„Neįmanomo“ EmDrive variklio sukūrimo istorija ir bandymai laboratorijose - kodėl niekas nežino kaip tai veikia, jei kai kurie eksperimentai rodo teigiamus rezultatus? (2)
2016 metų gale pasaulio naujienų agentūrų antraštėse mirgėjo pranešimai apie Kinijos atliekamus „neįmanomo“ variklio EmDrive bandymus kosmose. To paties, kuris lyg ir pažeidžia impulso tvermės dėsnį. Pasiaiškinkime?
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Pekine vykusioje spaudos konferencijoje daktaras Chen Yue iš Kinijos kosminių technologijų akademijos (CAST) paskelbė, kad jo šalis jau seniai ir sėkmingai šią technologiją bando laboratorijoje. Negana to, dabar Kinija patikrino variklio veikimą kosminėje stotyje „Tiangong-2“. Pareiškimas tik pakaitino jau beveik 10 metų trunkančius ginčus dėl EmDrive veikimo – juk tai iš esmės prilygsta ginčui su baronu Miunchhauzenu apie galimybę save ir žirgą iš pelkės ištraukti už plaukų. Pasiaiškinkime.
Ši istorija prasidėjo 2001 metais, kai britas inžinierius Rogeris Shawyeris įsteigė nedidelę Satellite Propulsion Research Ltd kompaniją. Tai įgyvendinti padėjo Prekybos ir pramonės departamento ir kelių privačių investuotojų suteikta stipendija. Padėjo gera inžinieriaus, turėjusio turtingą darbo kosminėje patirtį, reputacija. O būtent, Shawyeris 20 metų dirbo vienoje iš stambiausių kosminių aparatų gamintojų – EADS Astrium. 2002 metų gruodį visuomenei buvo pristatytas pirmasis veikiantis „neįmanomojo“ variklio, pavadinto EmDrive, prototipas. Įrenginys iš esmės buvo tuščias varinis, iš abiejų galų uždaro kūgio formos rezonatorius. Prie jo buvo pritvirtintas magnetronas – mikrobangų šaltinis. Tokie magnetronai plačiai naudojami, pavyzdžiui, mikrobangų krosnelėse.
EmDrive veikimo principas specialistams iš karto sukėlė daugybę klausimų. Pats išradėjas tvirtina, kad variklio darbą aprašo seniai žinomi fizikos dėsniai ir jokios „naujos fizikos“ nereikia. Kaip žinia, elektromagnetinės bangos perneša energiją ir impulsą. Šviesos slėgio efektas gerai ištyrinėtas ir netgi naudojamas kai kuriuose kosminiuose aparatuose. EmDrive variklyje magnetronu sukeliamos bangos daug kartų atsispindi rezonatoriaus viduje ir spaudžia jo sieneles. O štai toliau prasideda įdomiausia teorijos vieta. Pasak Shawyerio, rezonatoriaus dydį ir formą bei magnetrono skleidžiamų bangų ilgį reikia suderinti taip, kad į šonines kūgio sieneles veikiantis slėgis būtų lygus nuliui. Tada didįjį ir mažąjį kūgio pagrindą veiks skirtingi slėgiai, ir variklyje susidarys didesniojo pagrindo kryptimi nukreipta jėga. Tačiau šis faktas prieštarauja fizikos dėsniams, o būtent – trečiajam Niutono dėsniui.
Mat iki šiol žmonija judėjimui kosmose moka naudoti tik vieną būdą – reaktyvinį judėjimą. Jis grindžiamas impulso tvermės dėsniu. Reaktyvinio variklio trauka randasi, kai raketa-nešėja ar kosminis laivas išmeta medžiagą (darbinį kūną – karštas dujas, jonų srautą, etc.) priešinga judėjimui kryptimi. Viena iš svarbiausių tokio variklio charakteristikų yra savitasis impulsas – variklio kuriamo impulso santykis su kuro sąnaudomis. Tad, kuo didesnis savitasis impulsas, tuo mažiau kuro kosminis laivas sunaudoja, keisdamas greitį. Kuo didesniu greičiu darbinis kūnas išlekia iš reaktyvinio variklio, tuo savitasis impulsas didesnis. Toks variklis gali labiau įgreitinti kosminį laivą, sunaudodamas mažiau kuro. Būtent todėl pastaruoju metu vis labiau populiarėja joniniai varikliai. Jų trauka nedidelė, tačiau medžiaga išsviedžiama labai dideliu greičiu, todėl jie itin efektyvūs ilgoms kosminėms misijoms. Tačiau ir jiems kyla pagrindinė visų reaktyvinių variklių problema – ribotos kuro atsargos.
