Что такое двигатель emdrive

EmDrive

EmDrive — двигательная установка, состоящая из магнетрона и резонатора, впервые предложенная британским инженером Роджером Шойером в 1999 году [1] . Согласно современным научным представлениям не является работоспособной [2] . Высокоточные измерения 2021 года окончательно доказали, что установка EmDrive не создаёт никакой тяги [3] .

Содержание

• 1 Устройство EmDrive
  • 1.1 EmDrive с научной точки зрения
• 2 Экспериментальная проверка
  • 2.1 Производители установок
  • 2.2 Группа Яна Цзюаня (Северо-западный политехнический университет)
  • 2.3 Группа Гарольда Уайта (Eagleworks)
  • 2.4 Группа Мартина Таймара (Дрезденский технический университет)
  • 2.5 Предполагаемые китайские испытания в космосе
  • 2.6 Плимутский университет
• 3 См. также
• 4 Примечания
• 5 Ссылки

Устройство EmDrive [ править | править код ]

Используемый в установке магнетрон генерирует микроволны, энергия их колебаний накапливается в резонаторе высокой добротности, и, по заявлениям автора, стоячая волна электромагнитных колебаний в замкнутом резонаторе специальной формы является источником тяги [4] . Вне резонатора не испускается не только вещество, но и электромагнитное излучение [5] ; иными словами, EmDrive — не фотонный двигатель. Но даже если бы создаваемые магнетроном микроволны полностью излучались в одном направлении, полученная тяга была бы значительно меньше заявленной тяги EmDrive [5] .

Отсутствие расходуемого рабочего тела у этого двигателя, очевидно, нарушает закон сохранения импульса [8] [9] [10] , а какое-либо общепринятое объяснение этого противоречия авторами разработок не предложено — сам Шойер опубликовал нерецензированную работу с объяснением, но физики отмечают, что теория радиационного давления более сложна, чем упрощённый аппарат, использованный Шойером, а его объяснения в целом противоречивы [10] [11] .

EmDrive с научной точки зрения [ править | править код ]

Теоретическая физика предсказывает, что EmDrive неработоспособен и любые положительные результаты экспериментов могут быть лишь артефактами измерений, поскольку работоспособность EmDrive противоречила бы закону сохранения импульса.

Для предполагаемого факта работоспособности EmDrive были предложены различные теоретические объяснения, противоречащие, однако, установленным в физике представлениям о природе вакуума, инерции и электромагнитных волн [12] [10] .

Экспериментальная проверка [ править | править код ]

Экспериментальные данные долгое время не давали однозначного подтверждения или опровержения работоспособности подобной установки, что было связано в том числе с небольшой величиной предполагаемого эффекта, сравнимой с погрешностями измерений [13] [14] . Физики объясняли полученные экспериментаторами немногочисленные положительные результаты ошибками в экспериментах [15] . Единственное опубликованное в научном журнале независимое исследование, которое показало положительный результат — это эксперимент группы Eagleworks 2016 года, в котором были устранены многие источники возможных ошибок [16] . Однако работы научной группы из Дрезденского технического университета показали, что измеряемая «тяга» EmDrive возникает из-за влияния внешних факторов, а не из-за самого аппарата [17] [3] . Высокоточные измерения установки EmDrive проведенные Дрезденской научной группой в 2021 году повысили точность результатов предыдущих измерений более чем на три порядка, никакой «тяги» обнаружено не было [18] .

Производители установок [ править | править код ]

Впервые британский инженер аэрокосмонавтики Роджер Шойер (англ. Roger John Shawyer ) представил EmDrive в 1999 году [1] . В декабре 2002 года основанной Шойером компанией Satellite Propulsion Research был представлен первый якобы действующий прототип, развивающий усилие 0,02 Н [19] [20] [21] . В октябре 2006 года той же компанией был показан прототип с заявленной силой тяги 0,1 Н [22] . В 2015 году был представлен очередной вариант EMDrive со сверхпроводящей полостью [4] .

В период 2006—2011 гг. американской компанией Cannae LLC под руководством Гвидо Фетта был создан «Cannae Drive» (также известен как «Q-drive») — двигатель, для которого был заявлен аналогичной принцип работы [23] [24] [25] .

