David Brady moeten zich achter de oren hebben gekrabd in zijn lab in het tamelijk obscure Eagleworks Laboratories van NASA. Want waar komt de mysterieuze kracht vandaan die zijn proefopstelling lijkt te produceren, die geen grammetje massa uitstoot en in een vacuümkamer is opgesloten? Het apparaat heeft iets weg van een straalpijp van een raket, maar is volledig afgesloten. Binnenin de toelopende cilinder produceert Brady via antennes microgolven.
De door NASA geteste EmDrive creëert een stuwkracht zónder stuwstof. Dat gaat volkomen in tegen de wet van behoud van impuls, die juist stelt dat stuwstof altijd noodzakelijk is. Het is alsof een zeiler zijn boot aandrijft door in zijn eigen zeil te blazen. De claim van NASA zorgt daarom voor behoorlijk wat discussie. Aan de ene kant schiet het experiment bij veel wetenschappers in het verkeerde keelgat, want hoe kan een apparaat zich ontworstelen aan de ijzeren greep van zo’n belangrijke natuurwet? Aan de andere zijn er sciencefictionfans die de resultaten met open armen ontvangen. Eindelijk zijn verre ruimtereizen een wezenlijk stapje dichterbij!
Kennislink begeeft zich wetenschappelijk gezien op glad ijs en duikt in de wereld waarin de lijn tussen science en sciencefiction vervaagt.
Impressie van ruimtesonde Dawn.
NASA
Vrijwel alle manieren waarmee we door de ruimte reizen steunen op de wet van behoud van impuls. Samengevat komt het er op neer dat wanneer je iets in een vacuüm wilt versnellen, je gebruik moet maken van een stuwstof: iets waartegen het ruimteschip zich afzet. Dit zijn bijvoorbeeld snel ontsnappende gassen bij een klassieke raket en versnelde geladen deeltjes bij een ionenmotor, waarvan ruimtesonde Dawn er drie aan boord heeft.
Het gewicht van een veer
Als eerste moeten we natuurlijk naar het experiment kijken. 91 micronewton is de kracht die de EmDrive wist te produceren. Dat is de zwaartekracht van een gewicht van ongeveer 0,009 gram. Ter vergelijking: een veer is al drie keer zo zwaar. De onderzoekers genereerden de kracht eerst de ene kant op, en na het omdraaien van de opstelling ook de andere kant op. Ze gebruikten hiervoor een stroombron van 17 watt. Om de reeks compleet te maken, werd er ook een ‘nulmeting’ gedaan. Het experiment waarin de EmDrive buiten werking was gesteld leverde niets op.
Natuurlijk is de crux in dit experiment om ‘valse krachten’ te elimineren. Om er zeker van te zijn dat luchtstromingen door bijvoorbeeld verhitting geen kracht produceren, werden de experimenten uitgevoerd in een vacuümkamer bij een druk van 6,7 * 10-4 Pascal, een 150 miljoenste deel van de atmosferische druk. Niet het beste kunstmatige vacuüm op aarde, maar toch goed te noemen.
De NASA-wetenschappers beschreven de experimenten uitgebreid in een artikel dat werd gepresenteerd op een conferentie. Vooralsnog is het niet in een wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd.
Eerder werk
De experimenten van Brady en collega’s borduren voort op eerdere experimenten van de Britse ingenieur Robert Shawyer. Hij zou de EmDrive hebben uitgevonden en deed in 2002 de eerste experimenten met een oude magnetron. Zijn opstelling produceerde volgens hem een kracht van 0,02 newton. Vanaf 2004 test een groep Chinese wetenschappers van de Northwestern Polytechnical University in Xi’an een EmDrive. In een in 2013 gepubliceerd artikel claimen zij een kracht van 750 millinewton te hebben gemeten bij een opstelling met een vermogen van 2500 watt.
