Страсти по «невозможному»: двигатель EmDrive

На пресс-конференции, проходившей в Пекине, доктор Чен Юи (Chen Yue) из Китайской академии космических технологий (CAST) объявил, что его страна уже давно и успешно тестирует эту технологию в лаборатории. Более того, теперь Китай проверил работу двигателя на борту космической станции «Тяньгун-2». Заявление только подогрело споры, длящиеся уже почти 10 лет. Ведь вопрос, работает ли EmDrive, фактически эквивалентен спору с бароном Мюнхгаузеном о возможности вытащить себя из болота за волосы, да еще вместе с конем. Попробуем разобраться. 

Эта история началась в 2001 году, когда британский инженер Роджер Шойер (Roger Shawyer) основал небольшую компанию Satellite Propulsion Research Ltd. В этом ему помог грант, полученный от британского Департамента торговли и промышленности и некоторых частных инвесторов. Сказалась хорошая репутация инженера, имевшего богатый опыт работы в космической промышленности. В частности, Шойер 20 лет был сотрудником компании EADS Astrium – одного из крупнейших мировых производителей космических аппаратов. В результате работы в декабре 2002 года на суд общественности был представлен первый рабочий прототип «невозможного» двигателя, получившего название EmDrive. Фактически устройство представляло собой полый медный конический резонатор, запаянный с обоих концов. К резонатору крепился магнетрон – прибор, генерирующий микроволновое излучение. Такие магнетроны широко используются, например, в СВЧ-печах. 

Принцип работы EmDrive сразу вызвал множество вопросов у специалистов. Сам изобретатель утверждает, что работа двигателя описывается давно известными физическими законами и никакой «новой физики» для его объяснения не нужно. Известно, что электромагнитные волны могут переносить энергию и импульс. Эффект давления света хорошо изучен и даже используется для ориентации некоторых космических аппаратов. В EmDrive волны, создаваемые магнетроном, испытывают многократные отражения во внутренней полости резонатора и давят на его стенки. А вот далее начинается наиболее спорное место в теории. По словам Шойера, можно так подобрать размеры и форму резонатора и длину излучаемых магнетроном электромагнитных волн, что давление на боковые стенки конуса будет равно нулю. Тогда получается, что давление на большое и малое основания конуса будут неодинаковы, и в двигателе возникнет тяга в направлении плоскости основания большей площади. Однако этот факт противоречит законам физики, а именно третьему закону Ньютона. 

Дело в том, что единственный способ перемещения в космическом пространстве, который пока освоило человечество, – это реактивное движение. В его основе лежит закон сохранения импульса. Тяга в реактивном двигателе возникает за счет того, что ракета-носитель или космический корабль выбрасывает вещество в сторону, противоположную движению. Одна из основных характеристик такого двигателя называется удельным импульсом – это отношение создаваемого двигателем импульса к расходу топлива. Таким образом, чем выше значение удельного импульса, тем меньше топлива тратит космический корабль на изменение скорости. Чем больше скорость, с которой вещество вылетает из реактивного двигателя, тем выше удельный импульс. Такой двигатель может разогнать космический корабль до большей скорости, затратив при этом меньше топлива. Именно поэтому в последнее время в космической промышленности все большую популярность приобретают ионные двигатели. У них низкая тяга, но высокая скорость истечения вещества, что делает их очень эффективными для длительных космических миссий. Однако и они сталкиваются с основной проблемой всех реактивных двигателей – ограниченным запасом топлива. 

Другой известный способ перемещения в космосе – это космический парус. Такой аппарат будет использовать для перемещения давление солнечного света или солнечного ветра – потока заряженных частиц, летящих по направлению от нашей звезды с большими скоростями. Также недавно было представлено несколько проектов, предлагающих осуществлять разгон аппарата с парусом с помощью мощного лазерного излучения. Но, несмотря на обилие подобных проектов, все они еще далеки от эффективного практического применения. 