Группа Яна Цзюаня (Северо-западный политехнический университет) [ править | править код ]

В период 2008—2010 гг. в китайском Северо-западном политехническом университете под руководством профессора Яна Цзюаня был создан прототип, якобы развивавший усилие 0,72 Н [26] [27] . В 2016 году результаты этой статьи были опровергнуты её авторами, так как была обнаружена ошибка в измерениях, после исправления которой измеренная тяга оказалась в пределах шума измерений [28] [29] .

Группа Гарольда Уайта (Eagleworks) [ править | править код ]

С 2013 года двигатель «Cannae Drive» испытывался в лаборатории Eagleworks. Эта лаборатория работает в космическом центре имени Джонсона под эгидой НАСА со сравнительно маленьким бюджетом 50 тыс. долларов в год и специализируется на исследовании технологий, противоречащих общепринятым научным представлениям [30] . Работы проводились под руководством Гарольда Уайта. Уайт считал, что такой резонатор может работать посредством создания виртуального плазменного тороида, который реализует тягу с помощью магнитной гидродинамики при квантовых колебаниях вакуума [31] .

В ходе экспериментов 2013—2014 годов был получен аномальный результат — тяга величиной около 0,0001 Н [32] [33] [34] . Испытание проводилось на крутильном маятнике для малых сил, который способен обнаруживать силы в десятки микроньютонов, в вакуумной камере из нержавеющей стали при комнатной температуре воздуха и нормальном атмосферном давлении [32] . Испытания резонатора были проведены на очень низкой мощности (в 50 раз меньшей, чем при эксперименте Шойера в 2002 году), но чистая тяга при пяти запусках составила 91,2 мкН при подводимой мощности 17 Вт . Кратковременная наибольшая тяга составила 116 мкН при той же мощности [32] .

Публикация работы Eagleworks привела к тому, что иногда EmDrive описывается как «опробованный НАСА», хотя официальная позиция агентства гласит, что «это небольшой проект, который пока не привёл к практическим результатам» [35] .

В ноябре 2016 года была опубликована работа [7] , выполненная инженерами лаборатории NASA Eagleworks, в которой учтены и устранены многие источники возможных ошибок, измерена тяга EmDrive и сделан вывод о работоспособности этой установки. Согласно этой статье, двигатель смог развить тягу в 1,2 ± 0,1 мН/кВт в вакууме с мощностями 40, 60 и 80 Вт . В статье предполагается, что работоспособность двигателя может объясняться при помощи теории волны-пилота [36] [37] .

Группа Мартина Таймара (Дрезденский технический университет) [ править | править код ]

В июле 2015 года были проведены испытания под руководством Мартина Таймара в Дрезденском техническом университете [38] [20] . Результаты не подтвердили, но и не опровергли работоспособность EmDrive [39] [40] .

В 2018 году были опубликованы новые результаты группы Мартина Таймара, согласно которым тяга, наблюдаемая в экспериментах с EmDrive (в том числе, видимо, экспериментах группы Eagleworks), связана скорее с недостаточным экранированием установки от магнитного поля Земли, чем с самой двигательной установкой: измерения показывали наличие небольшой тяги в одном и том же направлении даже при изменении ориентации установки или подавлении электромагнитных волн, поступающих в полость [41] .

Дальнейшие испытания группы Таймара окончательно показали, что EmDrive не создаёт тяги [3] .

Предполагаемые китайские испытания в космосе [ править | править код ]

В декабре 2016 года, ссылаясь на пресс-конференцию одной из дочерних компаний Китайской академии космических технологий (CAST), издание International Business Times [en] сообщило, что правительство КНР с 2010 года финансирует исследования двигателя, а прототипы EmDrive были отправлены в космос [42] для проверки на борту космической лаборатории «Тяньгун-2» [43] [44] [45] . Доктор Чэнь Юэ (Chen Yue) из CAST, согласно публикации International Business Times, подтвердил факт изготовления прототипа двигателя для тестирования на низкой околоземной орбите [46] [47] [48] [49] .

