигателя EmDrive. Ранее Поднебесная уже провела его испытания в космосе. Ну а если вы желаете более детально ознакомиться с устройством EmDrive, а также его прародителей, — прочитайте обзорный материал, подготовленный Naked Science специально для вас.

naked-science.ru

Минобороны США заказало разработку аналога «невозможного» двигателя EmDrive

Двигатель EmDrive может стать одним из величайших прорывов в истории Земли или, наоборот, — одной из величайших афер современности. Его концепцию можно описать фразой «все гениальное просто» (конечно, если предположить, что он вообще работает).

 

Двигательная установка состоит из магнетрона и резонатора: внешне она напоминает перевернутое ведро. Впервые эту концепцию предложил британец Роджер Шойер в 1999-м. Согласно ей, магнетрон генерирует микроволны, энергия их колебаний накапливается в резонаторе высокой добротности, а, если верить создателю EmDrive, стоячая волна электромагнитных колебаний в замкнутом резонаторе специальной формы выступает как источник тяги.

 

Ученые указали на то, что из-за отсутствия расходуемого рабочего тела EmDrive, видимо, нарушает закон сохранения импульса. При этом полученную в ходе испытаний незначительную тягу часто списывали на ошибки в расчетах.

 

Тем не менее сейчас американское оборонно-исследовательское агентство DARPA выделило британскому физику Майклу Маккаллоху и его коллеге из Испании 1,3 миллиона долларов на компьютерное моделирование, а также создание прототипа аналога «невозможного» двигателя. Как говорит сам ученый, передвижение корабля в космосе станет возможным даже в том случае, если он будет иметь только источник тока. При этом человечество сможет открыть для себя межзвездные путешествия. Ранние результаты работ ученые рассчитывают получить через полтора года.

 

Ранее Майкл Маккаллох представил свое объяснение работы EmDrive, которое, впрочем, не встретило широкой поддержки. Оно основывается на выдвинутом в рамках квантовой теории поля эффекте Унру. Это эффект наблюдения теплового излучения в ускоряющейся системе отсчета при отсутствии этого излучения в инерциальной системе отсчета. Иными словами, если вокруг неподвижного наблюдателя есть только вакуум, то ускоряющийся наблюдатель видит вокруг себя множество частиц, которые находятся в термодинамическом равновесии, — то есть теплый газ.

 

Стоит отметить, что недавно другая группа ученых предложила куда более простое (хотя не менее туманное) объяснение работы «невозможного» двигателя. Появляющуюся внутри EmDrive незначительную тягу связали со взаимодействием между магнитным полем кабелей и усилителя и магнитным полем Земли.

naked-science.ru