Содержание
Двигатель EmDrive
Мы уже писали большую статью про удивительный двигатель EmDrive — медное ведро, которое не требует никакого топлива и при этом каким-то образом вырабатывает энергию. Двигатель многократно испытали в различных лабораториях и… по-прежнему ничего не поняли. В общем, новый лонгрид с обновленной информацией о невозможном двигателе, который должен быть вечным. Если бы не законы физики.
Владимир Королёв
Первую статью можно прочесть здесь.
В научном журнале Американского института аэронавтики и космонавтики вышла статья, посвященная странному и спорному устройству — двигателю EmDrive. По мнению ряда физиков, эта конструкция в принципе не может работать. Это нарушало бы фундаментальный закон природы, сохранение импульса. Другие пытаются найти разумное объяснение того, почему EmDrive все-таки работает, или хотя бы надежные доказательства его работоспособности. Их привлекает зыбкая, но грандиозная цель — двигатель, способный превращать электричество в тягу без топлива или реактивной струи.
Или же — окончательное закрытие многолетнего спора.
Научная публикация может стать важным шагом в истории «невозможного» двигателя. Несмотря на наличие десятков экспериментальных проверок, их результаты не были опубликованы в рецензируемых журналах. Этому мешает отсутствие теоретических основ, объясняющих работу EmDrive. К тому же многие эксперименты нельзя назвать «чистыми» — есть множество факторов, которые могут создать видимость работы двигателя. О них мы еще поговорим, а начнем с других вопросов.
Что это такое?
Это гипотетический двигатель, предложенный британским изобретателем Роджером Шойером. Питаясь электричеством, он (по утверждению Шойера и его не слишком многочисленных сторонников) создает слабую тягу без использования рабочего тела. На этот странный факт указывают и некоторые другие эксперименты. Однако вопиющее нарушение закона сохранения импульса заставляет с особой тщательностью подходить к таким заявлениям — и многие эксперты указывают на ошибки в постановке опытов, которые могли создать иллюзию слабой, но существующей тяги.
Устроен чудо-двигатель просто, собрать его может любой энтузиаст, осиливший управление паяльником. Он состоит из двух основных деталей: магнетрона и резонатора. Магнетрон — это вакуумная трубка, используемая для генерации излучения в обычной микроволновке. Она состоит из полого цилиндра-анода и центрального волоска-катода. Под действием напряжения с катода вылетают электроны и начинают двигаться по сложным траекториям внутри цилиндра, испуская микроволны. По волноводу они передаются от магнетрона в резонатор, похожий на медное ведро, закрытое крышкой. Как утверждает изобретатель двигателя Роджер Шойер, тут-то и начинается самое интересное.
По словам Шойера, главная фишка EmDrive — это форма резонатора. Изобретатель предполагает, что из-за разницы в диаметре передней и задней стенок (как у дна ведра и его крышки) на них действуют разные по величине силы, вызванные стоячей электромагнитной волной в резонаторе. Их равнодействующая и толкает двигатель вперед, создавая тягу, которая направлена в сторону «дна».
Впоследствии, после нескольких спорящих с этой идеей сообщений, Шойер уточнил, что реальный механизм несколько сложнее и может быть связан с проявлением эффектов специальной теории относительности (СТО).
Что с ним не так?
В самом деле, если взглянуть на первое объяснение механизма работы двигателя, то окажется, что оно напоминает историю барона Мюнхгаузена, вытащившего себя и коня из болота за волосы. EmDrive — замкнутая система, которая ничего не выбрасывает в окружающее пространство. Такой объект не может увеличивать свой импульс без внешних воздействий, как и Мюнхгаузен не мог увеличить свой, как бы сильно он ни тянул. Сторонники двигателя парируют эти аргументы тем, что можно допустить отталкивание резонатора от вакуумного состояния или же привлечь к объяснению СТО. Однако физики неоднократно отмечали грубость таких оценок или отсутствие в них физического смысла.
Но все-таки суть заявлений Шойера состояла не столько в теоретических описаниях, сколько в том, что он якобы зафиксировал реальную тягу от двигателя.
На своем сайте исследователь указывает величину тяги примерно в 200−230 мН/кВт — больше, чем у ионных двигателей, которые толкают космические аппараты, выбрасывая ускоренные в электрическом поле заряженные частицы.
Решив, что объяснять эту тягу — дело теоретиков, несколько групп экспериментаторов проверили EmDrive в своих лабораториях. Такую работу проделали исследователи из китайского Северо-Западного политехнического университета и Технического университета Дрездена. Недавно к ним присоединились и авторы статьи, вышедшей в Journal of Propulsion and Power, исследователи из подразделения NASA Eagleworks, которые традиционно занимаются наиболее спорными и «футуристическими» проектами агентства.
