EmDrive - EmDrive

Informationen zu Triebwerken, die elektrische Energie verwenden, um die Geschwindigkeit von Raumfahrzeugen zu ändern, finden Sie unter Elektrisch angetriebener Raumfahrzeugantrieb . Für eine Rakete, die Schub aus dem Impuls der emittierten Photonen nutzt, siehe Photonenrakete .
EmDrive
EmDrive von Eagleworks in der Testkammer gebaut.jpg
EmDrive, das vom Eagleworks-Labor der NASA während der Experimente 2013-2014 gebaut wurde
Ursprungsland Vereinigte Staaten
Datum 2001
Anwendung Raumfahrzeug-Triebwerk
Status Gerätekonzept
Leistung
Schub (Meereshöhe) 0  N (0  ozf )

EmDrive ist ein Konzept für ein Hochfrequenz ( HF ) -Resonanzhohlraum-Triebwerk , von dem behauptet wird, dass es potenzielle Anwendungen als Raumfahrzeug-Triebwerk hat . Es soll Schub erzeugen, indem Mikrowellen im Inneren des Geräts reflektiert werden, was gegen den Impulserhaltungssatz und andere Gesetze der Physik verstößt . Das Gerät wurde von den Medien oft als das unmögliche Laufwerk bezeichnet . Es wurde 2001 von Roger Shawyer eingeführt.

Es gibt kein offizielles Design für dieses Gerät, und keiner der Leute, die behaupten, es erfunden zu haben, haben sich zu einer Erklärung dafür verpflichtet, wie es als Triebwerk funktionieren könnte oder welche Elemente es definieren, was es schwierig macht zu sagen, ob es sich bei einem bestimmten Objekt um ein Beispiel für ein solches Gerät. Es wurden jedoch mehrere Prototypen basierend auf seinen öffentlichen Beschreibungen gebaut und getestet. Im Jahr 2016 berichtete das Advanced Propulsion Physics Laboratory der NASA , dass bei einem solchen Test ein kleiner scheinbarer Schub beobachtet wurde, ein Ergebnis, das seitdem nicht mehr repliziert wurde, und nachfolgende Studien haben gezeigt, dass der beobachtete Schub ein Messfehler war, der durch Wechselwirkungen mit dem Erdmagnetfeld oder durch thermische Steigungen. Kein anderes veröffentlichtes Experiment hat einen scheinbaren Schub gemessen, der größer war als die Fehlerspanne des Experiments.

Im März 2021 veröffentlichten Physiker der TU Dresden drei Veröffentlichungen, in denen behauptet wurde, dass alle Ergebnisse, die Schub zeigten, falsch positiv waren, die durch äußere Kräfte erklärt wurden:

Wenn Strom in den EmDrive fließt, erwärmt sich der Motor. Dadurch verziehen sich auch die Befestigungselemente am Maßstab, wodurch sich der Maßstab auf einen neuen Nullpunkt bewegt. Das konnten wir in einer verbesserten Struktur verhindern. Unsere Messungen widerlegen alle EmDrive-Ansprüche um mindestens 3 Größenordnungen.

Darüber hinaus konnten die Dresdner Dresdner scheinbare Schubkräfte ähnlich denen des NASA-Teams nachbilden und bei der Messung mittels Punktaufhängung wieder verschwinden lassen.

Geschichte und Kontroverse

Raketentriebwerke arbeiten, indem sie Treibmittel ausstoßen , die als Reaktionsmasse wirken und Schub nach Newtons drittem Bewegungsgesetz erzeugen . In den 1960er Jahren wurden umfangreiche Forschungen an zwei Konstruktionen durchgeführt, die ionisierte Hochgeschwindigkeitsgase auf ähnliche Weise emittieren: Ionentriebwerke , die Treibmittel in Ionen umwandeln und diese über elektrische Potentiale beschleunigen und ausstoßen , und Plasmatriebwerke , die Treibmittel in Plasmaionen umwandeln und beschleunigen und werfen sie über Plasmaströme aus . Alle Konstruktionen für elektromagnetische Antriebe arbeiten nach dem Prinzip der Reaktionsmasse .

Ein Antrieb, der kein Treibmittel ausstößt, um eine Reaktionskraft zu erzeugen , der Schub liefert, während er ein geschlossenes System ohne äußere Interaktion ist, wäre ein reaktionsloser Antrieb . Ein solcher Antrieb würde die Impulserhaltung und das dritte Newtonsche Gesetz verletzen , was viele Physiker dazu bringen würde, die Idee der Pseudowissenschaft zu betrachten .