В сентябре 2017 года появились новые сообщения об успешном создании работающего прототипа двигателя EmDrive в Китае [50] [51] .

Плимутский университет [ править | править код ]

В 2018 году агентство DARPA выделило Плимутскому университету [en] 1,3 млн долларов на изучение и создание «двигателя бестопливного типа» на базе «квантованной инерции» (альтернативная космологическая гипотеза Майка Маккаллоха, англ. Dr Mike McCulloch , противоречащая специальной и общей теории относительности [52] ) [53] . Отдельные СМИ сообщают о связи проекта с идеями EmDrive [54] .

Инженер NASA предложил новый вариант «невозможного» двигателя

Сотрудник Центра космических полетов имени Маршалла NASA Дэвид Бёрнс (David Burns) предложил концептуальную схему двигателя для космических путешествий, который не использует реактивную тягу и должен приводить к нарушению закона сохранения импульса. Принцип работы заключается в использовании релятивистской поправки к импульсу быстро движущегося тела, говорится в презентации, размещенной на сервере NASA для технических отчетов.

Все используемые сегодня в космической индустрии двигатели являются реактивными — они ускоряются за счет выбрасывания струи вещества в противоположную от направления движения сторону. Обычно применяются химические двигатели, в которых выбрасываются продукты реакции топлива и окислителя. Также используются ионные двигатели, в которых тягу создают ускоренные в электромагнитных полях ионы, но их тяга невелика.

Несколько лет назад активно обсуждался «невозможный» двигатель EmDrive. Его основными компонентами были медный резонатор в виде усеченного конуса и источник микроволнового излучения — магнетрон. По утверждениям создателей, несимметричная форма резонатора приводила к установлению внутри специфических электромагнитных колебаний, которые оказывали на широкое основание чуть большее давление, чем на узкое, в результате чего возникала тяга. На данный момент окончательного решения по поводу работоспособности установки нет, но в большинстве исследований не удалось обнаружить заявленного эффекта.

Дэвид Бёрнс опубликовал схему совсем иного двигателя, функционирование которого с точки зрения закона сохранения импульса также спорно. Принцип работы заключается в использовании релятивистской поправки к импульсу при движении с околосветовой скоростью, которая должна позволять телу внутри двигателя периодически оказывать различающееся давление на противоположные стенки.

Принцип работы нового двигателя можно понять из классического аналога — грузика внутри коробки. Если грузик без трения движется внутри полости и отражается от ее стенок, то он периодически отдает им импульс. Однако законы механики Ньютона запрещают при этом двигаться центру масс системы — если смотреть снаружи, то коробка будет совершать колебательные движения около положения равновесия.

Однако если представить ситуацию, что свойства грузика меняются в зависимости от направления движения, то он сможет оказывать на противоположные стенки разное воздействие, которое будет со временем суммироваться и постепенно ускорять всю систему. В классической физике такое явление невозможно, но Бёрнс предлагает обойти это ограничение за счет эффектов Специальной теории относительности.

Согласной этой теории, импульс тела равен не только произведению массы на скорость, также необходимо умножить эту величину на гамма-фактор, который при небольших скоростях очень близок к единице, но при стремлении к скорости света возрастает. Согласно концепции, грузик должен быть заменен на кольцо из ионов, которые надо ускорять при движении всего пучка в одном направлении и замедлять в противном случае. При этом установка становится похожа на ускоритель частиц с магнитным полем, из-за чего траектории частиц примут спиральный вид. Это обстоятельство легло в основу авторского названия «спиральный двигатель» (Helical Engine).

Для оценки тяги двигателя Бёрнс приводит результаты моделирования для конкретных параметров. В этом примере длина полости составляет 120 метров, малый радиус, на котором вращаются ионы после замедления, — примерно 3,2 метра, а большой — 3,5 метра. В симуляции использовались альфа-частицы (ядра гелия), скорость которых менялась от 99 до 99,05 процентов скорости света, что соответствует гамма-факторам 7,09 и 7,26. Всего в пучке было примерно 1,6 × 10 12 частиц, а магнитное поле составляло от 13,16 до 13,79 тесла. В результате работы такого двигателя по утверждению Бёрнса получается суммарная тяга около одного ньютона при суммарном энергопотреблении в 165 мегаватт.

