kwantummechanica

De omstreden EM-Drive belooft een einde aan de gevaarlijke en dure chemische raketten. En hij werkt, zegt nu een tweede, onafhankelijk onderzoeksteam. Met een slag om de arm.  Kunnen we nu eindelijk de mens naar verre bestemmingen zoals Pluto sturen?

Het probleem met raketten
In de ruimte is er geen lucht, of een oppervlak om je tegen af te zetten. De enige praktische methode om vooruit te komen is daarom om je af te zetten tegen iets dat je meebrengt: raketbrandstof. Door deze brandstof weg te stuwen, vliegt de raket de andere kant op. (Er zijn andere in principe werkende methoden, zoals zonnezeilen en je afzetten tegen de zonnewind of magnetische veld, maar deze zijn nu nog in het experimentele stadium).

Raketten die een lading tot buiten het zwaartekrachtsveld van de aarde moeten brengen, kunnen maar een paar procent nuttige lading meenemen.  De rest van de raket bestaat uit raketbrandstof, plus het omhulsel. Het grootste deel van deze brandstof wordt gebruikt om de andere brandstof omhoog te slepen.

EM Drive als oplossing?
Als je elektromagnetische straling (bijvoorbeeld licht of radiostraling) in tegengestelde richting schijnt, kan je ook je raket wegduwen. Die druk is alleen gewoonlijk miniem. Dat komt door de lichtsnelheid c in de noemer, een enorm groot getal: met bijvoorbeeld een energieflux E_f van 1000 watt vermogen, denk: grote magnetron, wek je slechts

[latex]P_{reflect} = \frac{2E_f}{c} \cos^2 \alpha[/latex]

(onder een rechte hoek α=0, dus (cos 0)²=1)

dus 2 * 1000 / 300 000 000 * 1 = rond de 1,5 miljoenste newton stuwkracht op. Nog niet voldoende om een zandkorrel mee in de lucht te houden. Niet echt praktisch dus. Ter vergelijking: met diezelfde 1000 watt kan je een elektrische fiets 80 km per uur laten rijden, of een gemiddelde volwassen man stil laten hangen in de lucht.

Een uitvinder, de verder goed aangeschreven Britse lucht- en ruimtevaartingenieur Roger Shawyer, denkt een uitweg te hebben gevonden.
De uitvinder beweert dat zijn EM Drive veel beter kan dan dit, omdat hij gebruik maakt van vacuümvoortstuwing. Het vacuüm is volgens de kwantummechanica niet werkelijk leeg, maar gevuld met zeer kort levende ‘spookdeeltjes’. De EM Drive zou zich hiertegen afzetten.

Volgens schattingen van NASA kan een verbeterde versie van de EM Drive Pluto in 18 maanden bereiken, of Mars in twee maanden.

Zeer omstreden
Deze verklaring is zeer omstreden (al blijkt het vacuüm rondtollende stofjes wel degelijk langzaam af te kunnen remmen). Volgens mainstream fysici, zoals natuurkundige en science fictionschrijver Greg Egan en wiskundig fysicus John Baez gaat het hier om een motor, die zich (als hij zou werken) impuls levert uit het niets, met andere woorden: de zo ongeveer heiligste natuurkundige wet, de wet van behoud van impuls, met voeten treedt.

Persoonlijk denk ik dat beide heren, en Motl, hier te stellig zijn. Er kan wel degelijk impuls door ruimtetijd geleverd worden: denk bijvoorbeeld aan zwaartekrachtsgolven, het (nog niet aangetoonde, wel voorspelde) Unruh effect en de eerder beschreven vacuümafremming van stofjes.

Elektromagnetische velden polariseren de virtuele deeltjesparen in het vacuüm. Mogelijk vindt er toch impulsoverdracht tussen deze velden en de gepolariseerde deeltjesparen plaats. Of gedragen die gepolariseerde virtuele deeltjesparen zich als een Bose-Einstein condensaat, dat in ieder geval in atomaire materie de lichtsnelheid c sterk terug kan brengen. Daardoor zou het rekensommetje boven een honderden keren zo grote uitkomst krijgen. Deze mogelijkheden moeten nagetrokken worden. Dit zou werkelijk een wereld aan mogelijkheden openen. Zou je vacuüm net als een vloeistof kunnen manipuleren, dan kan je antizwaartekracht opwekken en de tijd vertragen.

Werkzaamheid in drie experimenten aangetoond
In drie onafhankelijke experimenten is nu de werkzaamheid van de EM Drive aangetoond, althans: is een voortstuwing gemeten die veel groter is dan de minieme voortstuwing die de stralingsdruk kan leveren. Shawyer zelf claimde dat zijn EM Drive inderdaad meetbare stuwing produceerde. Een Chinees team bereikte vergelijkbare resultaten. Dat is duizenden malen meer dan alleen stralingsdruk. Een team van NASA produceerde met een veredelde magnetron een vergelijkbare stuwing van honderdsten newton. Omdat zowel de Chinezen als de NASA-techneuten ingenieurs zijn, geen natuurkundigen, namen veel natuurkundigen deze resultaten weinig serieus. Ze zullen wel een fout in de opstelling hebben gemaakt, is de gedachte.

Dat wordt veel moeilijker met het derde onderzoek. Een team onder leiding van de Oostenrijkse professor ruimtevaarttechniek en natuurkundige Martin Tajmar mat de impuls ook[1]. Tajmar heeft in zijn proefopstelling er werkelijk alles aan gedaan om andere verklaringen dan vacuümstuwing uit te sluiten. Toch zijn er nog enkele loopholes, al sloot Tajmar er meerdere. Tajmar blijft voorzichtig en noemt de afstotingskracht door de verbindingskabels waar de stroom doorheen vloeit een mogelijke verklaring. Toch vindt ook hij de resultaten interessant genoeg om er vervolgonderzoek naar te doen.

Zou de theorie kloppen, dan kunnen er enkele geliefde natuurkundige dogma’s over het vacuüm naar de schroothoop.

Een kleine prijs om te betalen, als daarmee het zonnestelsel voor ons openligt, zoals het team van NASA terecht opmerkte.

UPDATE: NASA vindt opnieuw anomale stuwkracht
In een vervolgtest van de EM Drive hebben NASA-medewerkers die aan het project werken, weer enkele zwakke punten gecorrigeerd in de testopstelling, meldde Paul March, een van de medewerkers, op een forum. Zo veronderstelden enkele natuurkundigen in een nog niet gepubliceerd artikel, dat de gemeten voortstuwing in feite een Lorentzkracht is. Dat is een kracht die ontstaat als een elektrische stroom door een magnetisch veld stroomt (in dit geval: het magnetische veld van de aarde). Dat lijkt met de nieuwe testopstelling uitgesloten te zijn.

Bron
1. M. Tajmar en G.Fiedler, Direct Thrust Measurements of an EMDrive and Evaluation of Possible Side-Effects, 51ST AIAA/SAE/ASEE JOINT PROPULSION CONFERENCE, 2015 (paywall); gratis versie