«Неможливий двигун» виявився справді неможливим

Дослідники з Дрезденського технічного університету виміряли тягу «неможливого двигуна» EmDrive, не вимагає для роботи палива та порушує закон збереження імпульсу, і прийшли до висновку, що тут немає ніякої магії. Експеримент показав, що зареєстрована тяга пояснюється недостатнім екранування установки і, як наслідок, раніше неврахованих впливом магнітного поля Землі. Про свої висновки вчені поділилися на конференції Space Propulsion Conference.

Дослідників під керівництвом Мартіна Таймара вимірювали тягу EmDrive з допомогою крутильной установки, яку вона послідовно вдосконалювала протягом чотирьох років. Принцип роботи цієї установки нагадує крутильні ваги, винайдені в кінці XVIII століття і застосовувалися для експериментальної перевірки законів Кулона та Ньютона. Крутильні ваги являють собою врівноважений важіль, підвішений на вертикальної нитки. Коли на важіль діють зовнішні сили, він повертається, і по куті відхилення можна судити про величину прикладених сил. В установці німецьких вчених замість нитки використовувались чутливі крутильні пружини, які утримували камеру з двигуном, а зсув камери вимірювалося за допомогою лазерного інтерферометра. Це дозволило зафіксувати силу тяги величиною порядку декількох микроньютонов.

Камера для проведення експерименту і її схема

Зрозуміло, дослідники постаралися якомога сильніше зменшити можливий вплив зовнішніх сил, яке можна було б сплутати з тягою від «неможливого двигуна». Для цього камера була встановлена на окремому бетонному блоці, переважній вібрації фундаменту. Камери відкачали до тиску близько одного паскаля (в 100 тисяч разів менше атмосферного), захистили всі важливі частини установки від зовнішнього електромагнітного випромінювання за допомогою металевих аркушів, а також намагалися не допускати перегрівання електроніки, контролюючи її температуру за допомогою інфрачервоних камер.

Перед проведенням основних експериментів фізики відкалібрував установку, щоб переконатися, що вони дійсно виключили всі зовнішні фактори. Нарешті, при вимірах тяги дослідники повертали двигун усередині камери, щоб перевірити, чи не позначаються на результатах які-небудь невраховані фактори. В ідеальній ситуації, коли таких факторів немає, напрямок зміщення камери повинне бути протилежно напрямку тяги двигуна — так, при куті повороту двигуна 0 градусів зміщення камери позитивно, при 180 градусів негативно, а при куті 90 градусів — взагалі відсутній.

Вимірювання з двигуном EmDrive показали дещо іншу поведінку. Звичайно, при нульовому вугіллі сила тяги досягала чотирьох микроньютонов при потужності підсилювача близько двох ват, а при повороті двигуна на 180 градусів зміщення змінювало знак. Таким чином, виходило, що відношення сили тяги до потужності приблизно дорівнює двом миллиньютонам на кіловат, що майже в два рази більше, ніж результати попередніх експериментів. Тим не менше при куті 90 градусів фізики все так само реєстрували зміщення камери, хоча воно повинно було бути відсутнім. Крім того, при придушенні сили електромагнітних коливань усередині двигуна майже в сто тисяч разів величина тяги практично не змінювалася. Це означає, що в дійсності спостерігається в експерименті тяга була пов'язана не з двигуном, а з неврахованими зовнішніми факторами.

В якості таких факторів може виступати магнітне поле Землі, відзначають дослідники. Фізики додають, що всі беруть участь в експерименті прилади були екрановані, а також використовувалися коаксіальні кабелі скрізь, де тільки можна, однак поле все одно могло проникнути всередину установки через місця їх сполук. Звичайно, воно повинно було сильно послабитися, проте величина вимірюваної тяги так мала, що її цілком можна списати на цей ефект. У самому справі, напруженість магнітного поля Землі приблизно дорівнює 50 мікротесел, а сила струму, напруги підсилювач, сягала двох ампер. Використовуючи закон Ампера, легко розрахувати, що в таких умовах тягу близько двох микроньютон може створити ділянку проводу довжиною всього два сантиметри. Для усунення цієї сили слід екранувати підсилювач і камеру одночасно, збільшуючи розмір металевої клітки Фарадея. Автори статті підкреслюють, що у всіх попередніх вимірах тяги EmDrive таке екранування не проводилося, а тому їх результати слід ретельно перевірити.

Люди давно мріють про міжзоряних подорожей, однак здійснити цю мрію заважає безліч технічних труднощів. Одна з найбільших — необхідність нести на борту космічного корабля величезну масу палива, оскільки інших технологій, які дозволяли б розвивати високі швидкості в космічному просторі у нас поки немає. Ми покладаємося на реактивну тягу, і в цьому якраз полягає одна з проблем.

Щоб космічний корабель зміг долетіти до найближчою до Сонячної системи зірці — Проксиме Центавра, (відстань близько 4,2 світлового року), — буде потрібно маса палива, порівнянна з масою Сонця.

В даний момент ведуться розробки альтернативних способів розгону космічних кораблів, наприклад, за допомогою тих же сонячних вітрил, які використовують для руху енергію сонячного вітру або лазерного випромінювання. Наприклад, проект Breakthrough Starshot пропонує запустити до Проксиме Центавра крихітні кораблі (масою близько одного грама), які будуть розганятися за рахунок сонячного вітру і досягнуть зірки протягомдвадцяти років. Однак такі технології неможливо масштабувати на «людські» розміри.

Двигун EmDrive, ще одна альтернатива реактивній тязі, подавав надії, як технологія, яка відкриє нам шлях до міжзоряним подорожам. Двигун був запропонований Роджером Шойером ще в 1999 році. Він складається з несиметричного резонатора і магнетрона, який направляє на нього електромагнітне випромінювання і збуджує стоячі електромагнітні хвилі. У свою чергу, через несиметричності конструкції хвилі створюють різне тиск на стінки двигуна і є джерелом тяги.

Робота такого двигуна порушує закон збереження імпульсу, один з фундаментальних законів фізики. Проте численні експерименти стверджували, що тягу EmDrive все-таки створює. Наприклад, в опублікованій в листопаді 2016 року роботи інженери з NASA повідомляли про тязі близько 80 микроньютонов при прикладеної електричної потужності близько 60 ват. А у вересні минулого року про працюючому прототипі двигуна, «неможливого» з точки зору науки, оголосили також .