Экология познания.Наука и техника: EmDrive относится к категории гипотетических машин, использующих в своей работе модель «РЧ тягового полостного резонатора», такие устройства работают за счет магнетрона, испускающего микроволны в закрытую металлическую камеру в форме усеченного конуса, которые затем отражаются от ее задней стенки, передавая реактивную тягу аппарату.

Даже если вы не интересуетесь двигательными установками для космических аппаратов, вам наверняка приходилось слышать об устройстве EmDrive. Упоминание о двигателе часто встречается в заголовках, описывающих его как революционную технологию, способную перевернуть представления о межзвёздных путешествиях, критически сократить время полетов между планетами как внутри Солнечной системы, так и за ее пределами и воплотить в жизнь давние мечты человечества о доступном космосе.

Это достаточно громкие и амбициозные заявления и в свое время, комментируя подобные вещи, великий астрофизик и космолог, пионер в области экзобиологии Карл Саган (Carl Sagan) сказал, что «экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств». Руководствуясь этим мы и попытаемся объяснить, что же на самом деле представляет собой этот нашумевший EmDrive, и действительно ли он является ключевой технологией, которая позволит людям покорить далекие звезды.

Итак, все что вам нужно знать о «невозможном» двигателе мы попытались изложить в одной непродолжительной статье, поехали.

ЧТО ТАКОЕ EMDRIVE?

EmDrive – это двигатель-загадка. Впервые разработка была представлена аэрокосмическим инженером Роджером Шоером (Roger Shawyer) в 2001 году, а суть технологии может быть описана, как «бестопливный ракетный двигатель», в том смысле, что для него не требуется горючего, в традиционном представлении. Отсутствие на борту больших объемов топлива сделает космические корабли более легкими, их будет проще приводить в движение и, теоритически, их производство станет намного дешевле. Кроме того, гипотетический двигатель позволит достигать неимоверно высоких скоростей: астронавты смогут добираться до внешних границ Солнечной системы всего лишь за считанные месяцы.

Все дело в том, что сама по себе концепция движения без реактивного выброса массы «не стыкуется» с ньютоновским Законом сохранения импульса, который утверждает, что внутри замкнутой системы линейный и угловой моменты остаются постоянными величинами, вне зависимости от изменений, происходящих внутри этой системы. Проще говоря, если к телу не приложить внешнюю силу, то сдвинуть его с места невозможно.

Загадочный электромагнитный двигатель, который создает тягу безо всяких реактивных процессов, также нарушает и Третий (не менее фундаментальный) закон Ньютона: «На каждое действие всегда есть равное и противоположное противодействие». Так как же тогда «действие» (реактивное движение космического аппарата) происходит без «противодействия» (сжигания топлива и реактивного выброса масс) и как вообще такое возможно? Если система работает, это значит в ней задействованы силы или явления неизвестной природы или же наше понимание законов физики абсолютно ошибочно.

ПРИНЦИП РАБОТЫ EMDRIVE

Оставив на некоторое время физическую «невозможность» технологии, давайте определимся, что она собой представляет. Итак, EmDrive относится к категории гипотетических машин, использующих в своей работе модель «РЧ тягового полостного резонатора» (RF resonant cavity thruster). Такие устройства работают за счет магнетрона, испускающего микроволны в закрытую металлическую камеру в форме усеченного конуса, которые затем отражаются от ее задней стенки, передавая реактивную тягу аппарату. Опять же, выражаясь обычным языком, тело просто «отталкивается» от самого себя (как всё-таки глупы были люди, не верившие Барону Мюнхгаузену, когда он рассказывал о том, как вытащил себя за волосы из болота).

Такой принцип движения в корне отличается от того, что используют современные космические корабли, сжигающие огромное количество топлива для производства энергии, подымающей в небо массивные аппараты. Одной из метафор, раскрывающих суть «невозможности» такой технологии, может также стать предположение, что сидящий в салоне незаведенного автомобиля водитель способен сдвинуть его с места - всего лишь надавив, как следует, на рулевое колесо.

Несмотря на то, что было проведено несколько успешных тестов экспериментальных прототипов – с очень небольшим, порядка нескольких десятков мкН, выделением энергии (вес мелкой монеты) – итоги ни одного из исследований не были опубликованы в каком-либо рецензируемом журнале. Это значит, что к любым положительным результатом нужно относится с долей здорового скептицизма, который допускает, что зафиксированная тяга могла быть неучтенной силой или ошибкой аппаратуры.