Есть, но маленькая?
Первые тесты дали вроде бы обнадеживающие результаты: на включенное устройство действовала некая сила. Однако ее значение оказалось намного меньше, чем предсказанная Шойером величина, причем чем аккуратнее был поставлен эксперимент, тем меньшая регистрировалась тяга.
Но ведь дело в принципе: откуда она может вообще браться? Если не рассматривать путаных объяснений Шойера, то можно выделить несколько побочных процессов, которые теоретически могут обеспечить тягу. Это могут быть потоки воздуха, связанные с нагревом двигателя, или тепловое расширение самой экспериментальной установки. Слабую силу способно создавать отталкивание от зарядов, «оседающих» на стенах тестовой камеры, или взаимодействие EmDrive с магнитными полями проводов, или давление излучения, покидающего резонатор.
С потоками воздуха бороться проще всего — достаточно проводить испытания в вакууме. Такие тесты были проделаны учеными из Дрездена, которые обнаружили тягу на уровне всего 0,02−0,03 мН/кВт — на пределе погрешности измерений. Кроме того, физики отметили, что использовали резонатор (то самое медное «ведро») с невысокой добротностью. Излучение быстро покидало его, увеличивая шансы на вклад других побочных процессов. Сотрудники NASA Eagleworks получили немного бóльшие цифры — 1,2±0,1 мН/кВт.
При этом они утверждают, что отследили все возможные источники побочных процессов.
Это много или мало?
Строго говоря, миллиньютон (мН) — это меньше, чем вес одной песчинки сахара. Но если говорить о реактивном полете в космосе, то даже тяга 1 мН, непрерывно действуя на протяжении нескольких лет, позволяет разогнать 100-килограммовый аппарат до приличных скоростей.
Можно подсчитать, что за десять лет такой зонд разгонится на 3 км/с и (с учетом стартовой второй космической скорости) преодолеет порядка 3,5 млрд км. Но если мы оценим тягу на уровне, который обещает Шойер (200 мН/кВт), то получим ускорение уже до 600 км/с и дистанцию в 660 астрономических единиц — расстояний от Солнца до Земли.
Так — слабо, но очень долго и экономно расходуя рабочее тело — действуют ионные и фотонные двигатели. Первые «выстреливают» в пространство заряженными ионами, разогнанными до десятков километров в секунду.
Их тяга может достигать 60 мН/кВт, однако они требуют использовать рабочее тело — обычно запас инертного газа. К примеру, аппарат Dawn, который недавно завершил основную миссию по исследованию Цереры, был вынужден взять на борт 425 кг ксенона.
Фотонные двигатели обладают несравненно меньшей тягой, порядка нескольких микроньютонов на киловатт мощности лазерного излучения. Источником тяги в них выступает импульс фотонов, вылетающих в космическое пространство. Зато фотонные двигатели не требуют брать с собой ни топлива, ни рабочего тела.
В самом конце 2016 года Китайская академия космических технологий (CAST) сообщила, что уже несколько лет проводит собственные исследования потенциальных возможностей EmDrive и его применения. По словам одного из руководителей CAST Чэня Юэ, организация провела собственные, «многолетние и многократно повторенные» эксперименты, подтвердившие наличие у EmDrive тяги. Использованный в Китае прототип создавал всего несколько миллиньютонов, но в ближайшее время будут разработаны новые конструкции, рассчитанные на 100 мН и больше.
Возможно, они будут испытаны уже на орбите.
Нельзя забывать о пассивных двигателях, не требующих ни электроэнергии, ни топлива для своей работы, — о солнечных парусах. Тяга, которую они развивают, определяется площадью паруса и расстоянием до Солнца. Около Земли 1 м² отражающего материала будет развивать тягу в 0,1 мН. Суммарная тяга японского экспериментального аппарата IKAROS с парусом в 200 м² достигала как раз 2 мН. Для понимания масштаба добавим, что тяга двигателей сверхтяжелой ракеты Saturn V, отправлявшей астронавтов на Луну, составляла 34 000 000 Н.
Может, они ошибаются?
Публикация работы в рецензируемом научном журнале означает, что статья прошла проверку несколькими независимыми экспертами в соответствующей области. Эта процедура поддерживает достаточно высокий уровень статей, но даже она не позволяет избежать ошибок.
Можно вспомнить, как в 2014 году международная коллаборация BICEP опубликовала результаты своих многолетних исследований в одном из самых престижных научных журналов Physical Review Letters.