Der ursprüngliche Vorschlag für ein HF-Resonanzhohlraum-Triebwerk kam 2001 von Roger Shawyer. Er schlug ein Design mit einem konischen Hohlraum vor, das er "EmDrive" nannte. Er behauptete, dass es einen Schub in Richtung des Bodens des Hohlraums erzeugte. Guido Fetta baute später den Cannae Drive nach Shawyers Konzept als resonantes Triebwerk mit einem pillenkastenförmigen Hohlraum. Seit 2008 haben einige Physiker ihre eigenen Modelle getestet und versucht, die von Shawyer und Fetta behaupteten Ergebnisse zu reproduzieren. Juan Yang bei Xi'an ‚s Northwestern Polytechnischen Universität (NWPU) konnte nicht reproduzierbar Schub von ihren Modellen zu messen, im Laufe von 4 Jahren. Im Jahr 2016 berichtete die Gruppe von Harold White am Advanced Propulsion Physics Laboratory der NASA im Journal of Propulsion and Power, dass ein Test ihres eigenen Modells einen kleinen Schub beobachtet hatte. Im Dezember 2016 sagte Yue Chen von der Abteilung für Kommunikationssatelliten der China Academy of Space Technology (CAST), sein Team habe mehrere Prototypen getestet, den Schub beobachtet und eine Überprüfung im Orbit durchgeführt. Im September 2017 sprach Chen in einem Interview auf CCTV erneut über dieses CAST-Projekt .

Die Medienberichterstattung über Experimente mit diesen Designs war umstritten und polarisiert. Der EmDrive erregte zum ersten Mal sowohl leichtgläubige als auch abweisende Aufmerksamkeit, als New Scientist 2006 über ihn als "unmöglichen" Antrieb schrieb. Medien wurden später wegen irreführender Behauptungen kritisiert, dass ein Resonanzhohlraum-Triebwerk nach Whites erstem Versuch "von der NASA validiert" worden war Testberichte im Jahr 2014. Wissenschaftler haben weiterhin den Mangel an unvoreingenommener Berichterstattung von beiden polarisierten Seiten festgestellt.

Im Jahr 2006 antworteten der mathematische Physiker John C. Baez von der University of California in Riverside und der australische Science-Fiction-Autor Greg Egan auf den Artikel von New Scientist , dass die von Shawyer berichteten positiven Ergebnisse wahrscheinlich Fehlinterpretationen experimenteller Fehler seien.

Im Jahr 2014 schlug Whites Konferenzpapier vor, dass Resonanzhohlraum-Triebwerke funktionieren könnten, indem sie den Impuls auf das „virtuelle Quantenvakuum-Plasma“ übertragen. Baez und Carroll kritisierten diese Erklärung, weil sich in der Standardbeschreibung von Vakuumfluktuationen virtuelle Teilchen nicht wie ein Plasma verhalten; Carroll bemerkte auch, dass das Quantenvakuum keinen "Ruherahmen" hat, der nichts zum Drücken bietet, sodass es nicht zum Antrieb verwendet werden kann. In der gleichen Weise, Physiker James F. Woodward und Heidi Fearn veröffentlichten zwei Papiere zeigen , dass Elektron - Positron virtuelle Paare des Quantenvakuums, von Weiß als potentielles virtuelles Plasma Treibmittel diskutiert, erklären konnte nicht für Schub in isoliert vorhanden, geschlossen elektromagnetisches System wie ein Quantenvakuum-Triebwerk .

Die Physiker Eric W. Davis vom Institute for Advanced Studies in Austin und Sean M. Carroll vom California Institute of Technology sagten 2015, dass die Schubmessungen, die in Papieren von Tajmar und White berichtet wurden, auf Fehler des thermischen Effekts hinweisen.

Im Mai 2018 Forscher vom Institut für Luft- und Raumfahrttechnik an den Technischen Universität Dresden , Deutschland , geschlossen , dass die dominante Wirkung den scheinbaren Schubs Basiswert deutlich als ein Artefakt , verursacht durch das Magnetfeld der Erde in Wechselwirkung mit Stromkabeln in der Kammer identifiziert werden kann, ein Ergebnis , dass andere Experten stimmen dem zu.