Пока технология не получила соответствующего научного подтверждения, логично было бы предположить, что EmDrive, на самом деле, не работает. Однако есть множество людей, которые опытным путем доказали, что «невозможный» электромагнитный двигатель все-таки работает:

В 2001 году Шойер получил от британского правительства грант в размере £45 000 на тесты для EmDrive. Он заявил, что в ходе испытаний была получена тяга силой 0,016 Н и для этого потребовалось 850 Вт энергии, однако не одна экспертная оценка не подтвердила результат. Причем цифры были настолько малы, что легко могли сойти за погрешность измерительной техники.

В 2008 году группа китайских ученых Северо-западного политехнического университета во главе с Ян Хуаном (Yang Juan), по их заявлению, подтвердила дееспособность технологии создания тяги за счет электромагнитного резонанса и позднее разработала свою собственную рабочую модель двигателя. С 2012 по 2014 год было проведено несколько удачных тестов, в которых удалось получить тягу силой 750 миллиньютон при затраченных на это 2500 ватт энергии.

В 2014 году исследователи NASA протестировали свою модель EmDrive, причем испытания проходили также и в условиях вакуума. И снова ученые отрапортовали об успешном эксперименте (они зафиксировали тягу в 100 мкН) результаты которого, опять, не были подтверждены независимыми экспертами. В тоже время, другая группа ученых космического агентства весьма скептично отозвалась о работе коллег – однако, ни опровергнуть, ни подтвердить возможность технологии так и не смогла, призвав к проведению более глубоких исследований.

В 2015 году эта же группа NASA протестировала другую версию двигателя Cannae Drive (бывший Q-drive), созданную инженером-химиком Гвидо Фетта (Guido Fetta) и заявила оположительном результате. Практически в одно время с ними, немецкие ученые из Дрезденского технологического университета также опубликовали результаты, в которых предсказуемо подтвердили наличие «невозможной» тяги.

И уже в конце 2015 , еще один эксперимент от НАСА, проведенный группой Eagleworks (космический центр имени Джонсона) окончательно подтвердил состоятельность технологии. Тестирование проводилось с учетом предыдущих ошибок и, тем не менее, результаты оказались положительными – двигатель EmDrive производит тягу. В то же время, исследователи допускают, что обнаружились новые неучтенные факторы, одним из которых может быть тепловое расширение, ощутимо влияющее на устройство в условиях вакуума. Будет ли передана работа на рассмотрение экспертам или нет, ученые из Исследовательского центра Гленна, Кливленд, штат Огайо, Лаборатории реактивного движения НАСА и Лаборатории прикладной физики университета Джонса Хопкинса уверены, что продолжать эксперименты стоит.

ЧЕМ НАМ «СВЕТИТ» EMDRIVE

Вообще научное сообщество очень осторожно воспринимает все, что связано с EmDrive и с электромагнитными резонансно полостными двигателями в целом. Но с другой стороны, такое количество исследований вызывает несколько вопросов. Почему к технологии такой повышенный интерес и почему столько людей хотят ее протестировать? Что на самом деле может предложить двигатель с таким привлекательным концептом?

От разного рода атмосферных спутников и до более безопасных и эффективныхавтомобилей – такую широкую сферу применения пророчат новому устройству. Но главным, по-настоящему революционным последствием его внедрения являются невообразимые горизонты, которые открываются для космических путешествий.

Потенциально, корабль, оснащенный двигателем EmDrive, способен добраться до Луны всего за несколько часов, до Марса – за 2-3 месяца и до Плутона – примерно за 2 года (для сравнения: на то, чтобы долететь до Плутона зонд New Horizons потратил более 9 лет). Это достаточно громкие заявления, однако, если выяснится, что технология имеет под собой реальное основание, эти цифры не будут настолько фантастическими. И это с учетом, того что нет нужды перевозить тонны горючего, производство космических аппаратов станет более простым, а сами они будут намного легче и значительно дешевле.

Для НАСА и подобных организаций, включая множество частных космических корпораций вроде SpaceX или Virgin Galactic легковесный и доступный корабль, способный быстро добираться до самых отдаленных уголков Солнечной системы, является вещью, о которой пока можно только мечтать. Тем не менее, для реализации технологии, науке еще придется потрудиться.

В то же время, Шойер твердо убежден, что для того, чтобы объяснить, как работает EmDrive, не требуется никаких псевдонаучных или квантовых теорий. Наоборот, он уверен, что технология не выступает за рамки действующей модели ньютоновской механики. В подтверждение своих слов он написал несколько статей, одна из которых сейчас находится на рецензировании. Ожидается, что документ будет опубликован в этом году. Вместе с тем, его прошлые работы подверглись критике за некорректные и непоследовательные научные изыскания.

Несмотря на его настойчивые утверждения о том, что двигатель работает в пределах существующих законов физики, Шойер умудряется делать и несколько фантастичные предположения относительно EmDrive. Например, он заявил, что новый двигатель работает за счет варп-поля и именно поэтому последние результаты NASA были успешными. Такие выводы привлекли массу внимания онлайн сообщества. Однако, опять-же, на сегодняшний день нет прозрачных и открытых подтверждающих данных, и для того чтобы технологию восприняла официальная наука нужно провести еще не одно глубокое исследование.

