Patent na "niemożliwy silnik" publiczny

Wygląda na to, że saga opracowanego przez Rogera Shawyera "niemożliwe silnika", o którym po raz pierwszy pisaliśmy ponad 3 lata temu, dobiegnie w końcu szczęśliwego finału. Wynalazcy udało się silników ów opatentować, a szczegóły patentu są publiczne, dzięki czemu możemy się w końcu dokładnie z nim zapoznać. Znalazł się także producent zainteresowany komercjalizacją wynalazku.

Dla przypomnienia: obecnie stosowane silniki wymagają gazu pędnego, który wyrzucany jest z silnika i powoduje odrzut statku w kierunku przeciwnym. Silnik nie wymagający do działania takiego gazu byłby ogromną rewolucją, bo obecnie wszelkie nawet jeśli pojazd kosmiczny ma dostęp do nieograniczonego źródła energii słonecznej - potrzebują do działania gazu pędnego, którego źródło jest ograniczone.

Według wyliczeń specjalistów z laboratoriów Eagleworks pojazd z takim silnikiem mógłby dowieźć nas na Marsa w ciągu zaledwie 70 dni, a zatem nie tylko orbita, lecz cały Układ Słoneczny stanąć może przed nami otworem.

EmDrive jest dziełem Roger Shawyera, który nie jest człowiekiem przypadkowym - to jeden z najlepszych speców od aeronautyki w Europie. Jego dzieło z kolei wygląda jak zamknięty, stożkowy pojemnik, który po wypełnieniu rezonującymi mikrofalami generuje ciąg ku szerszemu końcowi stożka zwiększając pęd układu. Z kolei zasada zachowania pędu mówi, że jeśli na układ ciał nie działają siły zewnętrzne - układ ten ma stały pęd.

Silnik ten opierać ma swoje działanie o zjawisko ciśnienia promieniowania. Promieniowanie elektromagnetyczne, po zaabsorbowaniu, odbiciu lub rozproszeniu wytwarza po prostu ciśnienie odpowiadające gęstości energii strumienia pola podzielonej przez prędkość światła - a tym samym generuje pewną, bardzo niewielką siłę. Tak zwana prędkość grupowa fali elektromagnetycznej i tym samym generowana przez nią siła, może zależeć od geometrii falowodu, w którym się ona rozchodzi (co zostało udowodnione już w latach 50 XX wieku). Poniżej możecie zobaczyć bardzo podstawowy szkic pokazujący działanie silnika:

Niżej zaś możecie zobaczyć jedna z ilustracji do patentu, już dużo bardziej szczegółową, przedstawiającą silnik znacznie udoskonalony (choć zasada jego działania nie uległa zmianie):

Zdj.: Shawyer et al.

Shawyer wykoncypował, że jeśli falowód będzie taki, że na jednym jego końcu prędkość fali będzie znacznie różniła się od prędkości fali na drugim końcu (a taką możliwość daje stożek) to odbijając tę falę pomiędzy dwoma końcami uzyska się różnicę w ciśnieniu promieniowania, a więc siłę wystarczającą do wygenerowania ciągu.

System taki jest zamknięty, a więc na pierwszy rzut oka łamie on prawo zachowania pędu, jednak w grę wchodzi einstenowska względność, bowiem według Shawyera sam silnik znajduje się w innym układzie odniesienia, a falę w jego wnętrzu - w innym.

Mimo prezentowania przez wynalazcę działających (choć bardzo małych, generujących zaledwie 16 mN siły ciągu) modeli został on, mimo swego dużego doświadczenia i zasług (był on przez wiele lat jednym z szefów europejskiej spółce kosmicznej EADS Astrium), wyśmiany przez kolegów po fachu, którzy określali jego urządzenie "kolejnym perpetum mobile".

Wynalazca jednak pracował dalej, szykował kolejne modele i cały czas je badał czy przypadkiem osiągnięta siła ciągu nie jest wynikiem tarcia, efektów elektromagnetycznych czy nawet zwykłego ruchu powietrza - jednak nie mógł znaleźć błędu.

Jego praca wpadła w oko profesor Yang Juan z Politechniki Północno-zachodniej w Xi'an, która posiada ogromne doświadczenie w pracy z silnikami do statków kosmicznych. Jej zespół najpierw bardzo dokładnie przejrzał teoretyczne podstawy działania EmDrive, a dopiero po ich potwierdzeniu zabrał się za eksperymenty. I te, których wyniki opublikowano w zeszłym roku przyniosły jednoznaczny wynik - z kilku kilowatów mocy udało się wygenerować 720 mN siły ciągu.

To bardzo mało, jednak silniki jonowe XIPS produkcji Boeinga, które stosowane są w satelitach do delikatnego korygowania ich pozycji, generują mniej niż 1/4 tej siły zużywając dwukrotnie więcej energii, a do tego wymagają do działania gazu pędnego, którego rolę pełni tu szlachetny ksenon. A zatem "zużywają się" - gdy kończy się gaz, kończy się także ich życie.

Problem był jednak taki, że chińskim naukowcom ich koledzy z szeroko pojętego zachodu nie chcieli uwierzyć.

W roku 2014 swoją wersję takiego silnika (nazwaną Cannae Drive) zbudował Amerykanin Guido Fetta, któremu udało się przekonać NASA aby przeprowadziła jego testy i początkowe badania dały pozytywny wynik, inżynierowie z Eeagleworks postanowili jednak powtórzyć je w próżni aby uzyskać jeszcze pewniejsze potwierdzenie.

Po zamontowaniu silnika na zawieszonym w próżni wahadle po raz kolejny udało się potwierdzić ,że osiąga on ciąg 30-50 mikroniutonów - bardzo niewiele, jednak nie zmienia to faktu, że działa on tak jak twierdzi jego wynalazca - łamiąc pozornie zasadę zachowania pędu.

Pozornie, bo zdaniem speców z NASA w grę wchodzić mogą efekty kwantowe, a dokładniej rzecz biorąc oddziaływanie z pojawiającymi się i po chwili wzajemnie anihilujacymi się cząstkami materii i antymaterii w kwantowej próżni (ale jak sami napisali oni w swoim artykule - ich celem nie było poznanie tu dokładnej zasady działania silnika lecz sprawdzenie czy w ogóle on działa).

Shawyer zdradził, że dogadał się już obecnie z jedną z brytyjskich firm, która chce wyprodukować silnik w udoskonalonej wersji, któa ma generować o rzędy wielkości więcej ciągu. Cieszymy się zatem podwójnie - także z tego względu, że historia samotnego wynalazcy stojącemu naprzeciw wielkiej machinie zakończyła się happy endem.

Sam patent na EmDrive znajdziecie .

Zdj.: PD