Sinds de geboorte van het ruimtetijdperk wordt de droom van een reis naar een ander zonnestelsel in een "raketriem" gehouden die de snelheid en de grootte van het ruimtevaartuig dat we de ruimte lanceren ernstig beperkt. Wetenschappers schatten dat het zelfs met de krachtigste raketmotoren van vandaag ongeveer 50.000 jaar zal duren om onze dichtstbijzijnde interstellaire buur, Alpha Centauri, te bereiken. Als mensen ooit hopen een buitenaardse zon te zien opkomen, moeten de transittijden aanzienlijk worden verkort.
Is de onmogelijke EmDrive actief?
Van de geavanceerde motorconcepten die dit van de grond zouden kunnen krijgen, hebben er maar weinigen zoveel opwinding - en controverse - gegenereerd als de EmDrive. EmDrive, dat bijna twintig jaar geleden voor het eerst werd beschreven, werkt door elektriciteit om te zetten in microgolven en deze elektromagnetische straling door een conische kamer te leiden. In theorie kunnen microgolven druk uitoefenen op de wanden van de kamer en voldoende stuwkracht creëren om een ruimtevaartuig in de ruimte te verplaatsen. Voorlopig bestaat EmDrive echter alleen als een laboratoriumprototype, en het is nog onduidelijk of het überhaupt in staat is om stuwkracht te genereren. Als dat het geval is, zijn het krachten die niet sterk genoeg zijn om met het blote oog te worden gezien, laat staan om het apparaat te bewegen.
De afgelopen jaren hebben verschillende wetenschappers, waaronder NASA, echter beweerd dat ze met succes stuwkracht hebben geproduceerd met EmDrive. Als dit waar is, staan we voor een van de grootste doorbraken in de geschiedenis van ruimteverkenning. Het probleem is dat de stuwkracht die in deze experimenten wordt waargenomen zo klein is dat het moeilijk te zeggen is of het überhaupt bestaat.
De oplossing is om een instrument te ontwikkelen dat deze kleine stuwkrachtverschijnselen kan meten. Daarom besloot een team van natuurkundigen van de Duitse Technische Universität Dresden om een apparaat te maken dat dit probleem zou oplossen. Het SpaceDrive-project, geleid door natuurkundige Martin Taimar, gaat over het creëren van een instrument dat zo gevoelig en immuun voor interferentie is dat het de discussie voor eens en voor altijd zal beëindigen. In oktober presenteerden Taimar en zijn team hun tweede reeks experimentele metingen, EmDrive, op het International Astronautical Congress, en hun resultaten zullen in augustus in Acta Astronautica worden gepubliceerd. Op basis van de resultaten van de experimenten zegt Taimar dat de oplossing van de saga met EmDrive over een paar maanden op ons wacht.
Veel wetenschappers en ingenieurs geloven niet in EmDrive omdat het in strijd is met de wetten van de fysica. De microgolven die tegen de wanden van de EmDrive-kamer drukken, lijken ex nihilo stuwkracht te genereren, dat wil zeggen, uit het niets, dat ingaat tegen het behoud van momentum - actie en geen reactie. Voorstanders van EmDrive zoeken op hun beurt naar antwoorden in slimme interpretaties van de kwantummechanica en proberen te begrijpen hoe EmDrive zou kunnen werken zonder de Newtoniaanse fysica te doorbreken. “Vanuit theoretisch oogpunt neemt niemand het serieus”, zegt Taimar. Als EmDrive in staat is om stuwkracht te genereren, zoals sommige groepen beweren, "heeft niemand een idee waar het vandaan komt". Als er een theoretische kloof van deze omvang in de wetenschap is, ziet Taimar maar één manier om die te dichten: experimenteel.
Promotie video:
Eind 2016 kwamen Taimar en 25 andere natuurkundigen bijeen in Estes Park, Colorado voor de eerste conferentie over EmDrive en aanverwante exotische voortstuwingssystemen. Een van de meest interessante presentaties werd gegeven door Paul Marsh, een natuurkundige in het Eagleworks-laboratorium van NASA, waar hij en zijn collega Harold White verschillende prototypes van EmDrive hebben getest. Volgens de presentatie van Marsh en een daaropvolgend rapport in de Journal of Propulsion and Power, observeerden hij en White enkele tientallen micronewtons stuwkracht in hun EmDrive-prototype. Ter vergelijking: een enkele SpaceX Merlin-motor produceert ongeveer 845.000 Newton stuwkracht op zeeniveau. Het probleem voor Marsh en White was echter dat hun experimentele opstelling meerdere storingsbronnen bevatte, dus ze konden niet met zekerheid zeggen wat de stuwkracht veroorzaakte.of een specifieke hindernis.