Колин Джонсон (Colin Johnston), сотрудник Планетария Арма, написал , в которой раскритиковал EmDrive и неубедительные результаты множества проведенных экспериментов. Кроме того, Кори С. Пауэлл (Corey S. Powell) из Discovery, вынес свой для двигателей EmDrive и Cannae Drive, точно также, как и для исследований NASA. Профессор математики и физики Джон С. Баэз вообще назвал концепцию этой технологии «вздором» и его заключения отражают настроения многих ученых.

Двигатель EmDrive был воспринят многими с воодушевлением, среди них – вебсайтNASASpaceFlight.com , где была размещена информация о последних экспериментах Eagleworks, и популярный журнал New Scientist , который написал положительный и оптимистический отзыв об электромагнитном двигателе, в котором, тем не менее, не забыл упомянуть о необходимости предоставления дополнительных фактов, обязательных для таких спорных вопросов. Кроме того, энтузиасты со всего мира принялись строить свои модели двигателей с тягой «неизвестного происхождения», одну из интересных рабочих версий , созданную в «гаражных» условиях, предложил румынский инженер Юлиан Берка (Iulian Berca).

Прежде чем делать однозначные выводы, важно помнить о том, что физика в принципе исключает появление какой-либо тяги в EmDrive и ему подобных устройствах. Тем не менее, действительно доказанные рабочие варианты двигателей на электромагнитных волнах могут отрыть до сих пор невиданные возможности как для космического, так и наземноготранспорта и перевернуть современную науку с ног на голову. А пока большинство ученых склонны относить EmDrive к категории научной фантастики. опубликовано

Независимо от того, что произойдет дальше, Роджер Шоер может гордиться. Нельзя узнать, будет ли его революционный двигатель EM Drive воплощен в жизнь, но его идея уже не выглядит такой абсурдной, как это было в прошлом. Несмотря на десятилетия скептицизма и отрицания, технология Шоера наконец-то начинает восприниматься учеными. Вопрос лишь в том, куда исследователи зайдут с ней.

Нарастающая популярность EM Drive была вызвана отчетами НАСА, которые подтверждают, что двигатель может произвести некоторое количество надежной тяги. Но в тоже время космическое агентство дистанцируется от результатов. В более свежем докладе говорится, что испытания проводились в вакуумной камере, отвечая критикам, которые отмечали несостоятельность тестов двигателя в условиях атмосферы.
Главной особенностью EM Drive является то, что этот двигатель реактивной тяги якобы не требует топлива. Это означает, что набор из нескольких EM Drive может питаться от солнечных батарей и производить небольшое бесконечное ускорение, тем самым, решая многие из наиболее сложных проблем далеких космических полетов. Исследователь Eagleworks Гарольд Уайт предсказывает, что пилотируемый космический корабль может добраться до Марса всего за 70 дней, используя всего 0,4 ньютона / кВт, что приблизительно в 10 раз энергоэффективней современного ионного двигателя.

Но его бестопливная природа противоречит закону сохранения импульса, так как он будет производить фронтальную силу без равной ей противоположной по направлению силы. Таким образом, EM Drive представляется своего рода вечным двигателем.
Маловероятно, что Шоер построил первый в мире двигатель, опровергающий фундаментальные законы физики, но вполне возможно, что EM Drive сохраняет импульс с помощью какого-то неизвестного нам процесса. Наиболее часто упоминаемым является процесс поляризации вакуума, в котором подразумевается создание короткоживущих частиц в космическом вакууме, которые EM Drive превращает в плазму и выбрасывает в определенном направлении. Если эта идея верна, то двигатель все еще использует некий вариант топлива, таким образом, оставаясь в рамках физических законов вселенной.

Также возможно, что EM Drive является своего рода прообразом двигателя варп-двигателя из Стар Трека - его электрическое поле сжимает пространство в передней части привода и расширяет сзади. НАСА Eagleworks испытывали его с лазерными импульсами, и выявили, что двигатель вызывает искажение лазера. Это могло быть из-за искажения пространства и времени, но данные исследования проводились в атмосфере, а не в вакууме. Далее исследователи могут начать эксперименты с интерферометром в вакууме, чтобы исключить возможность того, что воздух вызывает наблюдаемые лазерные дифракции.

В данный момент до практического применения EM Drive еще очень далеко, хотя такие эксперименты показывают, что его принцип работает. Двигатель все еще является предметом научной полемики, но то, что для тестирования ускорителя привлекаются серьезные ученые из высших инстанций, доказывает, что EM Drive не такой уж безнадежный, как многие утверждают.