В заключении автор пишет, что его идея фактически представляет собой запуск в космос синхротрона, потребляющего мегаватты энергии для генерации крошечной тяги, что не является достаточным обоснованием для постройки. Однако потенциально система обладает чрезвычайно высоким удельным импульсом, что теоретически позволяет ей ускоряться почти до скорости света. При этом вопрос с законом сохранения импульса Бёрнс оставляет без ответа: он предполагает, что он может уноситься в виде излучения, но окончательной ясности нет.

Ранее с нулевым результатом завершился проект Google по воспроизведению экспериментов в области холодного ядерного синтеза.

Перечит закону Ньютона. Ученые нашли источник «невозможной» тяги двигателя EmDrive

Исследователи протестировали установку, которой в теории, не нужно топливо для генерирования тяги.

В 2014 году не менее авторитетный источник, чем NASA, заявил в рецензируемом исследовании, что получил таинственную тягу от EmDrive – странной медной трубы, которая по утверждениям изобретателей, могла производить тягу без топлива, пишет New Atlas.

Будь всегда в курсе событий вместе с телеграм-каналом Быстрый Фокус.

Авторитетным источником была лаборатория Eagleworks, которая работает в космическим центре имени Джонсона под эгидой NASA. Сотрудники лаборатории испытывали двигательную установку, состоящая из магнетрона и резонатора, где тягу создают микроволны. Вне резонатора не испускается не только вещество, но и электромагнитное излучение. Иными словами, EmDrive не является фотонным двигателем и противоречит закону сохранения импульса.

Способность генерировать тягу без необходимости нести массу топлива изменила бы правила игры в космосе. Даже если бы экспериментальные значения тяги EmDrive оказались небольшими (720 миллиньютон на 2,5 кВт входной мощности в китайском эксперименте 2009 года), они в несколько раз были бы эффективнее, чем существующие установки, которые должны нести топливо.

Проблема в том, что действие ионных двигателей легко объяснить, но никто не мог понять, как EmDrive может производить тягу. Идея двигателя была представлена лишь в теории британским инженером Роджером Шойером в 1999 году.

Но группа немецких ученых потратила четыре года на эксперименты, чтобы доказать или опровергнуть выдвинутую теорию. В 2018 году команда получила некоторые странные результаты, предполагающие, что зафиксированная тяга EmDrive исходит не от самого устройства. Ученые считали, что полученная тяга в ранних экспериментах была связана с некими помехами.

Команда исследователей попыталась устранить проблему экспериментальным путем, исключая любые электромагнитные помехи. Для этого, ученым пришлось перепроектировать установку, чтобы учесть некоторые гипотезы, выдвинутые другими командами.

Исследователи утверждают, что им удалось обнаружить, откуда исходила тяга EmDrive, и это плохие новости для энтузиастов.

«Мы выяснили, что причиной «тяги» был тепловой эффект. Для наших тестов мы использовали конфигурацию EmDrive от White et al., который использовался в лабораториях Eagleworks», – говорит один из авторов работы Мартин Таймар.

«Когда энергия поступает в EmDrive, двигатель нагревается. Это также вызывает деформацию элементов крепления на шкале, которая начинает перемещаться», – добавляют исследователи.

Таким образом, вся суматоха вокруг EmDrive сводится к следующему: очень сложно точно измерить крошечные величины тяги, и стандартная конструкция EmDrive была подвержена почти незаметному тепловому расширению. Именно его приняли за наличие «тяги» в предыдущих экспериментах.

Наряду с EmDrive, команда проверила и другие конфигурации двигателя – LemDrive и Mach-Effect Thruster. Ни в одном случае команда не смогла добиться результата от «невозможных» двигателей.

Немецкая команда в коротком видео также попыталась объяснить, как двигатели EmDrive должны работать в теории.

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.

На орбите можно разместить и такое.

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.

Способен ли существовать такой агрегат?

Можно ли нарушить законы физики

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.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

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.

EmDrive вид сбоку.

Вечный двигатель существует?

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.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там много всего интересного.

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.

Будущее космических двигателей

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.