Μια ωστική δύναμη θα μας πάει στο διάστημα με μηχανή χωρίς κινούμενα μέρη

Άρθρο, Οκτώβριος 2006

Ο Roger Shawyer, ένας βρετανός ειδικός στην αεροδιαστημική, έχει αναπτύξει μια εξαιρετικά προηγμένη θεωρία που εάν αποδειχθεί τόσο καλή όσο φαίνεται, θα μπορούσε να αλλάξει ένα μεγάλο μέρος της εφαρμοσμένης μηχανικής.

Ο Shawyer έχει σχεδιάσει μια πρωτότυπη μια μηχανή - λέγεται Emdrive ή Σχετικιστική Μηχανή -  και για διαστημική χρήση, που όμως δεν στηρίζεται στο 3ο νόμο του Νεύτωνα (δράση-αντίδραση) για να λειτουργήσει. Έχει δε τη δυνατότητα να φέρει τα διαστημόπλοια σε ταχύτητες που να πλησιάζουν σε αυτή του φωτός.

Ο Roger Shawyer, που είναι ένας από τους κορυφαίους μηχανικούς του καιρού μας αφού έχει διατελέσει σύμβουλος του Ευρωπαϊκού Δορυφορικού Προγράμματος Galileo, προκαλεί την φαντασία μας γιατί η μηχανή του έχει χαμηλό κόστος, υπακούει στους νόμους της φυσικής που σήμερα ξέρουμε, ενώ μακροπρόθεσμα, θα μπορούσε να κάνει επαναστατικές μεταφορές στο διάστημα.

Η ιδέα του κέρδισε το Βραβείο Πρωτοτυπίας το 2001, και μπόρεσε με τα χρήματα αυτά να κάνει τις δοκιμές του.

Η μηχανή Emdrive είναι το πνευματικό παιδί του Roger Shawyer, ο οποίος λέει ότι το μικρόβιο της ιδέας του ξεκίνησε όταν ήταν στο Sperry Gyroscope, και κλήθηκε να ψάξει για ένα σύστημα χωρίς αντίδραση - όπως ξέρουμε από το 3ο νόμο του Νεύτωνα - για την καθοδήγηση βλημάτων. Οι συμβατικοί μηχανικοί, μπορούν σε αυτό το σημείο, να σηκώσουν ψηλά τα χέρια τους και να μας πουν ότι ένα σύστημα χωρίς αντίδραση, δεν είναι δυνατόν, αναφέροντας για παράδειγμα τον 3ο νόμο του Νεύτωνα.

Εντούτοις ενώ τα φωτόνια  σε ορισμένες περιπτώσεις υπακούουν στους νόμους του Νεύτωνα - η ιδέα του ηλιακού ιστίου είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα - σε άλλες περιπτώσεις το φως και αντικείμενα που ταξιδεύουν με ή κοντά στην ταχύτητα του φωτός δεν υπακούουν. Έτσι, στην περίπτωση αυτή παραβιάζεται η διατήρηση της ορμής.

Δεξιά: Σκίτσο της ιδέας του Shawyer. Η δύναμη F πάνω στα τοιχώματα υπολογίζεται από την εξίσωση του Lorentz F=q(E+vB), όπου v είναι η ταχύτητα ομάδας. Επειδή η v είναι μεγαλύτερη προς τα πάνω ομοίως και η δύναμη F προς τα πάνω είναι μεγαλύτερη

Στην ουσία, το Emdrive είναι ένα δοχείο γεμάτο μικροκύματα που πάλλονται μέσα του ή ένας κλειστός κυματοδηγός. Επειδή τα μικροκύματα είναι μια μορφή ακτινοβολίας χαμηλής συχνότητας, η συμπεριφορά τους ελέγχεται από τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Και ενώ τα μικροκύματα και άλλες μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μπορούν να θεωρηθούν σαν πολύ γρήγορα κινούμενα σωματίδια, πρέπει επίσης να θεωρηθούν και ως κύματα. Συγχρόνως όμως ενώ αυτά τα σωματίδια της ακτινοβολίας κινούνται με την ταχύτητα του φωτός, ή ταχύτητα φάσεως όπως λέγεται, η ενέργεια μεταφέρεται από τα κύματα που ταξιδεύει με την ταχύτητα ομάδας. Η ταχύτητα ομάδας είναι το αποτέλεσμα κυμάτων διαφορετικών μηκών κύματος που αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο.