Netjes uitgevoerd
NASA zelf wil niet reageren op de nogal verrassende resultaten. Een persvoorlichter laat aan de telefoon weten dat er eerst nieuwe resultaten moeten zijn voordat ze de pers te woord kunnen staan. Uiteindelijk is Wim Beenakker, professor Theoretische Hoge Energie-Fysica van de Radboud Universiteit, bereid om eens kritisch naar het artikel te kijken.
Beenakker is best onder de indruk van de experimenten. “Het is netjes uitgevoerd”, zegt hij. “Ze hebben hun uiterste best gedaan om alles trillingsvrij te maken, draaien de opstelling om en doen een nulmeting.” Beenakker is er dan ook van overtuigd dat Brady en collega’s de boel niet proberen te belazeren. “Ze willen zelf óók graag weten hoe het kan dat ze een kracht meten.”
Maar de resultaten schreeuwen natuurlijk om een verklaring. Brady en collega’s gooien het op een interactie met virtuele deeltjes, de deeltjes die volgens de quantummechanica overal – zelfs in het lege vacuüm van de ruimte – opduiken en weer razendsnel verdwijnen. De NASA-onderzoekers beweren dat hun apparaat zich tegen die deeltjes zou kunnen afzetten.
Beenakker volgt die verklaring geenszins. “Ze vergelijken deze virtuele deeltjes eigenlijk met een plasma, waarin ontelbare geladen deeltjes rondwaren. Dat bestaat uit gewone materie waartegen een apparaat zich inderdaad kan afzetten. Waar het mis gaat is dat de virtuele deeltjes niet netto in beweging kunnen worden gebracht. Het is onmogelijk om ten opzichte van deze deeltjes te versnellen. Juist op dit punt wordt de wet van behoud van impuls geschonden. Ik vind hun uitleg eigenlijk maar een vage uitweg.”
In een maand naar Mars
Een sluitende verklaring of niet, wie weet werkt de EmDrive wel op een andere manier. De originele uitvinder Shawyer kwam al met een alternatieve (en bekritiseerde) verklaring waarin hij verschillen in stralingsdruk en de speciale relativiteitstheorie noemt. Maar misschien is een verklaring nu niet het belangrijkste. “Stel het zou een elektromagnetisch voortstuwingseffect zijn dat de wet van behoud van impuls niet schendt, dan is het nog steeds een heel erg interessante ontdekking”, zegt Beenakker.
De NASA-onderzoekers kunnen het in ieder geval niet laten om de lezers van hun artikel alvast even lekker te maken. Ze rekenen uit dat een reisje naar Mars – waar nu al gauw negen maanden voor nodig is – met een opgevoerde EmDrive in 22 dagen gepiept is. Daarvoor gebruiken ze overigens wel een 100 maal efficiëntere aandrijving en is een (nucleaire) stroombron nodig van 2 megawatt.
Maar Beenakker gelooft niet dat de snelle Marstripjes er gauw zullen komen. “Als je naar de verschillende experimenten kijkt die in de loop van de tijd zijn uitgevoerd, dan valt mij op dat de gemeten kracht in verhouding tot het vermogen van de stroombron steeds kleiner wordt”, zegt hij. “Het beste experiment geeft eigenlijk het slechtste resultaat! Wat als ze straks het perfecte experiment uitvoeren, blijft er dan nog wel een kracht over?”
Als hij nu een verklaring zou moeten bedenken voor de gemeten mysterieuze kracht, dan gaat Beenakker voor ‘lekkende’ elektromagnetische velden van elektrische aansluitpunten die op de grotendeels metalen opstelling werken. “Dat is iets waar de onderzoekers zich ook al druk om maken.”
Kracht of niet, Beenakker snapt wél goed waarom NASA onderzoek ‘op de rand van de wetenschap’ financiert. “Ze schieten wat dat betreft eigenlijk op alles. Misschien blijkt een deel daarvan uiteindelijk onzin. Maar als er straks ook maar één experimentele aandrijving blijkt te werken, dan is alles in één klap terugverdiend.”
Bron:
- Brady D. et al., Anomalous Thrust Production from an RF Test Device Measured on a Low-Thrust Torsion Pendulum, niet gepubliceerd (2014), online artikel