Ученые утверждали, что обнаружили следы гравитационных волн при изучении реликтового излучения. Однако эта трактовка была неверной, и сенсационные результаты оказались влиянием галактической пыли.
Журнал, в котором команда Eagleworks опубликовала свою работу, может похвастаться в семь раз меньшим индексом цитирования, чем Physical Review Letters. Поэтому существует даже мнение о том, что процедура рецензирования в нем не столь строга и могла пропустить работу, несмотря на огрехи. Стоит отметить, что и само подразделение NASA Eagleworks — совсем небольшая лаборатория с финансированием на уровне $50 000 в год. Этого с трудом может хватить на выполнение высокоточного исследования и покупку нужного оборудования.
Работает — и ладно?
Если б стопроцентные доказательства работоспособности EmDrive существовали, они потребовали бы серьезной работы теоретиков. Но пока отсутствие объяснения — незыблемая скала, о которую разбиваются все доводы слишком больших энтузиастов «невозможного двигателя».
Оно даже стало аргументом для отказа в публикации ранних статей в серьезных научных журналах.
Люди попроще любят замечать, что «работает и ладно, не обязательно же знать как». Однако такой подход может привести к неожиданным проблемам в долгосрочных космических миссиях. Например, если работа двигателя связана с магнитным полем, то он может непредсказуемо повести себя среди магнитных полей открытого космоса. Никому не нужно, чтоб аппарат потерял свой единственный источник тяги где-нибудь на полпути к Марсу или далеким объектам пояса Койпера. Так что к классическому требованию предъявить надежные доказательства обязательно должно прилагаться и требование объяснить все происходящее в двигателе — но пока создатели EmDrive не могут показать ни того, ни другого.
Интересно проследить, зачем профессиональные ученые работают с такими сомнительными проектами. С одной стороны, открытие реальной тяги в EmDrive может указать на принципиально новые эффекты и долгожданную «новую физику» за границами существующих моделей.
С другой стороны, «закрыв» тягу невозможного двигателя, ученые смогут наконец разрешить давно надоевший всем спор. А по пути — создать новые сверхточные методы для исследования сверхмалых сил.
Невозможный двигатель EmDrive после тщательных проверок оказался нерабочим
Георгий Голованов
Группа немецких ученых дотошно докопалась до истины в деле о двигателе EmDrive, якобы дающим тягу без топлива в нарушение законов физики. Причина заблуждений в том, что точно измерить крошечную тягу крайне сложно, поэтому потребовалось четыре года на подготовку и проведение ряда экспериментов. Вердикт, увы, оказался неутешительным — использовать EmDrive для космических полетов не получится.
Возможность генерировать тягу без горючего могла бы полностью изменить облик современной космонавтики. Поэтому совершенно естественно, что идея Роджера Шойера и последующие подкрепляющие ее эксперименты инженеров США и Китая вызвали поначалу большой ажиотаж.
Однако проблема двигателя EmDrive на основе магнетрона заключалась в том, что он нарушал закон сохранения импульса, хотя результаты первых испытаний показывали наличие тяги. У его разработчика была своя теория на этот счет, как и у трех ученых из Германии — Мартина Таймара, Оливера Нойнцига и Марселя Вайкерта, которые потратили четыре года на доказательство своей точки зрения. В 2018 году они представили результаты тщательного подготовленного эксперимента — двигатель действительно давал тягу, даже тогда, когда делать этого не должен был. Они предположили, что этот эффект объясняется вмешательством магнитного поля Земли.
После ученые решили устранить эти помехи, использовав аккумулятор и пересобрав другие компоненты, чтобы исключить электромагнитные воздействия, пишет New Atlas. И теперь они утверждают, что обнаружили, откуда берется тяга — к огорчению энтузиастов EmDrive.
«Мы обнаружили, что причина „тяги“ — тепловой эффект», — объявил Таймар.
Он и его коллеги использовали конфигурацию EmDrive, предложенную специалистами NASA, которую применяли в лабораториях Eagleworks, потому что она лучше всего задокументирована.
«Когда в EmDrive течет энергия, двигатель нагревается, — пояснил он. — Это также приводит к деформации креплений пластин, и они сдвигаются в новую нулевую точку. Мы смогли предотвратить это, изменив структуру. Наши измерения доказали несостоятельность всех претензий EmDrive по меньшей мере на три порядка».
