Мифический космический двигатель наконец-то пройдет настоящее испытание

С самого рождения космической эпохи мечта о поездке в другую солнечную системы удерживалась в «ракетной узде», которая жестко ограничивает скорость и размеры космического корабля, который мы запускаем в космос. По оценкам ученых, даже при использовании самых мощных ракетных двигателей сегодня потребуется около 50 000 лет, чтобы достичь нашего ближайшего межзвездного соседа — Альфы Центавра. Если люди когда-либо надеются увидеть восход инопланетного солнца, время транзита должно существенно сократиться.

Работает ли невозможный двигатель EmDrive?

Среди передовых концепций двигателя, который мог бы сдвинуть все это с мертвой точки, очень немногие вызывали столько же волнения — и противоречий — как EmDrive. Впервые описанный почти двадцать лет назад, EmDrive работает за счет преобразования электричества в микроволны и направления этого электромагнитного излучения через коническую камеру. Теоретически, микроволны могут оказывать давление на стенки камеры и создавать достаточную тягу для движения космического аппарата, находящегося в космосе. На данный момент, однако, EmDrive существует только как лабораторный прототип, и до сих пор неясно, способен ли он вообще создавать тягу. Если и создает, то силы, которые недостаточно сильны, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, не говоря уж о том, чтобы двигать аппарат.

Однако за последние несколько лет несколько ученых, в том числе и NASA, утверждали, что успешно произвели тягу с EmDrive. Если это правда, нас ждет один из крупнейших прорывов в истории освоения космоса. Проблема в том, что тяга, наблюдаемая в этих экспериментах, настолько мала, что трудно сказать, существует ли она вообще.

Решение заключается в разработке инструмента, который сможет измерить эти незначительные проявления тяги. Поэтому команда физиков из немецкого Technische Universität Dresden решила создать устройство, которое позволило бы решить эту проблему. Проект SpaceDrive, возглавляемый физиком Мартином Таймаром, заключается в создании инструмента, настолько чувствительного и невосприимчивого к помехам, что он раз и навсегда положит конец дискуссии. В октябре Таймар и его команда представили свой второй набор экспериментальных измерений EmDrive на Международном астронавтическом конгрессе, и их результаты будут опубликованы в Acta Astronautica уже в этом августе. Отталкиваясь от результатов экспериментов, Таймар говорит, что разрешение саги с EmDrive ждет нас через пару месяцев.

Многие ученые и инженеры не верят в EmDrive, поскольку он нарушает законы физики. Микроволны, толкающие стенки камеры EmDrive, по всей видимости, генерируют тягу ex nihilo, то есть из ничего, которая идет вразрез с сохранением импульса — действие и никакого противодействия. Сторонники EmDrive, в свою очередь, ищут ответы в хитрых интерпретациях квантовой механики, пытаясь понять, как мог бы работать EmDrive без нарушения ньютоновской физики. «С теоретической точки зрения никто не воспринимает это всерьез», говорит Таймар. Если EmDrive способен генерировать тягу, как утверждают некоторые группы, «никто понятия не имеет, откуда она берется». Когда в науке есть теоретический разрыв такого масштаба, Таймар видит лишь один способ его закрыть: экспериментальный.

В конце 2016 года Таймар и 25 других физиков собрались в Эстес-Парке, штат Колорадо, на первую конференцию, посвященную EmDrive и связанным с ним экзотическим двигательным системам. Одно из самых интересных выступлений сделал Пол Марш, физик лаборатории NASA Eagleworks, в которой он со своим коллегой Гарольдом Уайтом тестировал различные прототипы EmDrive. Согласно презентации Марша и последующему докладу, опубликованному в Journal of Propulsion and Power, он и Уайт наблюдали несколько десятков микроньютонов тяги в своем прототипе EmDrive. Для сравнения, один двигатель SpaceX Merlin производит около 845 000 ньютонов тяги на уровне моря. Однако проблема для Марша и Уайта заключалась в том, что их экспериментальная установка включала несколько источников помех, поэтому они не могли утверждать наверняка, чем была обусловлена тяга, либо конкретная помеха.