Im Dezember 2019 verließ White die Leitung des Advanced Propulsion Physics Laboratory, um Forschung und Entwicklung am Limitless Space Institute zu leiten . Er wird unter anderem weiter am EmDrive forschen. Ein US-Navy-Forscher, Salvatore Cesar Pais, hat kürzlich ein ähnliches Patent wie das EmDrive angemeldet. Das DARPA-Projekt wird bis Mai 2021 andauern. Mike McCulloch, der derzeitige Projektleiter von DARPA EmDrive, José Luis Perez-Diaz, ein Physikprofessor und Maschinenbauingenieur an der Universität Charles III in Madrid , und Tajmar haben weiter experimentiert und eine theoretische Erklärung entwickelt , mit Papieren aus Tajmar, die im Februar 2021 fällig sind.

Entwürfe und Prototypen

Vereinfachte schematische Zeichnung eines EmDrive-Prototyps von Tajmar und Fiedler.

EmDrive

2001 gründete Shawyer Satellite Propulsion Research Ltd , um am EmDrive zu arbeiten, einem Antrieb, von dem er sagte, dass er einen Resonanzhohlraum verwendet, um Schub ohne Treibmittel zu erzeugen. Das Unternehmen wurde durch SMART- Award-Stipendien des britischen Handels- und Industrieministeriums unterstützt . Im Dezember 2002 beschrieb er einen funktionierenden Prototyp mit einem angeblichen Gesamtschub von etwa 0,02 Newton (0,072  ozf ), der von einem 850-W- Cavity-Magnetron angetrieben wurde . Das Gerät konnte nur wenige Dutzend Sekunden lang arbeiten, bevor das Magnetron aufgrund von Überhitzung ausfiel.

Zweites Gerät und Artikel von New Scientist

Im Oktober 2006 führte Shawyer Tests an einem neuen wassergekühlten Prototyp durch und sagte, dass er den Schub erhöht habe. Er berichtete von Plänen, das Gerät bis Mai 2009 im Weltraum einsatzbereit zu machen und den Resonanzhohlraum zu einem Supraleiter zu machen, was jedoch nicht zustande kam.

Das Magazin New Scientist hat EmDrive auf dem Cover der Ausgabe vom 8. September 2006 vorgestellt. Der Artikel stellte das Gerät als plausibel dar und betonte die Argumente derer, die diesen Standpunkt vertraten. Der Science-Fiction- Autor Greg Egan verteilte einen öffentlichen Brief, in dem es hieß, dass "eine Sensationsneigung und ein Mangel an Grundkenntnissen der Autoren" die Berichterstattung des Magazins unzuverlässig machten, genug, um "eine echte Bedrohung für das öffentliche Verständnis der Wissenschaft darzustellen". Vor allem sagte Egan, dass er in der Berichterstattung des Magazins "vom Grad des wissenschaftlichen Analphabetismus" verblüfft sei und behauptete, dass es "bedeutungslose Doppelreden" verwendet habe, um das Problem der Impulserhaltung zu verschleiern. Der Brief wurde vom mathematischen Physiker John C. Baez gebilligtund in seinem Blog veröffentlicht. New Scientist- Redakteur Jeremy Webb antwortete auf Kritiker:

Es ist eine berechtigte Kritik, dass New Scientist nicht deutlich genug gemacht hat, wie umstritten Roger Shawyers Motor ist. Wir hätten deutlicher machen sollen, wo es anscheinend gegen die Naturgesetze verstößt und berichten, dass mehrere Physiker sich weigerten, sich zu dem Gerät zu äußern, weil sie es für zu umstritten hielten  ... Das Tolle ist, dass Shawyers Ideen überprüfbar sind. Wenn es ihm gelingt, seine Maschine ins All fliegen zu lassen, werden wir früh genug wissen, ob es sich um ein bahnbrechendes Gerät oder eine bloße Phantasiereise handelt.

New Scientist veröffentlichte auch einen Brief des ehemaligen technischen Direktors von EADS Astrium :

Ich überprüfte Rogers Arbeit und kam zu dem Schluss, dass sowohl Theorie als auch Experiment fatale Fehler aufwiesen. Roger wurde mitgeteilt, dass das Unternehmen kein Interesse an dem Gerät habe, keinen Patentschutz anstreben und in keiner Weise damit in Verbindung stehen wolle.