Успешное освоение космоса постоянно требует от человечества изучения и открытия новых технологий, которые позволили бы иметь более мощное оборудование и создавать системы обеспечения жизни экипажа для дальнейших космических полетов. Одной из таких революционных технологий может стать гипотетический электромагнитный двигатель EmDrive, который до недавнего времени считался невозможным. Однако в 2016-м году NASA опубликовало результаты исследования и проведенных экспериментов двигателя, которые доказывают его работоспособность. Следующий шаг американского космического агентства в исследовании данного вопроса – проведение экспериментов над двигателем EmDrive в открытом космосе.

Но начнем по порядку

Принцип работы реактивного двигателя

Прежде всего, кратко рассмотрим принцип работы рядового двигателя ракеты. Есть три наиболее популярных типа ракетных двигателей:

• Химический – наиболее распространенный тип ракетного двигателя. Его принцип работы следующий: в зависимости от агрегатного состояния топлива (твердотопливный или жидкостный двигатель) тем или иным способом окислитель смешивается с горючим, образуя топливо. После химической реакции - топливо сгорает, оставляя после себя продукты сгорания - быстро расширяющийся разогретый газ. Струя этого газа и выходит из сопла ракеты, формируя так называемое «рабочее тело», представляющее собой ту самую «огненную» струю, которую мы часто наблюдаем, например, в телепередачах или фильмах.
• Ядерный – тип двигателя, в котором газ (например, водород или аммиак) нагревается в результате получения энергии от ядерных реакций (ядерный распад или синтез).
• Электрический – двигатель, в котором разогревание газа происходит за счет электрической энергии. Например, термический тип такого двигателя разогревает газ (рабочее тело) при помощи нагревательного элемента, в то время как статический тип – ускоряет движение частиц газа при помощи электростатического поля.

Сборка реактивного двигателя

Корпус такого двигателя обязан состоять из неплавящегося металла.

Независимо от выбора типа двигателя, для его работы потребуется внушительный запас топлива, которое делает космический корабль значительно тяжелее и требует большей мощности от того же двигателя.

Двигатель EmDrive – что это и как работает?

В 2001-м году британский инженер Роджер Шойер предложил новый тип электрического двигателя, принцип которого в корне отличается от принципа работы перечисленных выше двигателей.

Конструкция представляет собой закрытую металлическую камеру (резонатор) в форме усеченного конуса (нечто вроде ведра с крышкой), который имеет определенный коэффициент отражения микроволнового излучения. Подключенный к конусу магнетрон генерирует электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне, которое поступает в резонатор и создает там так называемую стоячую волну. За счет резонанса энергия колебания микроволн возрастает.

Как известно, свет, или электромагнитное излучение, оказывает давление на поверхность. По причине сужения камеры в одну сторону, давление микроволн на меньшее основание усеченного конуса – меньше, чем давление на большее основание. Если рассматривать камеру как закрытую систему, то результатом описанного выше эффекта будет лишь нагрузка на материал камеры, причем на одну ее сторону – больше. Однако, создатель концепции двигателя EmDrive утверждает, что данная система является открытой по причине предельной скорости движения электромагнитного излучения («скорость света»).

Физический принцип действия такого двигателя не ясен в полной мере. Роджер Шойер убежден, что объяснения данной технологии возможно в рамках всем известной ньютоновской механики. Вероятно, в силу наличия коэффициента отражения микроволнового излучения в камере, некоторая малая часть излучение выходит наружу, за пределы резонатора, что делает систему открытой. В то же время, выход излучения со стороны большего основания усеченного конуса происходит в большей степени по причине большей площади основания. Тогда выходящее микроволновое излучение будет аналогом рабочего тела, которое и создает тягу, движущую космический корабль в обратном направлении от излучаемых микроволн.

В то же время, исследователи НАСА предполагают, что истина действия двигателя лежит намного глубже, в квантовой механике, в общей теории относительности, согласно которой система является открытой. Максимально упростив теорию, можно сказать, что частицы могут исчезать и рождаться в замкнутом контуре пространства-времени.

Возможность реализации двигателя подобным методом оценивали несколько научно-исследовательских организаций, в том числе и НАСА.

Результаты экспериментов

В течение 15-ти лет было проведено множество экспериментов. И хотя результаты большинства из них подтверждали работоспособность концепции двигателя, мнение независимых экспертов отличалось от мнения экспериментаторов. Главной причиной опровержения результатов экспериментов является факт неверной постановки и осуществления эксперимента.

