Преамбула.
EmDrive - гипотетический двигатель, представляющий собой закрытый металлический объемный резонатор в форме усеченного конуса. Предположительно, возбуждение электромагнитных волн в объеме резонатора должно приводить к генерации тяги, не требующей реактивного выброса вещества.
Конструкция двигателя была предложена (и впоследствии запатентована) британским инженером Роджером Шоером в 2001 году. С тех пор EmDrive привлек к себе значительное общественное внимание, главным образом, за счет того, что его концепция противоречит базовым физическим принципам, принятым на сегодняшний день, за что подвергается обширной и нещадной критике. Несмотря на это, армия сторонников работоспособности двигателя (который множество СМИ и пользователей интернета уже успело окрестить "невозможным") продолжает расти, и даже, будто бы, имеется немало сообщений умельцев об успешно зарегистрированной в домашних условиях тяге.
Наиболее часто EmDrive инкриминируют нарушение закона сохранения импульса, который запрещает возможность ускорения замкнутой системы, не взаимодействующей с окружающим пространством. Вот, например, авторское описание работы двигателя, опубликованное на сайте EmDrive:
Авторское изображение, поясняющее возникновение тяги.
Двигатель состоит из резонатора и магнетрона. Магнетрон генерирует в полости резонатора электромагнитные волны, которые оказывают давление на донья, но при этом, в силу некоторых причин, сила, действующая на большее дно, оказывается больше, чем сила, действующая на меньшее. И складываясь, они дают тягу!
Разумеется, такое описание не выдерживает никакой критики. Хотя бы потому, что указанный принцип сродни жиму Мюнхгаузена (жиму себя вместе с лошадью из болота потянув за свою косичку).
Были и другие попытки дать теоретическое обоснование возможности работы двигателя. Так, например, британский же учетный Майк Макалох попытался задействовать эффект Унру, однако по пути ему пришлось сделать предположение о том, что у фотона есть инертная масса, так что в итоге получилось шило на мыло.
Объяснение эффекта, признанное удовлетворительным, на сегодняшний день не найдено. Да и в том, что эффект вообще существует, многие склонны сомневаться. Поэтому (или вопреки этому) ведутся, пока не слишком активные, экспериментальные исследования чудо-машины с целью более или менее надежно установить наличие тяги и определить ее порядок величины. А теперь, собственно,
Фабула.
В 2015 году исследовательская группа из космического центра им. Линдона Джонсона (NASA), известная как Eagleworks, провела испытания EmDrive в условиях высокого вакуума, результаты которых были опубликованы в рецензируемом журнале Journal of Propulsion and Power 7 ноября 2016.
Для измерения тяги использовался крутильный маятник, способный измерять приложенное усилие с точностью до единиц микроньютонов.
Упрощенное изображение экспериментальной установки
На одном из концов длинной алюминиевой стрелы смонтирован исследуемый объект (EmDrive) вместе со всей обслуживающей его электроникой. На этом же конце закреплено зеркало, напротив которого расположен оптический датчик, способный измерять расстояние до зеркала с точностью до 0,01 микрометра, с помощью чего определяется поворот маятника. Также здесь находится система калибровки, состоящая из двух перекрывающихся, но не соприкасающихся металлических гребенок. При приложении к ним напряжения между ними начинают действовать силы электростатического притяжения, которые используются исследователями как калибровочный импульс известной величины для сравнения с тягой, вырабатываемой EmDrive.
На другом конце находится уравновешивающий балласт и система гашения колебаний, представляющая собой медный якорь и четыре неодимовых магнита, заключенных в стальной кожух.
Сам исследуемый образец, как предписано, выполнен в форме усеченного конуса высотой 23 см с диаметрами 16 и 28 см. На малом дне закреплен диск из полиэтилена пятисантиметровой толщины, выполняющий функцию диэлектрической нагрузки. Внутрь образца заведены две антенны, одна из которых генерирует внутри полости электромагнитные волны, а вторая проводит измерения для создания обратной связи. Также вместе с образцом на стреле монтируется вся сопровождающая электроника.