Ενώ, σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, η ταχύτητα φάσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι η ταχύτητα του φωτός στο κατάλληλο μέσο - σε οποιοδήποτε κινούμενο πλαίσιο αναφοράς - η ταχύτητα ομάδας ποικίλλει. Η ταχύτητα ομάδας μπορεί να είναι οποιαδήποτε ταχύτητα από μηδέν έως την ταχύτητα του φωτός (μερικοί φυσικοί προτείνουν ότι έχει την δυνατότητα να είναι μεγαλύτερη από αυτή του φωτός). Έτσι, ποικίλλει και η ορμή που πέφτει σε ένα αδιαπέραστο εμπόδιο και η ωστική δύναμη που ασκείται σε αυτό. Ως εκ τούτου, είναι δυνατό να υπάρξει ένα δοχείο γεμάτο με ηλεκτρομαγνητικά κύματα που να ασκούν περισσότερη δύναμη στο ένα άκρο από το άλλο, ενώ αυτό δεν θα ήταν δυνατό να το σκεφτεί κάποιος άλλος. 

Στην περίπτωση του πρωτοτύπου Emdrive, μια κλειστή κοιλότητα γεμάτη μικροκύματα είναι πλατύτερη στο ένα άκρο της από την άλλη. Η μαθηματική ανάλυση δείχνει ότι η ταχύτητα ομάδας είναι υψηλότερη στο πλατύ άκρο από ότι στο στενό άκρο και ότι συνεπώς, υπάρχει μια καθαρή ωστική δύναμη που ασκείται στο πλατύ άκρο. Επιπλέον, η καθαρή αυτή δύναμη που ασκείται είναι ανάλογη προς το Q (ένα μέγεθος της κοιλότητας), ή την αποτελεσματικότητα που η κοιλότητα παρουσιάζει ως αντηχείο.

Ο σωστός υπολογισμός του μεγέθους της κοιλότητας ή του κυματοδηγού σε συνάρτηση με το μήκος κύματος των μικροκυμάτων, θα δημιουργήσει μια κοιλότητα όπου τα μικροκύματα θα συντονίζονται δημιουργώντας τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Η κίνηση των φωτονίων από τη μια άκρη του θαλαμίσκου προς την άλλη συμπαρασύρει μαζί και τον ίδιο, λειτουργώντας ως έμβολο, χωρίς εξαρτήματα και εκπομπή καυσαερίων.

Η ιδέα του δηλαδή στηρίζεται σε μια ιδέα που αναπτύχθηκε το 1871 από τον Τζέιμς Μάξγουελ, ο οποίος είχε αντιληφθεί ότι το φως ασκεί κάποια δύναμη σε κάθε επιφάνεια όπου πέφτει, όπως ακριβώς συμβαίνει με τον αέρα σε ένα πανί. Πρόκειται για ένα φαινόμενο που είναι γνωστό και ως πίεση της ακτινοβολίας. Το πρόβλημα όμως είναι ότι αυτή η δύναμη που ασκείται, είναι σχεδόν αμελητέα.

Επίσης, η συσκευή εκμεταλλεύεται μια σκέψη που πρώτος την υπέδειξε ο Allen Cullen τη δεκαετία του '50, που σύνδεε δυνάμεις από μικροκύματα που κτυπούσαν συνεχώς πάνω στα αντίθετα τοιχώματα μιας κοιλότητας.