Наконец-то за исследования двигателя EmDrive взялось американское космическое агентство, которое обладает достаточными ресурсами для создания эксперимента, способного вынести окончательный вердикт. А именно - экспериментальная лаборатория НАСА – Eagleworks, где был сконструирован прототип двигателя EmDrive. Двигатель помещался в вакуум, где исключена какая-либо тепловая конвекция, и оказалось, что прототип действительно способен выдавать тягу. Согласно , в лаборатории удалось получить тягу, имеющую коэффициент мощности 1,2±0,1 мН/кВт. Этот показатель пока значительно ниже, нежели мощность используемых сегодня ракетных двигателей, однако примерно в сто раз выше, чем мощность фотонных двигателей и солнечных парусов.

С выходом отчета об эксперименте, вероятно, эксперимент над двигателем в земных условиях окончен. Дальнейшие эксперименты над EmDrive НАСА планирует провести в космосе.

Применение

Наличие подобного двигателя в руках человечества значительно расширяет возможности освоения космоса. Начиная с относительно малого – EmDrive, установленный на МКС, значительно понизил бы запасы топлива на станции. Это позволило бы продлить срок эксплуатации станции, а также в разы сократить грузовые миссии по доставке топлива. Следовательно, сократиться финансирование миссий и поддержка работоспособности станции.

Если рассмотреть рядовой геостационарный спутник, на который будет установлен данный двигатель, то масса аппарата уменьшится более чем в два раза. Подобным образом наличие EmDrive скажется и на пилотируемом космическом корабле, который будет двигаться заметно быстрее.

Если еще поработать над мощностью двигателя, то согласно расчетам, потенциал EmDrive позволяет доставить на шестерых астронавтов и некоторое оборудование, после чего – вернуться на Землю – примерно за 4 часа. Аналогично полет до Марса, с подобной технологией, займет пару-тройку месяцев. Полет же до Плутона займет около двух лет. К слову, станции New Horizons потребовалось на это – 9 лет.

Подводя итоги, следует отметить, что технология EmDrive способна значительно повысить скорость космических кораблей, сэкономить на эксплуатации аппаратов, а также топливе. Кроме того, .

Евгений Золотов

Рассказ о «невозможном» двигателе EmDrive, стал одним из самых читаемых её материалов. И, конечно, я постоянно отслеживал тему, надеясь однажды написать продолжение. Но случай такой предоставился только на днях: солидным научным журналом опубликована статья группы сотрудников одной из лабораторий NASA, не просто испытавших движок, чтобы в очередной раз измерить возникающую тягу, но и предоставивших отчёт об испытаниях на суд независимых экспертов (то, что называется peer review), не выявивший серьёзных ошибок. А это значит, что возможность «невозможного» двигателя стала теперь ещё на порядок больше.

Если вы забыли или никогда не слышали, позвольте восстановить картину в общих чертах EmDrive, как его обычно называют, это по большому счёту обычная микроволновая печь, только выполненная не в форме куба, а в форме усечённого и, главное, закрытого с обеих сторон конуса. На узком конце крепится СВЧ-излучатель, включается, и - всё!

Топлива, которое выбрасывалость бы «за борт», здесь нет. Так что, согласно классической физике, а именно Закону сохранения импульса, тяга возникнуть не может. Однако изобретатели EmDrive (британский инженер Роджер Шаер и позже занявшиеся той же темой независимо другие личности) настаивают, что по разным причинам - из-за «квантовой несбалансированности» или ещё чего-нибудь в том же духе, что не учитывает современная физика - тяга таки имеет место быть и её, якобы, даже удалось измерить.

Заметьте, что Шаер и прочие вовсе не утверждают, что законы Ньютона неверны. Они лишь говорят, что наткнулись на эффект, который уточнит существующие законы. Это принципиально важный момент, который сильно помог «ЭМ-движителю» - обеспечив ему интерес со стороны серьёзных исследователей.

Отсюда начинается парадоксальная часть. С одной стороны, все здравомыслящие научно-популярные и научные ресурсы считают такой движок псевдонаучным. С другой - за него неожиданно взялись вполне серьёзные люди: сперва несколько научных групп из Китая, а потом и NASA. О китайцах с тех пор ничего не слышно, а вот американцы не потерялись: в США эта работа финансируется из кармана налогоплательщиков, поэтому результаты должны быть доступны всем.

И вот два года назад появляется первый, весьма обнадёживающий отчёт NASA: тяга действительно есть, хоть и по неизвестной причине. А на днях престижный Journal of Propulsion and Power публикует от сотрудников лаборатории NASA Eagleworks - в которой факт возникновения тяги снова подтверждается, причём в этот раз на чувствительном торсионном подвесе в вакууме (но по-прежнему на Земле). А ещё предлагается осторожное объяснение.

