Innowacje techniczne

Napęd kosmiczny Barona Munhausena

Napęd, który nie powinien działać, jednak pracuje! Ludzkość powinna przepisać prawa fizyki! – krzyczały nie tak dawno tytuły wiadomości w portalach i gazetach. Mowa o EmDrive – napędzie elektromagnetycznym. Przyczynkiem do tej euforii był artykuł naukowy autorstwa grupy naukowców z NASA Johnson Space Center, który ukazał się w szacownym periodyku „Journal of Propulsion and Power”.

Autor: Marcin Bójko

Pomysłodawcą napędu jest Roger Shawyer, konstruktor silników odrzutowych, z niemałą liczbą sukcesów na koncie.  Inżynier ten w 2001 roku założył firmę Satellite Propulsion Research Ltd, która ma rozwijać napęd rakietowy według jego dosyć dziwnej koncepcji. Sercem zaproponowanego „silnika” jest pusty w środku, ścięty stożek, do którego wpuszczane są mikrofale radiowe (takie jak w kuchenkach). Wymiary stożka są tak dopasowane, by mikrofale odbijając się wewnątrz struktury wpadały w rezonans. Shayer tłumaczy, że gdy fale wędrują w kierunku szerszego końca, poruszają się wolniej niż w stronę przeciwną, a co za tym idzie ciśnienie wywierane na węższą stronę jest wyższe niż na szerszą, co rodzi różnicę sił, a w konsekwencji stały ciąg w jednym kierunku. Innymi słowy, wpuszczamy rój pszczół do stożkowatego pojemnika i pojemnik unosi się sam w kierunku węższego końca tylko dlatego, że pszczoły latają w obie strony i odbijają się od ścianek… Tego typu rozwiązanie zastosował baron Munhausen, gdy wpadł w bagno: złapał się za harcap i wykorzystując swą potężną siłę ramion, wyciągnął nie tylko siebie, ale również konia.

muenchhausen_herrfurth_7_500x789
Baron Munchausen wyciągający sam siebie z bagna (wraz z koniem!), w wizji Oskara Herrfurtha (1862–1934). Za Wikimedia Commons.

Cóż, opisana metoda zarówno w wersji z pszczołami, jak i w wersji z koniem działać nie będzie, z powodu bardzo ważnego prawa fizyki zwanego zasadą zachowania pędu.

To właśnie ta zasada sprawia, że uzyskanie dobrego napędu kosmicznego jest sporym problemem. Generalnie chodzi o to, że jeśli chcemy w kosmosie przemieścić się w jakąś stronę, to musimy się od czegoś odepchnąć. Obecnie stosujemy napęd odrzutowy, który wyrzucając materiał pędny w jedną stronę, nadaje prędkość w drugą stronę. Sęk w tym, że materiał pędny trzeba zabrać ze sobą. A skoro tak, to w początkowej fazie lotu tracimy energię nie tylko na napędzanie samego statku kosmicznego, ale też na rozpędzanie zapasu materiału pędnego (nie mylić go z paliwem). Tak można latać na niewielkie odległości, ale dalsze loty są niemożliwe, bo materiału pędnego  (i paliwa, choć zwykle jest to jedno i to samo) trzeba zabierać ogromne ilości. Nie ma się co dziwić, że wszelkie pomysły na pozbycie się tegoż materiału są świętym Graalem kosmonautyki.

Pomysł Shawyera dyskutowany jest od wielu lat, a on sam odpiera liczne zarzuty dotyczące choćby zasady zachowania pędu, tłumacząc, że układ napędowy ma dwa układy odniesienia, klasyczny i relatywistyczny, przez co nie jest układem zamkniętym (baron Munhausen ciągnący się za kucyk), ale otwartym i co za tym idzie ma prawo działać. W 2006 roku „New Scientist”, renomowane brytyjskie czasopismo popularnonaukowe opublikowało artykuł na temat napędu poparty obliczeniami Shawyera. Kilku fizyków, w tym dr John P. Costella z Australii przekopało się przez obliczenia, nie zostawiając na nich suchej nitki i zarzucając Shawyerowi szkolne błędy, ale uwaga: nie w samym pomyśle, a w próbie wytłumaczenia zasady działania napędu. Dlaczego więc pomysł nie trafił na półkę z innymi konstrukcjami typu perpetuum mobile?