И реактивному двигателю, и космическому парусу для перемещения необходимо провзаимодействовать с веществом (топливом или солнечным ветром) или электромагнитными волнами. Однако, если поверить изобретателю EmDrive, его двигатель не взаимодействует ни с чем. Фактически Шойер создал устройство, помогающее барону Мюнхгаузену вытащить себя за волосы из болота. Нужно ли говорить, что в работоспособность EmDrive не поверил почти никто. 

На протяжении последующих нескольких лет Роджер Шойер занимался усовершенствованием «невозможного» двигателя. В 2006 году он представил усовершенствованную версию EmDrive с водяным охлаждением. По мнению изобретателя, это должно было увеличить тягу. Журнал New Scientist даже разместил фотографию двигателя на обложке от 8 сентября 2006 года. В статье делался вывод, что схема работы устройства выглядит правдоподобно, и всячески подчеркивались аргументы его сторонников. Это вызвало негативную реакцию у читателей журнала. Известный австралийский писатель-фантаст Грег Иган опубликовал открытое письмо, в котором обвинил авторов статьи в научной безграмотности. Впоследствии New Scientist опубликовал письмо бывшего технического директора EADS Astrium Элвина Уилби, в котором тот всячески открещивается от участия компании в проекте Шойера. 

Интересно, что EmDrive не единственное подобное устройство. В 2006-м изобретатель Гвидо Фетта разработал похожий проект, названный Cannae Drive, или Q-drive, работающий по аналогичному принципу. Основное отличие двух проектов – форма резонатора. В Cannae Drive это не конус, а уплощенная емкость, похожая на таблетку. 

Независимая проверка началась только в 2008 году и, что удивительно, в Китае. Под руководством профессора Яна Цзюаня в китайском Северо-Западном политехническом университете был создан работающий прототип «невозможного». По предварительным данным, двигатель развил тягу в 720 мН при мощности в 1 кВт. Примерно так же будет давить на весы груз весом в 72 грамма. Впоследствии результаты, полученные в статье, были опровергнуты самими авторами, так как обнаружилась большая ошибка в измерениях. После ее учета полученная тяга двигателя не превышала 1 мН при затраченной мощности в 230 Вт, что получалось меньше инструментальной погрешности.  

Однако с 2013 года к испытаниям «невозможного» двигателя присоединяется лаборатория Advanced Propulsion Physics Laboratory, или просто Eagleworks. Она существует при Космическом центре имени Линдона Джонсона – центре НАСА по разработке пилотируемых космических кораблей, обучению астронавтов и подготовке пилотируемых космических полетов. Eagleworks – это небольшая исследовательская группа, задача которой заключается в проверке новых способов перемещения космических аппаратов. В свое время эта лаборатория уже была на слуху в связи с работой по проверке концепции полуфантастического Warp-двигателя. Это гипотетический двигатель, способный переносить космический корабль на межзвездные расстояния со скоростью большей, чем скорость света. Обычно Warp-двигатель – частый гость фантастических книг и фильмов, а не научных публикаций. Но в 1994 году в журнале Classical and Quantum Gravity была опубликована работа мексиканского физика Мигеля Алькубьерре, в которой он предложил теоретическую концепцию двигателя, искривляющего пространство. В Eagleworks рассчитывали продемонстрировать саму возможность искривить пространство с помощью сильного электрического поля. Но эксперимент, проведенный в лаборатории, не показал убедительных доказательств искривления пространства, хотя сами авторы объясняют это недостаточной чувствительностью установки. 