Kosminiai laivai kosmose galima judėti ir naudodami kosmines bures. Tokiuose aparatuose naudojamas Saulės šviesos arba Saulės vėjo – dideliu greičiu nuo mūsų žvaigždės lekiančių elektringų dalelių – sukeliamas slėgis. Neseniai buvo pristatyti keli projektai, kur buriniai aparatai įgreitinami galingais lazerių impulsais. Tačiau iki praktinio jų panaudojimo dar toli gražu.
Kad skristų, tiek reaktyvinis variklis, tiek kosminės burės turi sąveikauti su medžiaga (kuru ar Saulės vėju) arba elektromagnetinėmis bangomis. Tačiau, jei tikėsime EmDrive išradėju, jo variklis su nesąveikauja su niekuo. Shawyeris faktiškai sukūrė įtaisą, padedantį baronui Miunchhauzenui išsitempti save patį už plaukų iš pelkės. Nieko nuostabaus, kad EmDrive veikimu praktiškai niekas nepatikėjo.
Kelis metus Rogeris Shawyeris „neįmanomą“ variklį tobulino. 2006 metais jis pristatė patobulintą, aušinamą vandeniu EmDrive versiją. Išradėjo nuomone, tai turėjo padidinti trauką. New Scientist žurnalas netgi įdėjo variklio nuotrauką ant 2006 metų rugsėjo 9 d. numerio viršelio. Straipsnyje daroma išvada, kad prietaiso veikimo schema atrodo tikėtina ir buvo visaip pabrėžiami jo šalininkų argumentai. Tai sukėlė neigiamą žurnalo skaitytojų reakciją. Garsus rašytojas fantastas Gregas Eganas paskelbė atvirą laišką, kuriame apkaltino straipsnio autorius moksliniu analfabetiškumu. Paskui New Scientist publikavo buvusio EADS Astrium techninio direktoriaus Elwino Wilby'io laišką, kuriame šis nuo kompanijos dalyvavimo Shawyerio projekte atsižegnojo.
Įdomu, kad EmDrive nebuvo vienintelis toks prietaisas. 2006 metais išradėjas Guido Fetta sukūrė panašų, tokiu pačiu veikimo principu paremtą projektą Cannae Drive, arba Q-drive. Esminis projektų skirtumas – rezonatoriaus forma. Cannae Drive tai ne kūgis, o tabletę primenanti suplota talpa.
Nepriklausomas tikrinimas prasidėjo tik 2008 metais, kaip bebūtų keista, Kinijoje. Šiaurės Rytų politechnikos universitete profesorius Yan Czjuan sukūrė veikiantį „neįmanomojo“ variklio prototipą. Pirminiais duomenimis, variklis sukūrė 720 mN iš 1 kW. Maždaug tokia jėga svarstykles spaustų 72 gramų svarelis. Vėliau rezultatus paneigė pats autorius, aptikęs matavimo klaidą. Atsižvelgus į ją, variklio trauka neviršijo 1 mN iš naudojamos 230 W galios, o tai mažiau, nei instrumentų tikslumas.
Tačiau 2013 metais „neįmanomojo“ variklio tyrimų imasi ir Advanced Propulsion Physics Laboratory, arba tiesiog Eagleworks. Ji veikia su Lindono Johnsono vardo kosminiu centru – čia NASA kuria pilotuojamus kosminius laivus, moko astronautus ir rengia pilotuojamus kosminius skrydžius. Eagleworks – nedidelė tyrėjų grupė, kurios užduotis – tikrinti naujus kosminių aparatų variklius. Savo laiku ši grupė tikrino ir pusiau fantastinio Warp variklio koncepciją. Tai – hipotetinis variklis, kuriuo erdvėlaivis tarpžvaigždinę erdvę įveiktų didesniu nei šviesos greičiu. Dažniausiai Warp varikliai pasitaiko fantastinėse knygose ir filmuose, o ne mokslinėse publikacijose. Tačiau 1994 metais žurnale Classical and Quantum Gravity buvo publikuotas fiziko Miguelio Alcubierre'o straipsnis, kuriame jis pasiūlė teorinę erdvėlaikį iškreipiančio variklio koncepciją. Eagleworks tikėjosi pademonstruoti pačią erdvės iškreipimo stipriu elektriniu lauku galimybę. Tačiau laboratorijoje atliktu eksperimentu įtikinamų erdvės iškreivėjimo įrodymų nerasta, nors patys autoriai aiškia tai nepakankamu įrenginio jautrumu.