Вся эта конструкция помещается внутрь вакуумной камеры размерами 76×92 см, которая, в свою очередь, устанавливается на специальной устойчивой платформе размерами 1,2×2,4 метра. Во время проведения испытаний в камере создается высокий вакуум с помощью двух форвакуумных и двух турбомолекулярных насосов. Давление вакуума во время эксперимента никогда не превышает 8×10^-6 торр.
А вот так все это выглядит в собранном состоянии.
EmDrive, смонтированный на стреле крутильного маятника в вакуумной камере.
Термограммы различных частей конструкции. Слева - радиатор, справа - сам EmDrive. 105°F≈40,5°C.
Главной помехой измерениям было то, что электромагнитные волны, возбуждаемые антенной, нагревают двигатель, что привит к его тепловому расширению. Из-за этого его центр тяжести смещается, что, в свою очередь, приводит к дополнительному повороту торсионного маятника. Вклад, связанный с этим эффектом, исследователи назвали "тепловым". Соответственно, вклад, связанный с приложением силы - "импульсным".
Двигатель нагревается всегда, пока работает антенна, поэтому тепловой и импульсный вклады следуют неразрывно друг за другом. Чтобы их все-таки разъединить и измерить чистую тягу, исследователи придумали следующий трюк.
На рисунке выше схематично изображено, как образуется суперпозиция теплового и импульсного вкладов. Нагревается двигатель постепенно, пока антенна включена, и остывает тоже постепенно после ее выключения. Тяга же появляется и исчезает одновременно с включением/выключением антенны.
Обратите внимание на излом на графике суперпозиции сигналов (синяя линия) в момент включения двигателя. Такого излома нет у зеленой кривой, изображающей влияние одного только теплового расширения.
Именно его исследователи выбрали как главный индикатор присутствия тяги. Измерять же ее они предложили следующим способом: нужно продолжить ту часть синей линии (напомним, у экспериментаторов реально есть только она), которая находится между первым и вторым изломами, назад во времени до пересечения с осью, то есть до момента включения двигателя. Потом нужно посмотреть, на какой высоте получившаяся кривая пересекла ось по сравнению с той кривой, которая реально наблюдалась в эксперименте. Эта высота и будет соответствовать величине тяги.
Вот пример того, как это выглядит на практике:
Здесь представлены результаты одного из тестов, проведенных на мощности двигателя 60 Вт. По вертикали отложено смещение маятника, измеряемое оптическим датчиком, по горизонатали - время. Каждое испытание предваряется и завершается одним калибровочным импульсом, с которыми впоследствии сравнивают величину измеренной тяги, чтобы перевести микрометры в микроньютоны. В данном эксперименте величина каждого из калибровочных импульсов составила 29 мкН.
На рисунке можно отчетливо видеть излом, о котором говорилось выше. Процедура вычитания теплового вклада дала значение для чисто импульсного смещения маятника около четырех микрометров, что соответствует тяге 106 мкН.
Испытания проводились при двух вариантах ориентации двигателя - прямой и обратной - для значений мощности 40, 60 и 80 Вт - итого 6 серий, в каждой по 3 эксперимента. Для каждой ориентации вначале осуществлялись "черновые" испытания при атмосферном давлении, во время которых производилась настройка и проверка оборудования, и лишь потом - в вакууме.
В целом, сравнение вакуумных испытаний с атмосферными говорит о том, что значение чистой тяги в обоих случаях примерно одинаково, а вот тепловой вклад в первом случае значительно больше. Это связано с тем, что в отсутствие конвекции, происходящей в воздухе, двигатель не может эффективно охлаждаться. В то же время, во время испытаний при атмосферном давлении весьма заметно возрастает шум, вызываемый, вероятно, теми же конвекционными потоками:
Результат "чернового" эксперимента при атмосферном давлении. Смещение графика в момент включения происходит вниз, поскольку двигатель установлен в обратной ориентации.
В конце исследователи провели еще одну - последнюю - серию из трех испытаний, так называемых "испытаний с нулевой тягой". В них они устанавливали двигатель перпендикулярно, так, чтобы вектор предположительной тяги был направлен радиально по направлению к оси вращения. В данной конфигурации тяга не должна детектироваться - ведь она не создает вращающего момента и не должна приводить к повороту маятника - в отличие от теплового вклада. Таким образом исследователи хотели удостовериться, что их методика действительно позволяет отличить конфигурацию с тягой от конфигурации без таковой и что результаты, полученные ранее, не являются следствием одного только теплового расширения.