Для тестирования «невозможного» двигателя использовались герметичная камера и специальные крутильные весы, способные обнаружить тягу в десятки микроньютонов. На весах исследовались два варианта Cannae Drive, отличавшиеся наличием бороздок внутри резонатора одного из образцов. По предположению Гвидо Фетта, они должны были влиять на тягу. Она измерялась несколько раз, при каждом включении двигателя и один раз после изменения его ориентации на 180 градусов. Также, чтобы устранить возможные аппаратные ошибки, помимо двигателей на весах проводились тесты нагрузки, которая не создает тягу при подаче напряжения. По словам авторов эксперимента, установка получилась настолько чувствительной, что способна «почувствовать» волнение моря в Мексиканском заливе в ветреную погоду. А это примерно 40 километров на юго-восток от центра Джонсона. И тяга порядка 30–50 микроньютонов действительно была обнаружена. 

Однако руководитель исследовательской группы Eagleworks Гарольд Уайт объясняет принцип работы двигателя совсем не так, как его создатели Шойер и Фетта. По его словам, «дополнительная тяга в двигателе получается за счет магнито-гидродинамической силы, действующей в квантовой флуктуации вакуума, то есть за счет взаимодействия с «квантовой вакуумной виртуальной плазмой» путем создания виртуального плазменного тороида». Дело в том, что, по современным представлениям, вакуум – это не пустое пространство. Он заполнен постоянно рождающимися и уничтожающимися элементарными частицами, называемыми «виртуальные», так как мы не можем наблюдать их непосредственно. Проще говоря, по мнению сотрудников лаборатории, EmDrive и ему подобные взаимодействуют и как бы отталкиваются именно от этих виртуальных частиц вакуума. Стоит ли говорить, что подобное объяснение было встречено научным сообществом в основном в штыки. Одним из основных аргументов, высказанных против экспериментов в Eagleworks, стал тот факт, что испытания двигателя были проведены не в вакууме. Тяга вполне могла возникнуть в результате конвекции воздуха вокруг образца. Также высказывалось предположение, что «запертое» внутри резонатора микроволновое излучение нагревает весы, что приводит к смещению показаний. В самом НАСА тоже не разделяют оптимизма Гарольда Уайта по поводу невозможного двигателя. В агентстве отмечают, что Eagleworks – это небольшая лаборатория, в которой работает 5 человек. И остальные 18000 сотрудников космического агентства могут не разделять их точку зрения. 

Частично недостатки эксперимента, проведенного в центре Джонсона, были устранены в исследовании, выполненном физиками из Технического университета Дрездена. На этот раз испытания проводились уже в вакуумной камере. Также авторы попытались учесть эффекты, создаваемые наведенной электрической проводкой установки. Результатом стало обнаружение тяги в 20 микроньютонов при мощности магнетрона в 700 ватт и частоте 2,44 ГГц. Основной целью эксперимента исследователей из Дрездена была попытка обнаружить аппаратный эффект, вызывающий тягу. Но что ее вызывает, авторам работы понять не удалось. 

В следующий раз о «невозможном» заговорили в ноябре 2016 года. В Сеть утекла информация о том, что Eagleworks готовит первую публикацию в рецензируемом журнале. Так и случилось. В журнале Journal of Propulsion and Power, издающемся Американским институтом аэронавтики и астронавтики, было опубликовано новое исследование двигателя. Оно было выполнено более аккуратно. В качестве тестовой модели использовалась именно версия Шойера – та самая, похожая на медное ведро. Исследователи снова воспользовались крутильными весами и на этот раз уже вакуумной камерой (8×10-6Торр), за счет чего удалось еще больше повысить точность опыта. Измерения тяги были проведены для трех значений мощности магнетрона — 40, 60 и 80 Вт. Эксперимент показал, что двигатель дает тягу в вакууме 1,2 миллиньютона на киловатт. Интересно, что это значение в 42 раза больше, чем то, что наблюдалось в немецком эксперименте. Теперь в работе были честно рассмотрены возможные источники ошибок измерений. Их получилось 9, включая возможную утечку фотонов из магнетрона (так называемая фотонная ракета), электромагнитные взаимодействия с токами в электрической цепи установки, температурное расширение некоторых элементов крутильных весов и возможное испарение молекул с поверхности исследуемого образца. Однако, по мнению Eagleworks, все эти эффекты не могут дать наблюдаемый эффект тяги. Например, если бы и имела место утечка фотонов из резонатора, тяга была бы на порядки меньше, говорится в исследовании. По современным оценкам, фотонному двигателю нужно минимум 300 МВт (мощность небольшой электростанции) для создания тяги в 1 ньютон. 