Oczywiście nie bez znaczenia jest siła uroku osobistego Shawyera i jego umiejętności PR-owe. Ale oprócz samego PR popieranego niezbyt poprawnymi obliczeniami jest jeszcze jeden fakt, który powinien uwierać fizyków na całym świecie jak kamyk w bucie: napęd rzeczywiście produkuje ciąg. Przynajmniej tak pokazują dotychczas przeprowadzane doświadczenia prowadzone przez coraz poważniejsze ośrodki naukowe, czego najdonioślejszym przykładem jest ostatnia publikacja w „Journal of Propulsion and Power”.

Prototyp silnika EmDrive projektu Rogera Shawyera.
Prototyp silnika EmDrive projektu Rogera Shawyera.

Publikacja ma ogromne znaczenie, bo eksperymenty, które przeprowadzili naukowcy z NASA, zostały bardzo starannie przeprowadzone. Zastosowali bardzo czułą wagę skręceń, postarali się wyeliminować wszelkie zakłócenia powodowane np. przez przepływ prądu przez kable, napęd testowali w wysokiej próżni, jaką dysponują laboratoria NASA, na koniec przeprowadzili rzetelną dyskusję wyników, pokazując również możliwe błędy. A konkluzją jest, że rzeczywiście, gdy puścimy przez napęd prąd, pojawia się siła działająca w kierunku przewidzianym przez Shawyera, której pochodzenia nie da się w prosty sposób wytłumaczyć, choć nic z niego nie ucieka (przynajmniej na pierwszy rzut oka).

Napęd produkuje siłę rzędu 1 miliniutona na każdy kilowat mocy, nie jest więc przesadnie sprawny (zważywszy, że wat to jeden niuton razy metr na sekundę) – raptem 1-milionowa część energii zamieniana jest na przyspieszenie. Z jednej strony żałośnie mało, z drugiej dotychczasowe pomysły na napędy bez materiału pędnego są 10 razy mniej wydajne (żagle słoneczne, napęd fotonowy itp.).

Artystyczna wizja japońskiej sondy kosmicznej o napędzie słonecznym IKAROS (za Wikimedia Commons).
Artystyczna wizja japońskiej sondy kosmicznej o napędzie słonecznym IKAROS (za Wikimedia Commons).

Słaba wydajność napędu elektromagnetycznego wydaje się być poważną przeszkodą – przyzwyczailiśmy się bowiem do tego, że na Ziemi, żeby podnieść ciężar, np. tony, trzeba najpierw zrównoważyć siłę przyciągania ziemskiego, czyli innymi słowy mieć jedną tonę ciągu. Zapominamy, że każdy niuton ponad tę tonę zapewnia przyspieszenie, może i niezbyt imponujące, ale stałe. Jeśli jesteśmy w stanie zapewnić siłę działającą na statek kosmiczny nie przez minuty, a przez tygodnie, to możemy go rozpędzić do całkiem przyzwoitych prędkości. Doba ciągu o sile dziesięciu niutonów to to samo co minuta ciągu 1,5 tony. Owszem potrzeba do tego 10 megawatów, ale reaktory atomowe o takiej mocy istnieją i wykorzystuje się je z powodzeniem w okrętach podwodnych, czemu nie skorzystać w statkach kosmicznych.

Nie można jednak przesadzać z hurra optymizmem i nie czas jeszcze pakować walizek na przejażdżkę po Układzie Słonecznym. Po pierwsze niewytłumaczalna siła pojawia się w laboratoriach i wcale nie ma pewności, że będzie działała poza polem magnetycznym Ziemi. Najpierw trzeba wyjaśnić skąd pojawia się tajemniczy ciąg, bo bez tego trudno budować jakąkolwiek sondę kosmiczną. Na szczęście badania przeprowadzone w laboratoriach NASA sprawią, że więcej fizyków na świecie zacznie głowić się nad zagadką. Jeśli przyczyna, dla której pojawia się siła, jest po prostu niedopatrzeniem jakiegoś warunku eksperymentalnego, przynajmniej będziemy mogli odetchnąć z ulgą, że nasza dotychczasowa wiedza fizyczna jest spójna. Jeśli nie, może uda się znaleźć teorię, która nie stoi w sprzeczności z zasadą zachowania pędu, nawet jeśli po drodze będziemy musieli odkryć ciemną materię, czy promieniowanie Unruha. A gdy już będziemy wiedzieli, dlaczego napęd EmDrive produkuje ciąg (jeśli rzeczywiście produkuje), to może uda się podkręcić jego możliwości i wykorzystać nie tylko we kosmosie.

 

Ilustracja główna: statki kosmiczne w grze “EVE Online”

Udostępnij ten artykuł

Podobne tematy

Innowacje techniczne Nauka

Przeczytaj w następnej kolejności