Seit der Geburt des Weltraumzeitalters wurde der Traum von einer Reise in ein anderes Sonnensystem mit der Rakete in Einklang gebracht, was die Geschwindigkeit und Größe des Raumfahrzeugs, das wir in den Weltraum starten, stark einschränkt. Wissenschaftler schätzen, dass es selbst mit den stärksten Raketentriebwerken heute etwa 50.000 Jahre dauern wird, bis wir unseren nächsten interstellaren Nachbarn, Alpha Centauri, erreichen. Wenn Menschen jemals hoffen, dass eine fremde Sonne aufgeht, sollten die Transitzeiten erheblich verkürzt werden.
Läuft das unmögliche EmDrive?
Unter den fortschrittlichen Motorkonzepten, die dies auf den Weg bringen könnten, haben nur sehr wenige so viel Aufregung - und Kontroversen - hervorgerufen wie der EmDrive. EmDrive wurde vor fast zwanzig Jahren erstmals beschrieben und wandelt Elektrizität in Mikrowellen um und leitet diese elektromagnetische Strahlung durch eine konische Kammer. Theoretisch können Mikrowellen Druck auf die Wände der Kammer ausüben und genug Schub erzeugen, um ein Raumschiff im Weltraum zu bewegen. Derzeit existiert EmDrive jedoch nur als Laborprototyp, und es ist noch unklar, ob es überhaupt Schub erzeugen kann. Wenn ja, dann sind es Kräfte, die nicht stark genug sind, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, geschweige denn den Apparat zu bewegen.
In den letzten Jahren haben jedoch mehrere Wissenschaftler, darunter die NASA, behauptet, mit EmDrive erfolgreich Schub erzeugt zu haben. Wenn dies zutrifft, stehen wir vor einem der größten Durchbrüche in der Geschichte der Weltraumforschung. Das Problem ist, dass der in diesen Experimenten beobachtete Schub so gering ist, dass es schwer zu sagen ist, ob er überhaupt existiert.
Die Lösung besteht darin, ein Instrument zu entwickeln, mit dem diese geringfügigen Schubmanifestationen gemessen werden können. Ein Team von Physikern der Deutschen Technischen Universität Dresden hat sich daher entschlossen, ein Gerät zu entwickeln, das dieses Problem löst. Das SpaceDrive-Projekt unter der Leitung des Physikers Martin Taimar befasst sich mit der Schaffung eines Instruments, das so empfindlich und immun gegen Störungen ist, dass die Diskussion ein für alle Mal beendet wird. Im Oktober präsentierten Taimar und sein Team auf dem Internationalen Astronautischen Kongress ihre zweiten experimentellen EmDrive-Messungen. Die Ergebnisse werden im August in Acta Astronautica veröffentlicht. Basierend auf den Ergebnissen der Experimente sagt Taimar, dass die Auflösung der Saga mit EmDrive in ein paar Monaten auf uns wartet.
Viele Wissenschaftler und Ingenieure glauben nicht an EmDrive, weil es gegen die Gesetze der Physik verstößt. Die Mikrowellen, die auf die Wände der EmDrive-Kammer drücken, scheinen ex nihilo Schub zu erzeugen, dh aus dem Nichts heraus, was der Erhaltung der Impulswirkung und der Nichtreaktion entgegensteht. EmDrive-Befürworter wiederum suchen nach Antworten in cleveren Interpretationen der Quantenmechanik und versuchen zu verstehen, wie EmDrive funktionieren könnte, ohne die Newtonsche Physik zu brechen. "Aus theoretischer Sicht nimmt es niemand ernst", sagt Taimar. Wenn EmDrive in der Lage ist, Schub zu erzeugen, wie einige Gruppen behaupten, "hat niemand eine Ahnung, woher er kommt." Wenn es in der Wissenschaft eine theoretische Lücke dieser Größenordnung gibt, sieht Taimar nur einen Weg, sie zu schließen: experimentell.
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Ende 2016 versammelten sich Taimar und 25 andere Physiker in Estes Park, Colorado, zur ersten Konferenz über EmDrive und verwandte exotische Antriebssysteme. Eine der interessantesten Präsentationen hielt Paul Marsh, ein Physiker im Eagleworks-Labor der NASA, wo er und sein Kollege Harold White verschiedene Prototypen von EmDrive testeten. Laut Marshs Präsentation und einem anschließenden Bericht im Journal of Propulsion and Power beobachteten er und White in ihrem EmDrive-Prototyp mehrere zehn Mikronewton Schub. Zum Vergleich: Ein einzelner SpaceX Merlin-Motor erzeugt auf Meereshöhe etwa 845.000 Newton Schub. Das Problem für Marsh und White war jedoch, dass ihr Versuchsaufbau mehrere Störquellen enthielt, sodass sie nicht sicher sagen konnten, was den Schub verursachte.oder ein bestimmtes Hindernis.