Таймар и дрезденская группа использовали точную копию прототипа EmDrive, использованного в лаборатории NASA. Она представляет собой медный усеченный конус — с обрезанным верхом — длиной чуть меньше фута. Эту конструкцию придумал еще инженер Роджер Шойер, который первым описал EmDrive в 2001 году. Во время испытаний конус EmDrive помещается в вакуумную камеру. За пределами камеры устройство генерирует микроволновый сигнал, который передается по коаксиальным кабелям на антенны внутри конуса.

Это не первый случай, когда команда в Дрездене пытается измерить почти незаметную силу. Они создавали подобные устройства для работы над ионными двигателями, которые используются для точного позиционирования спутников в космосе. Эти микроньютоновые двигатели помогают спутникам обнаруживать слабые явления, такие как гравитационные волны. Но для изучения EmDrive и подобных двигателей без топлива потребуется наноньютоновое разрешение.

Новый подход заключался в применении торсионных весов, баланса маятникового типа, который измеряет величину крутящего момента, приложенного к оси маятника. Менее чувствительная версия этого баланса также использовалась командой NASA, когда они решили, что EmDrive производит тягу. Чтобы точно измерить эту небольшую силу, дрезденская команда использовала лазерный интерферометр для измерения физического смещения весов баланса, производимого EmDrive. По словам Таймара, их торсионные весы обладают наноньютоновым разрешением и поддерживают подруливающие устройства весом в несколько килограммов, что делает эти весы тяги самыми чувствительными из существующих.

Но по-настоящему чувствительные весы тяги вряд ли будут полезны, если вы не сможете определить, является ли обнаруженная сила тягой, а не проявлением внешнего вмешательства. И существует множество альтернативных объяснений наблюдений Марша и Уайта. Чтобы определить, производит ли EmDrive тягу на самом деле, ученые должны суметь экранировать устройство от интерференции магнитных полей Земли, сейсмических вибраций окружающей среды и теплового расширения EmDrive, связанного с нагреванием микроволнами.

По словам Таймара, внесение изменений в конструкцию торсионного баланса — чтобы лучше контролировать источник питания EmDrive и защитить его от магнитных полей — позволит решить ряд интерференционных проблем. Куда сложнее было решить проблему «теплового дрейфа». Когда мощность подается на EmDrive, медный конус нагревается и расширяется, что смещает его центр тяжести настолько, что торсионный баланс регистрирует силу, которую ошибочно можно принять за силу тяги. Тайман и его команда надеялись, что изменение ориентации двигателя поможет решить эту проблему.

В ходе 55 экспериментов Таймар и его коллеги зарегистрировали в среднем 3,4 микроньютона силы от EmDrive, что было очень похоже на то, что обнаружили и в NASA. Увы, эти силы, по всей видимости, не пришли испытание на тепловое смещение. Они были более характерны для теплового расширения, нежели для тяги.

Но для EmDrive надежда еще не потеряна. Таймар и его коллеги также разрабатывают два дополнительных типа весов тяги, включая сверхпроводящий баланс, который поможет устранить ложные срабатывания, вызванные тепловым дрейфом. Если они обнаружат силу от EmDrive на этих весах, есть большая вероятность, что это действительно толчок. Но если никакой тяги весы не выявят, это будет означать, что все предыдущие наблюдения тяги EmDrive были ложноположительными. Таймар надеется получить окончательный вердикт до конца года.

Но даже отрицательные результаты не будут означать приговор для EmDrive. Есть много других типов двигателей без топлива. И если ученые когда-либо разработают новые формы движения на слабой тяге, сверхчувствительные тяговые весы помогут отделить фантастику от факта.

А вы верите в то, что EmDrive работает? Расскажите в нашем чате в Телеграме.

Источник: hi-news.ru