Διάδοση των κυμάτων μέσα στη συσκευή

Πολλοί επιστήμονες δεν έχουν εξετάσει το φαινόμενο γιατί φοβούνται ότι η ίδια η ιδέα είναι πολύ αμφισβητούμενη. Ένας, πάντως, ο Δρ Richard Paris, μαθηματικός στο πανεπιστήμιο Abertay στο Νταντή έχει επαληθεύσει τους υπολογισμούς. Κι ενώ οι θεωρητικές αναλύσεις, μπορούν φυσικά ακόμα και να κάνουν λάθος, δεν υπάρχει καμία άρνηση ότι η πρωτότυπη συσκευή εμφανίζεται να συμπεριφέρεται όπως προβλέπεται.

Ένα περίεργο γεγονός του κατασκευασμένου πρωτοτύπου είναι ότι όταν ανάβει, θέλει μερικά δευτερόλεπτα για να φτάσει στην πλήρη ώθηση. Ο Shawyer αρχικά υποψιάστηκε ότι η φαινόμενη ώθηση μπορεί να οφείλεται σε κάποιο φαινόμενο άνωσης, η οποία να προκύπτει από τη θερμότητα που παρήχθη μέσα στο κουτί με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Εντούτοις, μια προσεκτική μοντελοποίηση και ανάλυση έδειξε ότι το φαινόμενο προκύπτει καθαρά από τα κύματα μέσα στον κυματοδηγό ή αντηχείο.

Η συσκευή χρησιμοποιεί ένα χάλκινο αντηχείο, που γεμίζει με μικροκύματα συχνότητας 2.5 GHz, τα οποία προέρχονται από ένα μάγνητρον, δίδοντας 850 W που σημαίνει αποδοτικότητα περίπου 70%. Το σύστημα περικλείεται με μια ειδική περίφραξη για λόγους ασφάλειας, ενώ το συνολικό βάρος των συσκευών είναι μόνο 15 kg. Όταν ανάβει η πηγή των κυμάτων και τοποθετείται με τη μία πλευρά προς τα πάνω ασκεί μια δύναμη 15 kgf + 2 gf, ενώ όταν τοποθετείται αντίθετα ασκεί μια δύναμη 15 kgf - 2 gf. Τα μηχανήματα ζυγίζουν μόνο 9.4 kg, το υπόλοιπο βάρος είναι αυτό της προστασίας των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων).

Μια δύναμη 2 gf, ή 0.02 N, μπορεί να μην ακούγεται πολύ, αλλά σε ένα διαστημικό σκάφος όπου η βαρύτητα είναι αμελητέα, είναι πολύ μεγάλη, επειδή μπορεί να ασκείται συνεχώς για ώρες, μέρες, εβδομάδες, μήνες ή και χρόνια. Ένας δορυφόρος 3 τόνων μεταφέρει συνήθως 1,7 τόνους προωθητικού υλικού. Εάν δεν θα χρειαζόταν τέτοιο υλικό, τότε το βάρος του θα έπεφτε στο μισό, και έτσι θα έπεφτε δραματικά το κόστος προώθησης κάθε δορυφόρου (αυτήν την περίοδο κοστίζει τουλάχιστον 140 εκατομμύρια με ένα ρωσικό πύραυλο).

Επίσης θα μεγάλωνε κατά πολύ την οικονομικά ενεργή ζωή του δορυφόρου, επειδή αυτή προς το παρόν τελειώνει όταν τελειώσουν τα καύσιμα, και δεν είναι σε θέση να διατηρηθεί στην σωστή τροχιά. Το τελικό αποτέλεσμα είναι η αυξανόμενη οικονομική βιωσιμότητα των δορυφορικών συστημάτων επικοινωνιών και της ναυσιπλοΐας, ειδικά εκείνων που έχουν προς το παρόν οριακά οικονομικά οφέλη.

Πριν ένα χρόνο περίπου μια ομάδα ειδικών από την Planetry Society, δοκίμασαν να θέσουν σε τροχιά γύρω από τη Γη ένα ηλιακό ιστίο που το ονόμασαν Cosmos. Το ιστίο είχε εμβαδόν περίπου 600 τ.μ., Οι δε κατασκευαστές του υπολόγισαν πως η ηλιακή ακτινοβολία που θα προσέπιπτε στο ιστίο, θα δημιουργούσε μια δύναμη τριών εκατομμυρίων millinewton η οποία, αναλογικά, θα ήταν ικανή μετά βίας να σηκώσει ένα πούπουλο στην επιφάνεια της Γης.