Taimar und das Dresdner Team verwendeten eine exakte Nachbildung des im NASA-Labor verwendeten EmDrive-Prototyps. Es ist ein abgeschnittener Kupferkegel - mit abgeschnittener Oberseite - knapp einen Fuß lang. Dieses Design wurde von dem Ingenieur Roger Scheuer erfunden, der EmDrive erstmals 2001 beschrieb. Während des Tests wird der EmDrive-Kegel in eine Vakuumkammer gegeben. Außerhalb der Kamera erzeugt das Gerät ein Mikrowellensignal, das über Koaxialkabel an Antennen im Kegel übertragen wird.
Dies ist nicht das erste Mal, dass ein Team in Dresden versucht, eine kaum wahrnehmbare Stärke zu messen. Sie entwickelten ähnliche Geräte für Ionenmotoren, mit denen Satelliten im Weltraum genau positioniert werden. Diese Mikronewton-Triebwerke helfen Satelliten, schwache Phänomene wie Gravitationswellen zu erkennen. Das Studium von EmDrive und ähnlichen Motoren ohne Kraftstoff erfordert jedoch eine Auflösung von Nanonewton.
Der neue Ansatz bestand darin, eine Torsionswaage zu verwenden, eine Pendelwaage, die das auf die Pendelachse ausgeübte Drehmoment misst. Eine weniger empfindliche Version dieser Waage wurde auch vom NASA-Team verwendet, als sie entschieden, dass der EmDrive Schub erzeugt. Um diese kleine Kraft genau zu messen, verwendete das Dresdner Team ein Laserinterferometer, um die physikalische Verschiebung der vom EmDrive erzeugten Ausgleichsgewichte zu messen. Ihre Torsionsskalen haben eine Auflösung von Nanonewton und unterstützen mehrere Kilogramm Triebwerke, sagte Taimar, was sie zu den empfindlichsten Schubskalen überhaupt macht.
Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass wirklich empfindliche Schubgewichte nützlich sind, wenn Sie nicht feststellen können, ob es sich bei der erkannten Kraft um Schub handelt und nicht um eine externe Störung. Und es gibt viele alternative Erklärungen für Marshs und Whites Beobachtungen. Um festzustellen, ob der EmDrive tatsächlich Schub erzeugt, müssen Wissenschaftler in der Lage sein, das Gerät vor Störungen durch Erdmagnetfelder, seismischen Schwingungen in der Umgebung und Wärmeausdehnung des EmDrive im Zusammenhang mit Mikrowellenerwärmung zu schützen.
Taimar sagte, dass eine Optimierung des Torsionsausgleichsdesigns - um das EmDrive-Netzteil besser zu steuern und es vor Magnetfeldern zu schützen - eine Reihe von Interferenzproblemen lösen wird. Es war viel schwieriger, das Problem der "thermischen Drift" zu lösen. Wenn der EmDrive mit Strom versorgt wird, erwärmt sich der Kupferkegel und dehnt sich aus, wodurch sich sein Schwerpunkt so stark verschiebt, dass das Torsionsgleichgewicht eine Kraft registriert, die mit Traktion verwechselt werden könnte. Taiman und sein Team hofften, dass eine Änderung der Ausrichtung des Motors zur Lösung dieses Problems beitragen würde.
In 55 Experimenten haben Taimar und seine Kollegen eine durchschnittliche Kraft von 3,4 Mikronewton von EmDrive aufgezeichnet, was der bei der NASA gefundenen sehr ähnlich war. Leider kamen diese Kräfte anscheinend nicht zum thermischen Verschiebungstest. Sie waren charakteristischer für die Wärmeausdehnung als für den Schub.
Aber für EmDrive geht die Hoffnung nicht verloren. Taimar und Kollegen entwickeln außerdem zwei zusätzliche Arten von Schubgewichten, einschließlich einer supraleitenden Waage, mit deren Hilfe Fehlalarme, die durch thermische Drift verursacht werden, beseitigt werden können. Wenn sie die Kraft von EmDrive in dieser Größenordnung finden, ist es wahrscheinlich wirklich ein Schub. Wenn die Skala jedoch keinen Schub erkennt, bedeutet dies, dass alle vorherigen Beobachtungen des EmDrive-Schubes falsch positiv waren. Taimar hofft, noch vor Jahresende ein endgültiges Urteil zu erhalten.
Aber selbst negative Ergebnisse bedeuten für EmDrive kein Urteil. Es gibt viele andere Arten von Motoren ohne Kraftstoff. Und wenn Wissenschaftler jemals neue Formen von Bewegungen mit geringem Schub entwickeln, helfen hochempfindliche Traktionsskalen dabei, Fiktion von Fakten zu trennen.
Ilya Khel