График эксперимента с нулевой тягой, проведенного при 80 Вт, выглядит так:
Никакого излома не наблюдается, как и никаких следов тяги. Как и ожидалось, присутствует только тепловой вклад.
Результаты эксперимента
Результаты всех 18 вакуумных испытаний объединены в две таблице ниже.
Для прямой ориентации:
Погрешность измерения тяги была оценена исследователями в 6 мкН. Из них 4,5 мкН связаны с самой процедурой разделения теплового и импульсного вкладов, 2,2 мкН - с точностью задания калибровочных импульсов, и еще 2,2 мкН - с сейсмической активностью. Остальное (1,1 мкН) приходится на различные неточности в работе измерительного оборудования.
График, демонстрирующий зависимость возникающей тяги от приложенной мощности, на котором собраны все данные из приведенных выше таблиц:
Красные точки - непосредственно результаты, полученные в эксперименте, фиолетовые - усредненные значения для мощностей 40, 60 и 80 Вт. Фиолетовыми отрезками показаны отклонения от средней величины, равные 2σ. Пунктирная линия - результат линейной аппроксимации.
Производительность двигателя, таким образом, в среднем получается равной 1,2 мН/кВт.
Любопытная деталь: тяга, наблюдаемая в эксперименте, направлена в сторону от большего основания к меньшему, то есть противоположно тому, как это описывал Шоер.
Источники ошибки.
Могло ли быть так, что на самом деле ученые исследовали совершенно другой эффект, который привел к ложноположительному результату? Ниже перечисляется список таких эффектов, сопровождаемый некоторыми комментариями о возможности/невозможности подобного исхода.
1) Воздушные потоки. При неравномерном нагревании двигателя действительно может возникать направленная конвекция, генерирующая тягу. Однако, испытания проводились как на воздухе, так и в высоком вакууме, и измеренное значение тяги в обоих случаях было примерно одинаково.
2) Электромагнитное взаимодействие двигателя со стенками вакуумной камеры. Такая ситуация возможна при наличии утечки электромагнитного излучения из внутреннего объема двигателя. Тем не менее, поля утечки были устранены плотной подгонкой всех швов и соединений двигателя, что было подтверждено непосредственным измерением (уровень утечки оказался слабее сигнала мобильного телефона).
Исследователи также отмечают, что для эффективного осуществления подобного взаимодействия необходимо установление резонанса в пространстве между двигателем и стенками вакуумной камеры. В силу высокой частоты излучения такой резонанс будет очень чувствителен к геометрии камеры. При том, что для того, чтобы стабильно поддерживать резонанс во внутреннем объеме двигателя, исследователям потребовалась специальная система обратной связи, маловероятно, что такой резонанс мог возникнуть самопроизвольно внутри вакуумной камеры.
Наконец, испытания проводились также снаружи камеры при окружении экспериментальной установки специальной оградой. В таких условиях регистрировалась тяга примерно такой же величины, хотя воздушные потоки мешали ее точному измерению.
И хотя данный эффект не рассматривается исследователями как вероятный источник ложноположительного результата, для того, чтобы полностью исключить его, в будущем планируется провести испытания в вакуумной камере большего размера.
3) Магнитные поля. Взаимодействие электрического тока, протекающего в кабелях, с внешними магнитными полями (полем Земли, полем неодимовых магнитов) могло привести к повороту торсионного маятника. В целях минимизировать такую вероятность все токи подавались в камеру по экранированным скрученным кабелям. Кроме того, положение кабелей и направление тока было постоянным при испытаниях в прямой, обратной и нулевой ориентации, что означает, что предполагаемый ложноположительный сигнал во всех трех случаях должен иметь один и тот же знак. Это очевидно не то, что наблюдалось в эксперименте.
4) Смещение центра тяжести вследствие теплового расширения. Как говорилось выше, такой эффект действительно может приводить к сильному сигналу. Однако, поскольку такое расширение, как и нагревание, происходит только плавно, наличие излома на экспериментальном графике, по мнению исследователей, надежно указывает на присутствие иного, нетеплового эффекта.