Объяснение - далеко не главная часть статьи, потому что является скорее догадкой, но именно оно наделало больше всего шуму. Дело в том, что привлечена существующая теория, которой буквально почти сотня лет: теория волны-пилота (Pilot wave). Её выдвинули ещё в 20-х годах прошлого века и потом несколько раз уточняли.

Боюсь, я объясню её лишь очень грубо (и буду признателен, если знатоки поправят!), но суть, в общем, в предположении, что мы вынуждены описывать квантовые процессы с помощью неудобных статистических методов лишь потому, что не замечаем некоей более низкоуровневой реальной динамики квантовых частиц - которые на самом деле движутся подобно макроскопическим телам, по вполне конкретным траекториям, определяемым свойствами вакуума. Здесь эта теория пригодилась, потому что позволяет объяснить вакуум как среду, поддерживающую колебания плотности: EmDrive передаёт вакууму импульс (отталкивается от него, словно от воды) и именно таким образом возникает тяга в замкнутой системе.

И тут следует подчеркнуть две важных вещи. Во-первых, теория волны-пилоты - не псевдонаучная выдумка, а одно из множества равновероятных объяснений квантовых процессов, которое удовлетворительно точно описывает наблюдаемые эффекты и подтверждается в том числе экспериментальными данными. И, во-вторых, сам факт публикации статьи NASA в таком издании как минимум снимает вопрос о корректности измерения тяги на подвесе (помнится, это был один из аргументов скептиков: мол, в настоящем космосе движок себя поведёт иначе). Попросту говоря, статью можно понимать так: в NASA не знают наверняка, почему тяга возникает, но знают, как её измерить - и простой читатель может на них в этом положиться.

Отсюда - новый простор для предположений. Опуская цифры, которым сейчас в общем-то придавать большого значения не следует (задачей была демонстрация существования эффекта, а поиск путей оптимизации - в списке на будущее), авторы работы констатируют: уже в текущем виде EmDrive хоть и на порядок менее эффективен классических ракетных движков, зато на два порядка эффективней других «безвыхлопных» движителей, как то солнечного паруса, разгона лазером, фотонного двигателя. Учитывая, что ограничение по скорости накладывается только скоростью света, а по мощности вообще никаких (ничто не мешает выстраивать такие двигатели буквально многокилометровыми батареями - хватило бы электричества, чтобы их запитать!), это делает EmDrive самым перспективным направлением для исследования и освоения Солнечной системы как минимум.

А значит, всё упирается теперь в генеральную проверку в космосе. Китайцы, напомню, уже намеревались такую провести. Провели ли и с какими результатами? Неизвестно. Однако в данном случае тишина заставляет скорее насторожиться, нежели разочароваться. Ведь ясно, что первый, кто подтвердит работу такого движка в космосе, а потом и первый, кто даст теоретическое обоснование, станут родоначальниками новой ветви физики и отцами неожиданных, непредсказуемых открытий и технологий!

Как хорошо сказал кто-то, представить, куда EmDrive приведёт нас, если окажется правдой, мы не в силах, поскольку стоим в самом начале пути. Как спектральные линии в конце концов привели к полупроводниковой революции, так и «невозможный двигатель» «отталкивающийся от вакуума», вовсе не обязательно должен стать лишь основой для ракетной техники будущего. Обязательно обнаружатся побочные эффекты, будут сделаны смежные открытия, поставлены новые вопросы: не каждый день, год и даже век удаётся уточнить или опровергнуть один из фундаментальных законов физики!

И как же приятно, что живём мы как раз в те дни, когда эта история пишется!

В научном журнале Американского института аэронавтики и космонавтики вышла статья, посвященная странному и спорному устройству — двигателю EmDrive. По мнению ряда физиков, эта конструкция в принципе не может работать. Это нарушало бы фундаментальный закон природы, сохранение импульса. Другие пытаются найти разумное объяснение того, почему EmDrive все-таки работает, или хотя бы надежные доказательства его работоспособности. Их привлекает зыбкая, но грандиозная цель — двигатель, способный превращать электричество в тягу без топлива или реактивной струи. Или же — окончательное закрытие многолетнего спора.

Научная публикация может стать важным шагом в истории «невозможного» двигателя. Несмотря на наличие десятков экспериментальных проверок, их результаты не были опубликованы в рецензируемых журналах. Этому мешает отсутствие теоретических основ, объясняющих работу EmDrive. К тому же многие эксперименты нельзя назвать «чистыми» — есть множество факторов, которые могут создать видимость работы двигателя. О них мы еще поговорим, а начнем с других вопросов.

Что это такое?

Это гипотетический двигатель, предложенный британским изобретателем Роджером Шойером. Питаясь электричеством, он (по утверждению Шойера и его не слишком многочисленных сторонников) создает слабую тягу без использования рабочего тела. На этот странный факт указывают и некоторые другие эксперименты. Однако вопиющее нарушение закона сохранения импульса заставляет с особой тщательностью подходить к таким заявлениям — и многие эксперты указывают на ошибки в постановке опытов, которые могли создать иллюзию слабой, но существующей тяги.