„Neįmanomo“ variklio bandymui naudota hermetiška kamera ir specialios torsioninės svarstyklės, gebančios užfiksuoti dešimčių mikroniutonų trauką. Svarstyklėmis tirti du Cannae Drive variantai, – vieno rezonatoriaus viduje buvo kanalėliai. Guido Fetta spėjo, kad tai turėtų paveikti trauką. Ji buvo matuojama kelis kartus, kaskart įjungus variklį ir vieną kartą – pakeitus jo orientaciją 180 laipsnių. Siekiant pašalinti galimas instrumentines klaidas, be variklių dar buvo bandoma apkrova, kuri, paleidžiant įtampą traukos nekuria. Eksperimento autorių teigimu, įrenginys buvo toks jautrus, kad vėjuotą dieną galėjo „pajusti“ jūros bangavimą Meksikos įlankoje už maždaug 40 kilometrų į pietryčius nuo Johnsono centro. Ir iš tiesų, 30–50 µN trauka buvo užfiksuota.
Tačiau Eagleworks tyrimo grupės vadovas Haroldas White'as variklio veikimo principą aiškina visai kitaip, nei jo kūrėjas R. Shawyeris ir G. Fetta. Pasak jo, „papildomą trauką variklyje kuria magnetohidrodinaminė jėga, veikianti kvantines vakuumo fluktuacijas, tai yra, dėl sąveikos su „kvantine vakuumine virtualia plazma“ sukuriant virtualų plazminį toroidą“. Mat vakuumas – ne tuščia erdvė. Jis užpildytas nuolat atsirandančiomis ir išnykstančiomis elementariosiomis „virtualiomis“ – nes tiesiogiai jų stebėti negalime – dalelėmis. Paprasčiau tariant, laboratorijos darbuotojų nuomone, EmDrive ir panašūs įrenginiai sąveikauja ir atsistumia būtent nuo šių virtualių vakuumo dalelių. Nenuostabu, kad toks paaiškinimas mokslo bendruomenėje, švelniai tariant, visuotinio pritarimo nesulaukė. Vienas iš svarbiausių argumentų, išsakytų Eagleworks eksperimentų atžvilgiu – variklio bandymai buvo atlikti ne vakuume. Trauka galėjo rastis dėl oro konvekcijos apie bandinį. Taip pat išsakyta prielaida, kad rezonatoriuje „uždarytos“ mikrobangos kaitina svarstykles, taip iškreipdamos rodmenis. H. White'o optimizmas neįmanomojo variklio atžvilgiu pritarimo nesulaukė ir pačioje NASA'oje. Agentūra pažymi, kad Eagleworks – nedidelė laboratorija, kurioje dirba 5 žmonės. Ir likę 18 000 kosmoso agentūros darbuotojų gali jų požiūriui nepritarti.
Johnsono centre atlikti eksperimento trūkumai iš dalies buvo pašalinti Dresdeno Technikos universiteto fizikų atliktame eksperimente. Šį kartą bandymai vyko jau vakuuminėje kameroje. Autoriai pasistengė atsižvelgti ir į įrenginio elektros instaliacijos kuriamus efektus.Rezultatas – 20 µN trauka, kai magnetrono galingumas 700 W ir ir spinduliavimo dažnis 2,44 GHz. Pagrindinis Dresdeno tyrėjų atlikto eksperimento tikslas – pabandyti aptikti aparatinį efektą, sukeliantį trauką. Tačiau kas ją sukelia, darbo autoriams suprasti nepavyko.