vacuum

‘Massaloze EM-Drive maakt bemande reis naar Pluto mogelijk’ – update

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 Ef van 1000 watt vermogen, denk: grote magnetron, wek je slechts

(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.

De meetopsteling van Tajmar.

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

Licht uit het niets: dynamisch Casimir-effect aangetoond

Door een truc toe te passen, konden onderzoekers een spiegel met relativistische snelheid laten bewegen en zo licht produceren uit het niets.

Het statische Casimir-effect perst twee platen vlak bij elkaar op elkaar. Er is ook een dynamisch Casimireffect.

Casimir-effect
Het vacuüm is minder leeg dan het lijkt. Omdat kwantummechanisch gezien niet is uit te sluiten dat deeltjes gedurende een zeer korte tijd bestaan, worden er voortdurend paren deeltjes en antideeltjes uit het niet s gecreëerd. De effecten hiervan zijn te meten. Op zeer kleine afstanden zorgen ze er bijvoorbeeld voor dat twee platen met zeer grote kracht worden aangetrokken: het statische Casimir-effect. De resulterende kracht ontstaat omdat de ruimte tussen de twee platen “leger”  is dan de rest van het vacuüm, omdat zich in de nauwe ruimte minder deeltjesparen kunnen vormen dan in normale lege ruimte. De virtuele deeltjes rond de rest van de platen drukken de platen daarom op elkaar. Dit effect, voorspeld door de Nederlander Hendrik Casimir in de veertiger jaren, is al in 1998 aangetoond.

Spookachtig licht
Er bestaat ook een minder bekend effect: het dynamische Casimir-effect. Als een spiegel met snelheden beweegt in de buurt van de snelheid van het licht, kunnen virtuele deeltjesparen zich als het ware niet meer goed aanpassen. Sommige virtuele deeltjes raken hun partner kwijt voor ze elkaar kunnen vernietigen en worden daardoor reëel. Als gevolg daarvan begint de spiegel (of liever gezegd: het vacuüm op nanometers afstand van de spiegel) spookachtig licht uit te zenden.

Aldus de theorie. Het probleem is dat het buitengewoon lastig is iets dat groter is dan een atoomkern met relativistische snelheden te laten bewegen. Een groep Zweedse onderzoekers is er nu toch in geslaagd, door gebruik te maken van een handig foefje. Hiervoor maakten ze gebruik van een SQUID, een zeer gevoelige magnetometer. Door een zeer hoogfrequente wisselspanning op een SQUID te zetten, leek een transmissiedraad  die met de SQUID verbonden was, met ongeveer vijf procent van de lichtsnelheid te bewegen. Voldoende om het dynamische Casimir-effect op te wekken. Verwacht geen nieuw type stardrive met deze techniek: de draad bewoog ongeveer een nanometer, minder dan tien waterstofatomen breed.

En inderdaad namen de onderzoekers microgolfstraling (de radiostraling die onder andere in magnetrons vrijkomt) waar. Hun conclusie was dan ook kort maar krachtig: “We geloven dat deze resultaten de eerste waarneming van het dynamische Casimireffect zijn.”

Bron:
Arxiv.org
MIT Technology Review, ArXiv Blog

Supermagneet verandert vacuüm in supergeleider

Volgens een bizarre, maar kwantummechanisch correcte theorie hoeven we helemaal niet zoveel moeite te doen om een materiaal te vinden dat op hoge temperatuur supergeleidend is. Met een extreem sterk magnetisch veld bereiken we hetzelfde effect, stelt Maxim Chernudub.

