К двигателю EmDrive в последние годы приковано особое внимание мировых СМИ. Саму установку впервые предложил британский инженер Роджер Шойер в 1999 году. Она представляет собой комплекс конической формы, включающей в себя магнетрон и резонатор. За счет магнетрона генерируются микроволны, а резонатор накапливает энергию их колебаний. Согласно заявлениям авторов разработки, стоячая волна электромагнитных колебаний в замкнутом резонаторе специальной формы выступает в качестве источника тяги.
Из-за отсутствия расходуемого рабочего тела многие специалисты заявили о «невозможном» двигателе, нарушающем закон сохранения импульса. В действительности у авторов изобретения до сих пор не нашлось убедительных доказательств верности концепции. Примечательно и то, что критики EmDrive тоже нередко использовали весьма туманные формулировки о «допущенных во время эксперимента ошибках».
Сейчас расставить все на свои места попытались немецкие исследователи из Дрезденского технического университета. Проведенные тесты показали, что тяга внутри двигателя действительно есть, но она слишком мала, а показатели нельзя назвать точными. Главное то, что специалисты пришли к любопытному объяснению: они связали наблюдаемый эффект со взаимодействием магнитного поля кабелей и усилителя с магнитным полем Земли.
«Это четко показывает, что «тяга» происходит не от EmDrive, а от некоторого электромагнитного взаимодействия. Мы использовали как можно больше закрученных или коаксиальных кабелей, но в конечном итоге некоторые магнитные поля проникали через наши кабели и разъемы», — заявили авторы исследования. Свои выводы специалисты представили на конференции Space Propulsion в Севилье.
Сложно сказать, поставит ли это точку в истории EmDrive. Вероятно, защитники концепции все равно будут настаивать на жизнеспособности «невозможного» двигателя.
Here we are reporting first results of our improved thrust balance as well as EMDrive and Mach-Effect thruster models. Special attention is given to the investigation and identification of error sources that cause false thrust signals. Our results show that the magnetic interaction from not sufficiently shielded cables or thrusters are a major factor that needs to be taken into account for proper µN thrust measurements for these type of devices.
На этот раз группа ученых под руководством Мартина Таймара (Martin Tajmar) измеряла тягу «невозможных двигателей» с помощью крутильной установки, которую она последовательно совершенствовала в течение четырех лет. Грубо говоря, принцип работы этой установки напоминает крутильные весы, изобретенные в конце XVIII века и применявшиеся для экспериментальной проверки законов Кулона и Ньютона. Крутильные весы представляют собой уравновешенный рычаг, подвешенный на вертикальной нити; когда на рычаг действуют внешние силы, он поворачивается, и по углу отклонения можно судить о величине приложенных сил. В установке немецких ученых вместо нити используются чувствительные крутильные пружины, которые удерживают камеру с двигателем, а смещение камеры измеряется с помощью лазерного интерферометра. Это позволяет почувствовать силу тяги величиной порядка нескольких микроньютонов.
Разумеется, ученые постарались как можно сильнее уменьшить воздействие внешних сил, которое можно было бы спутать с тягой от «невозможного двигателя». Для этого они установили камеру на отдельном бетонном блоке, подавляющем вибрации фундамента, откачали ее до давления порядка одного паскаля (в сто тысяч раз меньше атмосферного), защитили все важные части установки от внешнего электромагнитного излучения с помощью металлических листов, а также старались не допускать перегревания электроники, контролируя ее температуру с помощью инфракрасных камер. Перед проведением основных экспериментов физики откалибровали установку, чтобы убедиться, что они действительно исключили все внешние факторы. Наконец, при измерениях тяги исследователи поворачивали двигатель внутри камеры, чтобы проверить, не сказываются ли на результатах какие-нибудь неучтенные факторы. В идеальной ситуации, когда таких факторов нет, направление смещения камеры должно быть противоположно направлению тяги двигателя — так, при угле поворота двигателя φ = 0 градусов смещение камеры положительно, при φ = 180 градусов отрицательно, а при φ = 90 вообще отсутствует.
К сожалению, измерения с двигателем EmDrive показали несколько другое поведение. Конечно, при нулевом угле сила тяги достигала четырех микроньютонов при мощности усилителя порядка двух ватт, а при повороте двигателя на 180 градусов смещение меняло знак. Таким образом, получалось, что отношение силы тяги к мощности примерно равно двум миллиньютонам на киловатт, что почти в два раза больше, чем результаты предыдущих экспериментов. Тем не менее, при φ = 90 градусов физики все так же регистрировали смещение камеры, хотя оно должно было отсутствовать. Более того, при подавлении силы электромагнитных колебаний внутри двигателя почти в сто тысяч раз величина тяги практически не изменялась. Это значит, что в действительности наблюдаемая в эксперименте тяга была связана не с двигателем, а с неучтенными внешними факторами.