Полностью отбросить возможность спутать эффект от смещения центра тяжести с тягой исследователи предлагают с помощью оборудования, способного зарегистрировать малый вращающий момент при больши́х углах поворота (например, 90, 180, 360 градусов).
5) Вибрация. Маловероятно, что в результате вибрации возможно появление стабильного, воспроизводимого поворота торсионного маятника, причем только в то время, пока двигатель включен. Защита же от высокоамплитудных сейсмических колебаний обеспечивается специально платформой, на которой установлена вакуумная камера, кроме того, все вакуумные испытания проводятся только при ясной погоде.
6) Электростатическое взаимодействие. Оно может возникать между подвижными и неподвижными частями торсионного маятника при накоплении ими электрического заряда. Для предотвращения этой возможности все части маятника соединены с общей землей, что было проверено с помощью омметра.
7) Дегазация. При нагревании возможно медленное испарение отдельных молекул с диэлектрических поверхностей, например, полиэтиленового диска внутри двигателя или других неметаллических элементов. Диск закреплен на малом дне двигателя, что означает, что даже если испаренные молекулы смогут покинуть внутренний объем, их истечение будет происходить в направлении, перпендикулярном оси двигателя, и не должно регистрироваться в эксперименте. Кроме того, интенсивность этого эффекта прямо зависит от температуры, а значит, будет отсеяна вместе эффектом смещения центра тяжести во время процедуры отделения теплового вклада.
Примечание: Почему речь идет только об испарении диэлектриков, я не знаю.
8) Фотонная тяга. Электромагнитные волны обладают импульсом и, просачиваясь из емкости двигателя наружу, способны быть источником тяги (на этом принципе основан фотонный двигатель). Однако, наблюдаемая тяга на несколько порядков больше, чем та, которую способен обеспечить фотонный двигатель. Кроме того, как было сказано выше, все поля утечки были сведены к минимуму.
9) Ошибки в процедуре разделения теплового и импульсного вкладов. Несмотря на то, что такие ошибки возможны, исследователи считают, что в ряде экспериментов результаты получились достаточно недвусмысленными, чтобы считать методику разделения надежной.
Что касается природы явления, лежащего за работой EmDrive, то авторы исследования предполагают, что может иметь место "отталкивание от вакуума". Если рассматривать квантовый вакуум как некоторую динамическую среду, например, электронно-позитронную плазму, то над ним можно совершить работу и возбудить квантовые флуктуации. Исследователи считают, что конструкция, подобная усеченному конусу EmDrive, может отталкиваться от этих флуктуаций, развивая тягу в одном направлении, в то время как возбуждение вакуума будет уносить импульс в другом.
Объяснение данному явлению предлагается в рамках теории волны-пилота - одной из интерпретаций квантовой механики. Эта теория предполагает, что квантовое поведение частиц объясняется эволюцией некоторой ненаблюдаемой волны, управляющей и управляемой этой частицей. Хотя в целом теория волны-пилота не имеет большой популярности, интерес к ней значительно возрос, после того как несколькими учеными было продемонстрировано, что она имеет ряд очень наглядных аналогий с гидродинамической задачей о движении капли по поверхности жидкости. К настоящему времени в рамках таких аналогий удалось воспроизвести двухщелевой эксперимент, туннелирование, квантование орбит и многие другие квантовые явления. На эту тему на Пикабу уже был пост.
Заключение.
Вывод работы вполне однозначен - EmDrive работоспособен и генерирует тягу на уровне 1,2 мН/кВт. Можно сравнить эту цифру с наиболее близкими его аналогами. Например, существуют другие типы бестопливных космических двигателей - фотонный двигатель, солнечный парус, лазерное ускорение. Характерная величина их тяги - 3-6 мкН/кВт. То есть EmDrive превосходит их в несколько сотен раз. В то же время, тяга, генерируемая ионным двигателем Холла, составляет 60 мН/кВт, то есть в 50 раз больше, чем тяга EmDrive. Тем не менее, холловский двигатель требует расхода вещества, хоть и небольшого в сравнении традиционными химическими двигателями.
По непроверенной информации, к 2020 году EmDrive можно будет приобрести за пол-КЦ.