Объяснение принципов работы двигателя в статье опять вызвало в научной среде больше вопросов, чем ответов. По мнению авторов работы, тягу может объяснить так называемая теория волны-пилота (Pilot wave). Эта одна из возможных интерпретаций квантовой механики была предложена французским физиком-теоретиком Луи де Бройлем в 1927 году. В ней считается, что квантово-механическое описание свойств элементарных частиц применяется лишь потому, что мы пока не можем заметить их реальную динамику. На самом же деле они движутся подобно макроскопическим телам по определенным траекториям, описываемым скрытыми пока параметрами. Согласно объяснению в статье, EmDrive может взаимодействовать с виртуальными частицами вакуума подобно тому, как корабельный винт взаимодействует с водой, толкая судно вперед. Однако с момента появления теории волны-пилота прошло 90 лет, и в наши дни она совсем непопулярна у специалистов по квантовой механике. Так что особого энтузиазма в научной среде изложенная в работе гипотеза возникновения тяги точно не вызвала. 

Научное сообщество в основной своей массе не поверило в результаты испытаний спорного двигателя. Марк Миллс, который возглавлял ныне прекратившую существование лабораторию Breakthrough Propulsion Physics lab, считает, что аномальная тяга могла возникнуть в результате взаимодействия двигателя с испытательной камерой. Лаборатория Миллса в свое время занималась задачами, аналогичными Eagleworks, то есть проверкой различных полуфантастических проектов космических двигателей. Так что опыта, чтобы делать подобные предположения, у него достаточно. Астрофизик Технологического института Рочестера и научный обозреватель Forbes Брайан Коберлейн отметил, что публикация статьи в рецензируемом журнале еще не означает, что ее результат окажется верным. И примеры подобного случаются неоднократно, например, недавняя история с коллаборацией BICEP2, в которой заявили о детектировании гравитационных волн на основе поляризации реликтового излучения. Работа вызвала широкий отклик и была опубликована в журнале Physical Review Letters, пользующемся большим доверием. Однако последующий анализ и новые данные с космического телескопа «Планк» показали, что авторы исследования вместо гравитационных волн видели тепловой вклад межзвездной пыли в реликтовый фон. Некоторые специалисты обращают внимание на большую погрешность в измерении тяги двигателя. Ошибки так велики, что при желании можно было провести линию зависимости тяги от мощности магнетрона не возрастающей, а, например, постоянной или даже убывающей. 

Кстати, журнал Journal of Propulsion and Power таким доверием не обладает. Его импакт-фактор – отношение количества цитированных в других журналах статей к полному количеству публикаций в журнале – составляет около 1.19 (за период 2015/2016 год). Это довольно мало, на что указывают многие критики публикации. Например, импакт-фактор журнала Physical Review Letters составил 7.6, а журнала Nature – аж 42.3. 

Российские ученые также раскритиковали идею EmDrive. Астрофизик, главный редактор газеты «Троицкий вариант» и член Комиссии РАН по борьбе с лженаукой Борис Штерн назвал бредом саму возможность создания невозможного двигателя. «Нет никакой необходимости разбираться в устройстве. Закон сохранения импульса имеет точно такой же статус в фундаменте устройства мира, как и закон сохранения энергии (в теории относительности это один закон – сохранения энергии-импульса). Но уже столетиями новые и новые полуграмотные изобретатели предлагают новые и новые варианты вечного двигателя, некоторые экземпляры даже тихонько работают на паразитных эффектах и приводят в замешательство очевидцев, не слишком твердых в рациональном взгляде на мир. Умельцев с новыми вечными двигателями уже давно посылают с порога», – написал ученый на сайте газеты. 