Устроен чудо-двигатель просто, собрать его может любой энтузиаст, осиливший управление паяльником. Он состоит из двух основных деталей: магнетрона и резонатора. Магнетрон — это вакуумная трубка, используемая для генерации излучения в обычной микроволновке. Она состоит из полого цилиндра-анода и центрального волоска-катода. Под действием напряжения с катода вылетают электроны и начинают двигаться по сложным траекториям внутри цилиндра, испуская микроволны. По волноводу они передаются от магнетрона в резонатор, похожий на медное ведро, закрытое крышкой. Как утверждает изобретатель двигателя Роджер Шойер, тут-то и начинается самое интересное.

По словам Шойера, главная фишка EmDrive — это форма резонатора. Изобретатель предполагает, что из-за разницы в диаметре передней и задней стенок (как у дна ведра и его крышки) на них действуют разные по величине силы, вызванные стоячей электромагнитной волной в резонаторе. Их равнодействующая и толкает двигатель вперед, создавая тягу, которая направлена в сторону «дна». Впоследствии, после нескольких спорящих с этой идеей сообщений, Шойер уточнил, что реальный механизм несколько сложнее и может быть связан с проявлением эффектов специальной теории относительности (СТО).

Что с ним не так?

В самом деле, если взглянуть на первое объяснение механизма работы двигателя, то окажется, что оно напоминает историю барона Мюнхгаузена, вытащившего себя и коня из болота за волосы. EmDrive — замкнутая система, которая ничего не выбрасывает в окружающее пространство. Такой объект не может увеличивать свой импульс без внешних воздействий, как и Мюнхгаузен не мог увеличить свой, как бы сильно он ни тянул. Сторонники двигателя парируют эти аргументы тем, что можно допустить отталкивание резонатора от вакуумного состояния или же привлечь к объяснению СТО. Однако физики неоднократно отмечали грубость таких оценок или отсутствие в них физического смысла.

Но все-таки суть заявлений Шойера состояла не столько в теоретических описаниях, сколько в том, что он якобы зафиксировал реальную тягу от двигателя. На своем сайте исследователь указывает величину тяги примерно в 200−230 мН/кВт — больше, чем у ионных двигателей, которые толкают космические аппараты, выбрасывая ускоренные в электрическом поле заряженные частицы.

Решив, что объяснять эту тягу — дело теоретиков, несколько групп экспериментаторов проверили EmDrive в своих лабораториях. Такую работу проделали исследователи из китайского Северо-Западного политехнического университета и Технического университета Дрездена. Недавно к ним присоединились и авторы статьи, вышедшей в Journal of Propulsion and Power, исследователи из подразделения NASA Eagleworks, которые традиционно занимаются наиболее спорными и «футуристическими» проектами агентства.

Есть, но маленькая?

Первые тесты дали вроде бы обнадеживающие результаты: на включенное устройство действовала некая сила. Однако ее значение оказалось намного меньше, чем предсказанная Шойером величина, причем чем аккуратнее был поставлен эксперимент, тем меньшая регистрировалась тяга. Но ведь дело в принципе: откуда она может вообще браться? Если не рассматривать путаных объяснений Шойера, то можно выделить несколько побочных процессов, которые теоретически могут обеспечить тягу. Это могут быть потоки воздуха, связанные с нагревом двигателя, или тепловое расширение самой экспериментальной установки. Слабую силу способно создавать отталкивание от зарядов, «оседающих» на стенах тестовой камеры, или взаимодействие EmDrive с магнитными полями проводов, или давление излучения, покидающего резонатор.

С потоками воздуха бороться проще всего — достаточно проводить испытания в вакууме. Такие тесты были проделаны учеными из Дрездена, которые обнаружили тягу на уровне всего 0,02−0,03 мН/кВт — на пределе погрешности измерений. Кроме того, физики отметили, что использовали резонатор (то самое медное «ведро») с невысокой добротностью. Излучение быстро покидало его, увеличивая шансы на вклад других побочных процессов. Сотрудники NASA Eagleworks получили немного бóльшие цифры — 1,2±0,1 мН/кВт. При этом они утверждают, что отследили все возможные источники побочных процессов.

Это много или мало?

Строго говоря, миллиньютон (мН) — это меньше, чем вес одной песчинки сахара. Но если говорить о реактивном полете в космосе, то даже тяга 1 мН, непрерывно действуя на протяжении нескольких лет, позволяет разогнать 100-килограммовый аппарат до приличных скоростей.