Заодно ученые развенчали два других варианта EmDrive — LemDrive и Mach-Effect Thruster — заявив, что несмотря на огорчение от того, что эти двигатели не работают, они смогли усовершенствовать методику измерения. В будущем при испытании новых невозможных двигателей у исследователей уйдет меньше времени и усилий на доказательство их невозможности.
Недавно немецкий астрофизик Эрик Ленц предложил новый подход к сверхсветовым путешествиям с помощью варп-двигателей, который основан только на традиционной физике. Ленц полагает, что его решение переводит эту задачу из области фундаментальной физики «ближе к проектированию».
EmDrive, предполагаемый бестопливный двигатель, снова сбит с ног
Пять лет назад исследователи НАСА экспериментировали с объектом под названием EmDrive (или электромагнитным приводом), Y-образной металлической камерой, в которой, как они сообщали, тяга могла создаваться без топлива.
Такое приспособление опровергло бы основные принципы физики, какими мы их знаем, и устранило бы огромный барьер для путешествий в дальний космос, сведя на нет необходимость носить с собой топливо. В конечном счете, надежда на EmDrive заключалась в том, что двигатели без топлива сделают путешествие к отдаленным объектам, таким как внешняя Солнечная система и даже близлежащие внесолнечные системы, такие как Альфа Центавра, управляемыми в человеческих масштабах времени.
Прототип NASA EmDrive 2013-14 гг. Изображение: Wikimedia Commons (добросовестное использование)
Если это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, другие ученые думали так же. После того, как эта статья была опубликована в Journal of Propulsion and Power, появилось множество исследований, объясняющих, в чем заключалась ошибка в исходной математике EmDrive. Надежды на бестопливный двигатель точно не оправдались; они постепенно развенчиваются в исследованиях смерти на 1000 человек. Самые последние усилия включают три статьи, представленные на конференции Space Propulsion 2020+1 исследователями из Дрезденского технологического университета в Германии.
«Когда мощность поступает в EmDrive, двигатель прогревается», — сказал соавтор исследования Мартин Тамджар, физик из Дрезденского технического университета, немецкому изданию GleWi. «Это также приводит к деформации крепежных элементов весов, в результате чего весы перемещаются к новой нулевой точке. Мы смогли предотвратить это в улучшенной структуре. Наши измерения опровергают все утверждения EmDrive как минимум на 3 порядка».
Упс. Очень жаль, потому что бестопливный двигатель был бы благом для исследования человеком космоса, ближнего и дальнего. Но немецкая команда использует свой EmDrive уже несколько лет, используя модель технологии, основанную на дизайне НАСА 2016 года. Они до сих пор не нашли доказательств, подтверждающих первоначальные утверждения.
Принцип EmDrive заключался в том, что микроволны, подпрыгивающие внутри камеры, будут создавать неравномерную силу, достаточную для создания мизерной тяги. Критики говорят, что это нарушает основные законы физики: казалось, что EmDrive создает импульс, а не тягу, возникающую из известных физических явлений.
«Я считаю, что история с EMDrive закрыта», — сообщил Таймар Gizmodo по электронной почте. «Я не видел достоверных доказательств (опубликованных измерений, соответствующих высоким экспериментальным стандартам), которые требуют дальнейшего изучения».
При предварительном тестировании результатов НАСА та же немецкая команда также обнаружила небольшой эффект тяги, но они не были в этом уверены. С тех пор они пытаются приглушить все внешние шумы, чтобы увидеть, действительно ли EmDrive производит их сам. В одном из новых исследований авторы пришли к выводу, что эффект тяги на самом деле был просто вибрацией устройства, артефактом его работы.
Альфа и Бета Центавра, Проксима Центавра обведена красным. Изображение: Wikimedia Commons (добросовестное использование)
EmDrive был любимым проектом DARPA, научно-исследовательского подразделения Министерства обороны США. Инвестиции DARPA в проект продлятся до мая 2021 года, так что для финансирования проекта, на который когда-то возлагалось так много надежд, осталось очень мало времени.
Фантазия об EmDrive пока остается таковой, хотя это не помешает ученым заняться проблемой топлива, которая остается колоссальной баррикадой для нас, крошечных людей, отважившихся зайти дальше нашего собственного космического порога. С другой стороны, с каждой проходящей статьей кажется, что «Невозможный драйв» оправдал свое прозвище.
Эта история была дополнена комментариями Мартина Таймара.
EmDrive: возможно ли это? | Ученые только что убили EmDrive
- «Невозможный» EmDrive не прошел международные испытания в трех новых статьях.
- Идея всегда была далекой, но это часть того, как наука движется вперед.
- EmDrive работает (или нет), накачивая микроволны в асимметричную закрытую камеру.