К обсуждению активно подключились и пользователи Интернета, интересующиеся космонавтикой. В конце прошлого года на сайте Reddit.com в соответствующей теме появился интересный комментарий от пользователя с ником thatonefirst, который считает, что обнаружил ошибку в эксперименте Eagleworks. Рассмотрев графики отклонения крутильных весов, на которых испытывался двигатель, он обнаружил, что при включении EmDrive и при подаче тестового импульса поведение установки несколько отличается. При подаче калибровочного импульса балансир отклоняется почти мгновенно и так же быстро возвращается в исходное положение при выключении. Но при отклонении из-за тяги EmDrive крутильные весы ведут себя более инертно и даже вроде бы какое-то время продолжают увеличивать угол отклонения, когда питание двигателя уже отключено. Комментатор предполагает, что это явно свидетельствует о нагреве и тепловом расширении какого-то элемента установки, который в итоге и влияет на показания весов. Сами же экспериментаторы в статье объясняли такое необычное отклонение балансира особенностями конструкции крутильных весов. Кто из них окажется прав, могут показать только дальнейшие испытания. 

Однако если бы невозможный двигатель реально работал, это бы коренным образом изменило космический полет. Конечно, космический аппарат не смог бы подняться с поверхности Земли, используя только тягу EmDrive, тут мы по-прежнему не обошлись бы без химических ракет. Ведь в космосе эффективной может стать даже небольшая тяга, главное, чтобы ее можно было поддерживать длительное время. На сегодняшний день перспективный ионный двигатель на эффекте Холла может обеспечить тягу 60 миллиньютонов на киловатт, что значительно превышает возможности EmDrive. Но запас топлива у него не безграничен. А двигатель Шойера и Фетта, работая постоянно, окажется более эффективным. По словам изобретателей, автоматическая станция с таким двигателем могла бы долететь до Марса за 70 дней или доставить груз в 2000 кг на 0,1 св. года за 15 лет. Звучит фантастически? Но даже если отбросить такие оптимистичные заявления, применение «невозможного» двигателя для корректировки орбит геостационарных спутников позволило бы значительно облегчить их вес, а значит, и стоимость запуска. 

Но работает ли EmDrive на самом деле? Большая часть научного сообщества уверена, что, скорее всего, нет. Сама история создания EmDrive выглядит весьма ненаучно. Изобретатель, создавший двигатель, и НАСА, проводившие его испытания, предлагают совершенно разные теории, объясняющие принцип его работы. Причем научность этих теорий вызывает большие вопросы. Такая история вполне могла бы произойти в XIX веке, но наше время уже давно не оставляет шансов случайным открытиям в области физики. Теперь эксперимент почти всегда следует за теорией, либо подтверждая ее, либо опровергая. И это далеко не первый случай, когда изобретатель чудо-технологии «барона Мюнхгаузена» пытается убедить весь мир, что уж его метод точно не подведет. Так было и во второй половине 50-х годов, когда появилась машина Дина. Ее создатель Норман Дин уверял, что с помощью пружинок и эксцентриков может победить силу гравитации. Или недавняя история про знаменитую «Гравицапу» – также двигатель без выброса реактивной массы. Это устройство, несмотря на многочисленные протесты Комиссии РАН по борьбе с лженаукой, было отправлено в космос на борту малого научного спутника «Юбилейный». Но, как и следовало ожидать, законы физики никто не отменял, и «Гравицапа» в космосе была лишь балластом. Тем не менее, испытания «невозможного» продолжаются. И пусть это не даст человечеству легкий путь освоения космоса, зато научит аккуратнее проводить испытания и внимательнее искать ошибки измерений. Возможно, EmDrive еще принесет свою пользу научному сообществу, пусть и немного не так, как ожидают его создатели.