Όμως στο Διάστημα, όπου τα αντικείμενα δεν έχουν βάρος, η δύναμη αυτή θα αρκούσε για να προσδώσει στο πανί ικανοποιητική επιτάχυνση. Το πανί αυτό όμως χάθηκε μετά την απογείωση.

Υποθέτοντας ότι στην πράξη η μηχανή του θα δουλέψει, αν είναι σωστές οι θεωρητικές του αναλύσεις, είναι δυνατό να σκεφτεί κάποιος ότι η τεχνολογία θα προοδέψει αφάνταστα. Στο διάστημα, θα μείωνε το χρόνο του ταξιδιού προς τον Άρη από εννέα μήνες σε τρεις, καθιστώντας έτσι εφικτή την προτεινόμενη από τη NASA/ESA επανδρωμένη αποστολή στον Άρη.

Ο Roger Shawyer, ο εφευρέτης του Emdrive, σκοπεύει να εκχωρήσει το δικαίωμα εκμετάλλευσης της τεχνολογίας που δημιούργησε, σε κάποια μεγάλη διαστημική βιομηχανία η οποία θα κατασκευάσει έναν δορυφόρο και θα τον εφοδιάσει με τον συγκεκριμένο κινητήρα για να διαπιστωθεί στην πράξη πώς δουλεύει. Αν όλα πάνε σύμφωνα με τα σχέδιά του, τότε δεν αποκλείεται ο κινητήρας να δοκιμαστεί στο διάστημα μέσα στην επόμενη διετία. Υπολογίζει μάλιστα ότι η επαναστατική αυτή τεχνολογία προώθησης σκαφών θα μπορούσε να συμβάλει στην εξοικονόμηση έως και 10 δισεκατομμυρίων ευρώ από την πραγματοποίηση διαστημικών πτήσεων στα επόμενα 10 χρόνια.

Ο Βρετανός επιστήμονας πιστεύει πως ένας κινητήρας μικροκυμάτων, ο οποίος θα στηρίζεται στη χρήση υδρογόνου και θα επιτρέπει στα αυτοκίνητα να αιωρούνται ενάντια στη βαρύτητα, θα μπορούσε να αποτελέσει καθοριστικό παράγοντα στην απεξάρτηση από το πετρέλαιο.

Αυτό μπορεί να γίνει - όπως λέει ο Shawyer - με μια δραστική βελτίωση του παράγοντα του "Q" (του αντηχείου), πιθανό με μέσα που είναι διαθέσιμα σήμερα, αλλά με πολύ κόστος. Ο ίδιος επιμένει ότι μια τέτοια μηχανή δεν θα ήταν μια αντι μηχανή βαρύτητας, η οποία μπορεί ή δεν να είναι δυνατό να κατασκευαστεί, αλλά θα συμπεριφερόταν βεβαίως σαν τέτοια.

Τονίζει μάλιστα χαρακτηριστικά ότι χρειάζεσαι κάτι διαφορετικό για να πείσεις τον κόσμο να προχωρήσει στην αλλαγή. Ίσως το τέχνασμα γι' αυτόν τον σκοπό να είναι η ευχέρεια τού να κινείσαι με το αυτοκίνητό σου σε τρεις διαστάσεις και όχι σε δύο όπως συμβαίνει σήμερα.

Ένα από τα πιο περίεργα της ιδέας είναι ότι καθώς το μέγεθος κατεβαίνει, η συχνότητα των μικροκυμάτων ανεβαίνει. Ως εκ τούτου, μπορεί μια ημέρα να είναι πιθανόν να γίνουν πολύ μικρές τέτοιες προωθητικές μηχανές λειτουργώντας με την ίδια αρχή, αλλά τροφοδοτημένες από το φως.

Πηγές: NewScientist, www.emdrive.com, Wikipedia, Eureka.

Home