211service.com
De merkwaardige link tussen de Fly-By Anomaly en de onmogelijke EmDrive Thruster
Ongeveer 10 jaar geleden deed een weinig bekende ruimtevaartingenieur, Roger Shawyer, een buitengewone bewering. Neem een afgeknotte kegel, zei hij, kaats microgolven erin heen en weer en het resultaat zal een stuwkracht zijn naar het smalle uiteinde van de kegel. Voila … een revolutionaire boegschroef die ruimtevaartuigen naar de planeten en verder kan sturen. Shawyer noemde het de EmDrive.
De aankondiging van Shawyer was enorm controversieel. Het systeem zet één type energie om in kinetische energie, en er zijn tal van andere systemen die iets soortgelijks doen. Wat dat betreft is het onopvallend.
De conceptuele problemen ontstaan met momentum. Het totale momentum van het systeem neemt toe naarmate het begint te bewegen. Maar waar komt dit momentum vandaan? Shawyer had geen overtuigende verklaring en critici zeiden dat dit een duidelijke schending was van de wet van behoud van momentum.
Shawyer reageerde met experimentele resultaten die aantoonden dat het apparaat werkte zoals hij beweerde. Maar zijn critici waren niet onder de indruk. De EmDrive, zeiden ze, was gelijk aan het genereren van een stuwkracht door in een doos te gaan staan en op de zijkanten te duwen. Met andere woorden, het was slangenolie.
Sindsdien is er iets interessants gebeurd. Verschillende teams over de hele wereld zijn begonnen met het bouwen van hun eigen versies van de EmDrive en testen deze. En tot ieders verbazing zijn ze de resultaten van Shawyer gaan reproduceren. De EmDrive lijkt echt stuwkracht te produceren.
In 2012 zei een Chinees team dat het een stuwkracht had gemeten die werd geproduceerd door zijn eigen versie van de EmDrive. In 2014 bouwde een Amerikaanse wetenschapper een EmDrive en haalde NASA over om deze met positieve resultaten te testen.
En vorig jaar voerde NASA zijn eigen tests uit in een vacuüm om beweging van lucht uit te sluiten als de oorsprong van de kracht. Ook NASA bevestigde dat de EmDrive een stuwkracht produceert. In totaal hebben zes onafhankelijke experimenten de oorspronkelijke beweringen van Shawyer ondersteund.
Dat laat een belangrijke puzzel achter: hoe de schijnbare schending van het behoud van momentum te verklaren.
Vandaag krijgen we een soort antwoord dankzij het werk van Mike McCulloch van de Plymouth University in het Verenigd Koninkrijk. McCullochs verklaring is gebaseerd op een nieuwe traagheidstheorie die opzienbarende voorspellingen doet over de manier waarop objecten bewegen onder zeer kleine versnellingen.
Eerst wat achtergrond. Traagheid is de weerstand van alle massieve objecten tegen veranderingen in beweging of versnellingen. In de moderne natuurkunde wordt traagheid behandeld als een fundamentele eigenschap van massieve objecten die aan een versnelling worden onderworpen. Massa kan inderdaad worden gezien als een maat voor traagheid. Maar waarom er überhaupt traagheid bestaat, heeft wetenschappers eeuwenlang in verwarring gebracht.
Het idee van McCulloch is dat traagheid voortkomt uit een effect dat wordt voorspeld door de algemene relativiteitstheorie, de zogenaamde Unruh-straling. Dit is het idee dat een versnellend object black body-straling ervaart. Met andere woorden, het universum warmt op als je accelereert.
Volgens McCulloch is traagheid gewoon de druk die de Unruh-straling uitoefent op een versnellend lichaam.
Dat is moeilijk te testen bij de versnellingen die we normaal op aarde waarnemen. Maar het wordt interessant als de betrokken versnellingen kleiner zijn en de golflengte van de Unruh-straling groter wordt.
Bij hele kleine versnellingen worden de golflengten zo groot dat ze niet meer in het waarneembare heelal passen. Wanneer dit gebeurt, kan traagheid alleen bepaalde waarden voor de hele golflengte aannemen en springt dus van de ene waarde naar de andere. Met andere woorden, traagheid moet worden gekwantificeerd bij kleine versnellingen.
McCulloch zegt dat er observationeel bewijs voor is in de vorm van de beroemde fly by anomalieën. Dit zijn de vreemde sprongen in momentum die in sommige ruimtevaartuigen worden waargenomen terwijl ze langs de aarde naar andere planeten vliegen. dat is precies wat zijn theorie voorspelt .
Dit effect nauwkeuriger testen op aarde is moeilijk omdat de betrokken versnellingen zo klein zijn. Maar een manier om het gemakkelijker te maken, zou zijn om de toegestane golflengten van Unruh-straling te verkleinen. Dit is wat de EmDrive mogelijk doet, zegt McCulloch.
Het idee is dat als fotonen een traagheidsmassa hebben, ze traagheid moeten ervaren wanneer ze reflecteren. Maar de Unruh-straling is in dit geval klein. Zo klein zelfs dat het kan interageren met zijn directe omgeving. In het geval van de EmDrive is dit de afgeknotte kegel.
De kegel laat Unruh-straling van een bepaalde grootte aan het grote uiteinde toe, maar slechts een kleinere golflengte aan het andere uiteinde. Dus de traagheid van fotonen in de holte moet veranderen als ze heen en weer kaatsen. En om momentum te behouden, moet dit een stuwkracht genereren.
McCulloch stelt deze theorie op de proef door hem te gebruiken om de krachten te voorspellen die hij moet genereren. De precieze berekeningen zijn complex vanwege de driedimensionale aard van het probleem, maar zijn geschatte resultaten komen overeen met de orde van grootte van de stuwkracht in alle experimenten die tot nu toe zijn gedaan.
Cruciaal is dat de theorie van McCulloch twee toetsbare voorspellingen doet. De eerste is dat het plaatsen van een diëlektricum in de holte de effectiviteit van de boegschroef zou moeten verbeteren.
De tweede is dat het veranderen van de afmetingen van de holte de richting van de stuwkracht kan omkeren. Dat zou gebeuren als de Unruh-straling beter past bij de grootte van het smalle uiteinde dan het grote uiteinde. Het veranderen van de frequentie van de fotonen in de holte zou een soortgelijk effect kunnen bereiken.
McCulloch zegt dat er enig bewijs is dat dit precies gebeurt. Deze stuwkrachtomkering is mogelijk gezien in recente NASA-experimenten, zegt hij.
Dat is een interessant idee. Shawyer's EmDrive heeft het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de ruimtevaart omdat er geen drijfgas voor nodig is, de grootste beperkende factor in de voortstuwingssystemen van vandaag. Maar bij gebrek aan een overtuigende verklaring voor hoe het werkt, zijn wetenschappers en ingenieurs begrijpelijkerwijs op hun hoede.
De theorie van McCulloch zou daar verandering in kunnen brengen, hoewel het nauwelijks een mainstream idee is. Het maakt twee uitdagende veronderstellingen. De eerste is dat fotonen traagheidsmassa hebben. De tweede is dat de lichtsnelheid binnen de holte moet veranderen. Dat zal voor veel theoretici niet gemakkelijk te verdragen zijn.
Maar naarmate meer experimentele bevestigingen van Shawyer's EmDrive naar voren komen, worden theoretici in een moeilijke positie gedwongen. Als dit niet de verklaring van McCulloch is, wat dan?
Referentie: arxiv.org/abs/1604.03449 : Gekwantiseerde traagheid testen op de EmDrive