Taimar en het team van Dresden gebruikten een exacte replica van het EmDrive-prototype dat in het NASA-laboratorium werd gebruikt. Het is een afgeknotte koperen kegel - waarvan de bovenkant is afgesneden - iets minder dan een voet lang. Dit ontwerp is uitgevonden door de ingenieur Roger Scheuer, die EmDrive voor het eerst beschreef in 2001. Tijdens het testen wordt de EmDrive-kegel in een vacuümkamer geplaatst. Buiten de camera genereert het apparaat een microgolfsignaal dat via coaxkabels naar antennes in de kegel wordt gestuurd.
Dit is niet de eerste keer dat een team in Dresden probeert om bijna onmerkbare kracht te meten. Ze creëerden vergelijkbare apparaten om te werken op ionenmotoren, die worden gebruikt om satellieten nauwkeurig in de ruimte te positioneren. Deze micronewton-motoren helpen satellieten zwakke verschijnselen zoals zwaartekrachtgolven te detecteren. Maar het bestuderen van EmDrive en soortgelijke motoren zonder brandstof vereist een resolutie van nanonewton.
De nieuwe benadering was om een torsiebalans te gebruiken, een balans van het slingertype die de hoeveelheid koppel meet die op de as van de slinger wordt uitgeoefend. Een minder gevoelige versie van deze balans werd ook gebruikt door het NASA-team toen ze besloten dat de EmDrive stuwkracht produceerde. Om deze kleine kracht nauwkeurig te meten, gebruikte het Dresden-team een laserinterferometer om de fysieke verplaatsing van de balansgewichten geproduceerd door de EmDrive te meten. Hun torsieschalen hebben een resolutie van nanonewton en ondersteunen enkele kilo's stuwraketten, zei Taimar, waardoor ze de meest gevoelige stuwkrachtschaal zijn die er bestaat.
Maar echt gevoelige stuwkrachtgewichten zijn waarschijnlijk niet bruikbaar als u niet kunt bepalen of de gedetecteerde kracht stuwkracht is en niet een externe inmenging. En er zijn veel alternatieve verklaringen voor de observaties van Marsh en White. Om te bepalen of de EmDrive daadwerkelijk stuwkracht produceert, moeten wetenschappers het apparaat kunnen beschermen tegen interferentie van de magnetische velden van de aarde, seismische trillingen in de omgeving en thermische uitzetting van de EmDrive in verband met microgolfverwarming.
Taimar zei dat het aanpassen van het ontwerp van de torsiebalans - om de EmDrive-voeding beter te regelen en te beschermen tegen magnetische velden - een aantal interferentieproblemen zal aanpakken. Het was veel moeilijker om het probleem van "thermische drift" op te lossen. Wanneer de EmDrive van stroom wordt voorzien, warmt de koperen conus op en zet deze uit, waardoor het zwaartepunt zo sterk verschuift dat de torsiebalans een kracht registreert die voor tractie kan worden aangezien. Taiman en zijn team hoopten dat het veranderen van de oriëntatie van de motor dit probleem zou helpen oplossen.
In 55 experimenten registreerden Taimar en zijn collega's gemiddeld 3,4 micronewton kracht van EmDrive, wat erg leek op wat ze bij NASA vonden. Helaas kwamen deze krachten blijkbaar niet tot de thermische verplaatsingstest. Ze waren meer kenmerkend voor thermische uitzetting dan stuwkracht.
Maar voor EmDrive is de hoop niet verloren. Taimar en zijn collega's ontwikkelen ook twee extra soorten stuwkrachtgewichten, waaronder een supergeleidende balans, die valse positieven als gevolg van thermische drift helpen elimineren. Als ze de kracht van EmDrive op deze schaal vinden, is de kans groot dat het echt een zetje is. Maar als de weegschaal geen stuwkracht detecteert, betekent dit dat alle eerdere waarnemingen van EmDrive-stuwkracht vals positief waren. Taimar hoopt voor het einde van het jaar een definitief vonnis te krijgen.
Maar zelfs negatieve resultaten betekenen geen oordeel voor EmDrive. Er zijn veel andere soorten niet-brandstofmotoren. En als wetenschappers ooit nieuwe vormen van beweging met een lage stuwkracht ontwikkelen, zullen ultragevoelige tractieschalen helpen om fictie van feit te scheiden.
Ilya Khel