В ходе крупных международных испытаний бросивший вызов физике EmDrive не смог обеспечить ожидаемую сторонниками тягу. На самом деле, во время одного из испытаний в Дрезденском университете в Германии он вообще не создавал никакой тяги.
Это конец линии для EmDrive?
EmDrive, авторские права на который принадлежат его материнской компании SPR Ltd, теоретически работает, улавливая микроволны в специальной камере, где их отскок создает тягу. Камера закрыта, то есть снаружи кажется, что она просто движется без подачи топлива или выхода тяги.
SPR Ltd объясняет:
«Это основано на втором законе Ньютона, где сила определяется как скорость изменения количества движения. Таким образом, электромагнитная (ЭМ) волна, распространяющаяся со скоростью света, имеет определенный импульс, который она передаст отражателю, в результате чего возникнет крошечная сила».
Эта аккумулированная крошечная сила в большом количестве — это то, что позволяет EmDrive, по словам компании. Звучит просто, но, по сути, разрывает наше существующее понимание физики. Никакая энергия не входит и не выходит, так как же инициализируются волны, как они продолжают двигаться и откуда берется их импульс?
Связанная история
- EmDrive просто не умрет
У вас не может быть спонтанного, созданного импульса без объяснимого толчка, поэтому многие ученые не воспринимают EmDrive всерьез.
Если EmDrive сработает, то он обесценит многое из того, что физики знают о Вселенной.
Тем не менее, несколько исследовательских групп, в том числе Eagleworks НАСА (официально известная как Advanced Physics Propulsion Laboratory , созданная для изучения новых технологий) и DARPA, агентство по исследовательским проектам министерства обороны, продолжают изучать жизнеспособность EmDrive.
Почему? Потому что эта концепция может «преобразовать космические путешествия и увидеть, как корабли бесшумно взлетают со стартовых площадок и выходят за пределы Солнечной системы», — сказал Майк МакКаллох, преподаватель геоматики в Университете Плимута, Великобритания, и руководитель проекта DARPA EmDrive.0041 Pop Mech в прошлом году. «Мы также можем отправить беспилотный зонд к Проксиме Центавра за (долгую) человеческую жизнь, 90 лет».
Команда NASA Eagleworks тестирует EmDrive в 2016 году.
NASA
Инвестиции DARPA в EmDrive начались в 2018 году и продлятся до мая 2021 года.
.
Суть EmDrive заключается в том, что если вы отбрасываете микроволны внутри трубы, они прилагают больше усилий в одном направлении, чем в другом, создавая результирующую тягу без необходимости в каком-либо топливе. И когда НАСА и команда из Сианя в Китае попытались это сделать, они действительно получили небольшую, но отчетливую чистую силу.
Теперь, однако, физики из Дрезденского технологического университета (TU Dresden) говорят, что многообещающие результаты, показывающие тягу, были все ложных срабатывания, которые объясняются внешними силами. Ученые недавно представили свои выводы в трех статьях на Space Propulsion Conference 2020 +1 под такими заголовками, как «Высокоточные измерения тяги EmDrive и устранение ложноположительных эффектов». (О двух других исследованиях читайте здесь и здесь.)
Андрей Суслов//Getty Images
Используя новую измерительную шкалу и разные точки подвески того же двигателя, ученые Дрезденского технического университета «смогли воспроизвести кажущиеся силы тяги, подобные тем, которые были измерены командой НАСА, а также заставить их исчезнуть с помощью точечной подвески, — рассказал исследователь Мартин Таймар немецкому сайту GreWi .
Вердикт:
«Когда мощность поступает в EmDrive, двигатель прогревается. Это также вызывает деформацию крепежных элементов на шкале, в результате чего шкала перемещается к новой нулевой точке. Мы смогли предотвратить это в улучшенной структуре. Наши измерения опровергают все утверждения EmDrive как минимум на 3 порядка. ”
Другие вещи, которые вам понравятся
- Ученые говорят, что физический варп-двигатель возможен
- Двигатель, который может доставить нас на Марс за 3 месяца
- Этот термоядерный двигатель может ускорить межзвездное путешествие тесты как момент «сделай или умри» EmDrive, и кажется, что результат указывает на смерть — на данный момент.
Инвестиции DARPA в невозможный EmDrive, по крайней мере, довольно малы, и это, безусловно, не самая безумная вещь, на которую DARPA потратила деньги. Более того, космические путешествия породили ряд диковинных идей для двигателей, поскольку ученые пытаются мыслить как можно более нестандартно, чтобы освободиться от новых и революционных концепций.