Hoe werkt het principe?
Het vacuüm is niet zo leeg als tussen het verdwijnen van de ethertheorie tot de komst van de kwantummechanica werd gedacht.  Wat op het eerste gezicht leeg lijkt, is in werkelijkheid gevuld met een ‘zee’  van virtuele spookdeeltjes die een fractie van een seconde bestaan en dan uiteenvallen. De effecten hiervan zijn al meer dan een halve eeuw geleden beschreven door de Nederlandse natuurkundige Hendrik Casimir.
Zodra een sterk veld in een vacuüm ontstaat, wordt er energie toegevoerd en zullen bepaalde virtuele deeltjes reëel worden. Elektrisch geladen virtuele deeltjes hebben een magnetisch spinmoment waardoor ze zich volgens de veldlijnen zullen polariseren. Deze deeltjes vormen een condensaat – ze gedragen zich als één geheel. Dat wat gebeurt in een supervloeistof of supergeleider.

Tot nu toe werden de berekeningen uitgevoerd waarbij rekening werd gehouden met W-bosonen. W-bosonen, de vectordeeltjes van de zwakke kernkracht, zijn extreem zwaar – honderd keer zo zwaar als het proton – en kunnen alleen in zeer zware deeltjesversnellers worden geproduceerd. Met andere woorden: een magneetveld creëren om een condensaat van W-bosonen uit het Niets te trekken is theoretisch vrijwel onmogelijk. Chernodub is bij zijn nieuwe berekeningen echter uitgegaan van rho-mesonen. Deze exotische deeltjes bestaan uit twee quarks: een upquark en een anti-downquark en zijn ongeveer 80% zo zwaar als een proton of neutron.

Met supergeleidend vacuüm zou je in principe enorme hoeveelheden energie uit de ruimte naar de aarde kunnen transporteren.

Hoe sterk moet het magnetisch veld hiervoor zijn?
Extreem sterk, althans zo mag je 1016 tesla noemen. Tesla is de SI-eenheid voor magnetische veldsterkte. Om een intuïtieve indruk te krijgen: het aardmagnetisch veld is enkele tientallen microtesla. De allersterkste permanente magneten halen met pijn en moeite aan hun oppervlak 1,2 tesla. Met vijftien tesla kan je een kikker laten zweven – een experiment waarmee de latere Nobelprijswinnaar Andre Geim de IgNobel prijs won. De monsterlijke grote supergeleidende elektromagneten die worden gebruikt in deeltjesversnellers en tokamaks halen maximaal 22 tesla. Het record (voor korte duur) staat op 100 tesla.
Russische onderzoekers haalden met een explosie voor zeer korte tijd 2800 tesla. De sterkste magneetvelden die we kennen in het universum zijn die rond de allersterkste magnetars, magnetische pulsars: 1011 tesla.

Dat dus maal honderdduizend. Hier zitten we dus nog een factor tien biljoen vanaf.  Gelukkig maar aan een kant, want zulke magnetische velden slaan zelfs atoomkernen in gruzelementen.
Volgens sommige theoretici heersten deze omstandigheden vlak na de Big Bang. Klopt dat, dan zouden de sporen zichtbaar moeten zijn in de achtergrondstraling en in de verdeling van materie in het heelal.

Wat zou je met supergeleidend vacuüm kunnen doen?
Een door zijn collega Kharzeev voorgestelde toepassing is het toevoeren van enorme hoeveelheden zonne-energie naar de aarde via deze gewichtsloze supergeleider. De hoeveelheid zonne-energie die op aarde neerkomt is weliswaar enorm, maar slechts een minuscule fractie van wat de zon uitzendt. Het verschil tussen een Kardashev-I en een Kardashev-II beschaving. Wel zou je dan verbijsterend grote hoeveelheden afvalwarmte moeten dumpen in de ruimte om op het op aarde leefbaar te houden.  Vermoedelijk is dit systeem alleen interessant voor Kardashev-II of Kardashev-III beschavingen om de energie van complete sterren of zwarte gaten lichtjaren ver weg te sturen voor een of ander wormgat of doomsday wapen. Ook moet men niet vergeten dat er behoorlijk wat energie in het vacuüm wordt gepompt op deze manier. En wie goed heeft opgelet tijdens de natuurkundeles: energie en massa zijn equivalent, dus die gewichtloosheid valt tegen…

Bron
New Scientist

Dutch