В качестве таких факторов может выступать магнитное поле Земли. Физики замечают, что они экранировали все участвующие в эксперименте электронные приборы и использовали коаксиальные кабели везде, где только можно, однако поле все равно могло проникнуть внутрь установки через места их соединений. Конечно, оно должно было сильно ослабиться, однако величина измеренной тяги так мала, что ее вполне можно списать на этот эффект. В самом деле, напряженность магнитного поля Земли примерно равна 50 микротесла, а сила тока, питающего усилитель, достигала двух ампер. Используя закон Ампера, легко рассчитать, что в таких условиях тягу около двух микроньютон может создать участок провода длиной всего два сантиметра. Для устранения этой силы следует экранировать усилитель и камеру одновременно, увеличивая размер металлической клетки Фарадея. Авторы статьи подчеркивают, что во всех предыдущих измерениях тяги EmDrive такое экранирование не производилось, а потому их результаты следует тщательно перепроверить.
Наряду с EmDrive исследователи проверили с помощью аналогичной установки еще один двигатель, создающий тягу без использования топлива — так называемый двигатель Маха (Mach Effect Thruster), предложенный Джеймсом Вудвардом в 1990 году. Работа этого двигателя полагается на принцип Маха, утверждающий, что инерционная масса тела возникает только за счет гравитационного взаимодействия со всеми остальными телами Вселенной. Как показал Вудвард, это взаимодействие можно немного изменить, если заставить колебаться отдельные части тела — в результате масса тела тоже будет колебаться, и подбирая частоту колебаний специальным образом, можно создать тягу. Разумеется, работа двигателя Маха также противоречит закону сохранения импульса. Как и в случае с EmDrive, измерения немецких ученых показали наличие тяги порядка 1,2 микроньютона, однако зависимость величины тяги от угла поворота двигателя снова свидетельствовала в пользу внешнего происхождения этой силы. Таким образом, достоверно подтвердить работу «невозможных» с точки зрения современной науки двигателей ученым не удалось.
With the aid of a new measuring scale structure and different suspension points of the same engine, we were able to reproduce apparent thrust forces similar to those measured by the NASA-team, but also to make them disappear by means of a point suspension.
When power flows into the EmDrive, the engine warms up. This also causes the fastening elements on the scale to warp, causing the scale to move to a new zero point. We were able to prevent that in an improved structure. Our measurements refute all EmDrive claims by at least 3 orders of magnitude.”
In addition to the classic EmDrive, Tajmar’s team also analyzed the LemDrive-variation:
“This laser variant of the EmDrive is based on theoretical considerations by McCulloch. In numerous experimental set-ups, we have been able to show that both laser resonators and asymmetrical fiber coils do not show any forces that are above normal photon pressure. His theory (…we limit ourselves here to the laboratory standard and not to his astronomical claims), as well as the experiments cited by him are excluded by 4 orders of magnitude.
With both the EmDrive and the LemDrive, we have achieved a measurement accuracy that is below the photon pressure. That is, even if one of these concepts worked, it would be more effective simply to use a laser beam as a drive.”
In a third paper, the Dresden physicists then describe their research on the “Mach-Effect Thruster”:
“Here we have proven that the Mach-Effect-Thruster (an idea by J. Woodward) is unfortunately a vibration artifact and also not a real thrust.”
“Looking back, those was four years of hard work. It is not trivial to carry out clean thrust measurements in this area” Prof. Tajmar concludes. “Unfortunately we weren’t able to verify any of the drive concepts, but we were able to greatly improve our measurement technology as a result, so that we can of course continue researching in this science area and perhaps discover something new.”
Ученые недавно представили свои выводы в трех докладах на Space Propulsion Conference 2020 +1 с такими заголовками, как «Высокоточные измерения тяги EmDrive и устранение ложноположительных эффектов».
В ходе испытаний «невозможного» двигателя EmDrive в Техническом университете Дрездена обнаружилось, что он не создает никакой тяги. Причиной, по которой эта тяга наблюдалась ранее, назвали тепловой эффект.
...
несколько исследовательских групп, в том числе НАСА Eagleworks и DARPA, продолжали изучение способностей EmDrive. Эксперименты НАСА и команды китайских ученых демонстрировали, что крошечная сила возникает.
Однако теперь физики из Дрезденского технологического университета заявили, что все эти многообещающие результаты были лишь ложными срабатываниями, которые объясняются внешними силами.
Используя новую измерительную шкалу и разные точки подвески двигателя, они «смогли воспроизвести кажущуюся силу тяги, аналогичную той, которая была измерена командой НАСА, но также и они исчезают с помощью точечной подвески». Ученые использовали для измерения тяги специализированную установку, нечто вроде крутильных весов, которые были изобретены в конце XVIII века для проверки и измерений законов Кулона и Ньютона. В отличие от обычных крутильных весов с нитью, в разработке дрезденских исследователей использовались чувствительные крутильные пружины, удерживающие камеру с двигателем. Смещение камеры измерялось при помощи лазерного интерферометра.
Предыдущие эксперименты Технического университета также демонстрировали, что тяга двигателя сохранялась и составляла около 4 микроньютонов. Однако при этом были зафиксированы смещения камеры. Исследователи затруднялись объяснить природу наблюдаемой тяги, но предполагали, что она вызвана внешними факторами.
По результатам своих экспериментов немецкие ученые сообщили, что у них получилось значительно улучшить измерительную технологию, которая может пригодиться для работы с новым концептом.