Можно подсчитать, что за десять лет такой зонд разгонится на 3 км/с и (с учетом стартовой второй космической скорости) преодолеет порядка 3,5 млрд км. Но если мы оценим тягу на уровне, который обещает Шойер (200 мН/кВт), то получим ускорение уже до 600 км/с и дистанцию в 660 астрономических единиц — расстояний от Солнца до Земли.

Так — слабо, но очень долго и экономно расходуя рабочее тело — действуют ионные и фотонные двигатели. Первые «выстреливают» в пространство заряженными ионами, разогнанными до десятков километров в секунду. Их тяга может достигать 60 мН/кВт, однако они требуют использовать рабочее тело — обычно запас инертного газа. К примеру, аппарат Dawn, который недавно завершил основную миссию по исследованию Цереры, был вынужден взять на борт 425 кг ксенона.

Фотонные двигатели обладают несравненно меньшей тягой, порядка нескольких микроньютонов на киловатт мощности лазерного излучения. Источником тяги в них выступает импульс фотонов, вылетающих в космическое пространство. Зато фотонные двигатели не требуют брать с собой ни топлива, ни рабочего тела.

В самом конце 2016 года Китайская академия космических технологий (CAST) сообщила, что уже несколько лет проводит собственные исследования потенциальных возможностей EmDrive и его применения. По словам одного из руководителей CAST Чэня Юэ, организация провела собственные, «многолетние и многократно повторенные» эксперименты, подтвердившие наличие у EmDrive тяги. Использованный в Китае прототип создавал всего несколько миллиньютонов, но в ближайшее время будут разработаны новые конструкции, рассчитанные на 100 мН и больше. Возможно, они будут испытаны уже на орбите.

Нельзя забывать о пассивных двигателях, не требующих ни электроэнергии, ни топлива для своей работы, — о солнечных парусах. Тяга, которую они развивают, определяется площадью паруса и расстоянием до Солнца. Около Земли 1 м² отражающего материала будет развивать тягу в 0,1 мН. Суммарная тяга японского экспериментального аппарата IKAROS с парусом в 200 м² достигала как раз 2 мН. Для понимания масштаба добавим, что тяга двигателей сверхтяжелой ракеты Saturn V, отправлявшей астронавтов на Луну, составляла 34 000 000 Н.

Может, они ошибаются?

Публикация работы в рецензируемом научном журнале означает, что статья прошла проверку несколькими независимыми экспертами в соответствующей области. Эта процедура поддерживает достаточно высокий уровень статей, но даже она не позволяет избежать ошибок.

Можно вспомнить, как в 2014 году международная коллаборация BICEP опубликовала результаты своих многолетних исследований в одном из самых престижных научных журналов Physical Review Letters. Ученые утверждали, что обнаружили следы гравитационных волн при изучении реликтового излучения. Однако эта трактовка была неверной, и сенсационные результаты оказались влиянием галактической пыли.

Журнал, в котором команда Eagleworks опубликовала свою работу, может похвастаться в семь раз меньшим индексом цитирования, чем Physical Review Letters. Поэтому существует даже мнение о том, что процедура рецензирования в нем не столь строга и могла пропустить работу, несмотря на огрехи. Стоит отметить, что и само подразделение NASA Eagleworks — совсем небольшая лаборатория с финансированием на уровне $50 000 в год. Этого с трудом может хватить на выполнение высокоточного исследования и покупку нужного оборудования.

Работает — и ладно?

Если б стопроцентные доказательства работоспособности EmDrive существовали, они потребовали бы серьезной работы теоретиков. Но пока отсутствие объяснения — незыблемая скала, о которую разбиваются все доводы слишком больших энтузиастов «невозможного двигателя». Оно даже стало аргументом для отказа в публикации ранних статей в серьезных научных журналах.

Люди попроще любят замечать, что «работает и ладно, не обязательно же знать как». Однако такой подход может привести к неожиданным проблемам в долгосрочных космических миссиях. Например, если работа двигателя связана с магнитным полем, то он может непредсказуемо повести себя среди магнитных полей открытого космоса. Никому не нужно, чтоб аппарат потерял свой единственный источник тяги где-нибудь на полпути к Марсу или далеким объектам пояса Койпера. Так что к классическому требованию предъявить надежные доказательства обязательно должно прилагаться и требование объяснить все происходящее в двигателе — но пока создатели EmDrive не могут показать ни того, ни другого.

Интересно проследить, зачем профессиональные ученые работают с такими сомнительными проектами. С одной стороны, открытие реальной тяги в EmDrive может указать на принципиально новые эффекты и долгожданную «новую физику» за границами существующих моделей. С другой стороны, «закрыв» тягу невозможного двигателя, ученые смогут наконец разрешить давно надоевший всем спор. А по пути — создать новые сверхточные методы для исследования сверхмалых сил.