Ein Brief des Physikers Paul Friedlander:

Als ich es las, wurde mir wie den Tausenden anderen Physikern, die es gelesen haben, sofort klar, dass dies wie beschrieben unmöglich war. Physiker sind darauf trainiert, bestimmte Grundprinzipien zu verwenden, um ein Problem zu analysieren, und diese Behauptung wurde eindeutig missachtet  ... Der Shawyer-Antrieb ist so unmöglich wie das Perpetuum mobile. Die relativistische Impulserhaltung wird seit einem Jahrhundert verstanden und schreibt vor, dass, wenn nichts aus Shawyers Gerät herauskommt, sein Massenschwerpunkt nicht beschleunigt wird. Es ist wahrscheinlich, dass Shawyer irgendwo in seinen Berechnungen eine Näherung verwendet hat, die vernünftig gewesen wäre, wenn er das Ergebnis nicht mit 50.000 multipliziert hätte. Physiker schätzen Prinzipien wie die Impulserhaltung, weil sie als Realitätsprüfung gegen solche Fehler dienen.

Spätere Arbeit

2007 erteilte das britische Handels- und Industrieministerium SPR eine Exportlizenz an Boeing in den USA. Laut Shawyer wurde er im Dezember 2008 ins Pentagon eingeladen, um auf dem EmDrive zu präsentieren, und 2009 bekundete Boeing Interesse daran, woraufhin er erklärte, dass SPR ein Triebwerk mit 18 Gramm Schub gebaut und an Boeing geschickt habe . Boeing hat die Technologie jedoch nicht lizenziert und die Kommunikation eingestellt. Im Jahr 2012 bestätigte ein Boeing-Vertreter, dass Boeing Phantom Works exotische Formen des Weltraumantriebs erforschte, einschließlich Shawyers Antrieb, aber diese Arbeit wurde später eingestellt. Sie bestätigten, dass "Phantom Works nicht mit Mr. Shawyer zusammenarbeitet" und diese Erkundungen auch nicht weiterverfolgt.

2013 und 2014 präsentierte Shawyer auf dem jährlichen International Astronautical Congress Ideen für EmDrive-Designs und -Anwendungen der „zweiten Generation“ . Ein auf seiner Präsentation von 2014 basierendes Papier wurde 2015 in Acta Astronautica veröffentlicht. Es beschreibt ein Modell für einen supraleitenden Resonanzhohlraum und drei Modelle für Triebwerke mit mehreren Hohlräumen mit hypothetischen Anwendungen für den Start von Raumsonden.

Im Jahr 2016 meldete Shawyer weitere Patente an und gründete ein neues Unternehmen, Universal Propulsion Ltd. , als Joint Venture mit der Gilo Industries Group , einem kleinen britischen Luft- und Raumfahrtunternehmen.

Cannae und andere Laufwerke

Der Cannae Drive (ehemals Q-Drive), ein weiterer Motor, der den Antrieb aus einem Resonanzhohlraum ohne Treibmittel erzeugt, ist eine weitere Umsetzung dieser Idee. Sein Hohlraum ist ebenfalls asymmetrisch, aber eher flach als ein Kegelstumpf. Es wurde 2006 von Fetta entworfen und wird seit 2011 in den USA durch seine Firma Cannae LLC beworben. Im Jahr 2016 kündigte Fetta Pläne an, schließlich einen CubeSat- Satelliten mit einer Version des Cannae Drive zu starten , die 6 Monate, um zu beobachten, wie es im Weltraum funktioniert.

In China entwickelten Forscher, die unter Yang an der NWPU arbeiteten, 2008 ihren eigenen Prototyp eines Resonanzhohlraum-Triebwerks und veröffentlichten einen Bericht über die Theorie hinter solchen Geräten in der Zeitschrift ihrer Universität. Im Jahr 2012 maßen sie die Schubkraft ihres Prototyps, stellten jedoch 2014 fest, dass dies ein experimenteller Fehler war. Ein zweiter, verbesserter Prototyp erzeugte keinen gemessenen Schub.

An der China Academy of Space Technology reichte Yue Chen 2016 mehrere Patentanmeldungen ein, in denen verschiedene Konstruktionen von HF-Resonanzhohlraum-Triebwerken beschrieben wurden. Dazu gehörten ein Verfahren zum Stapeln mehrerer kurzer Resonanzhohlräume, um den Schub zu verbessern, und ein Design mit einem Hohlraum, der ein Halbzylinder anstelle eines Kegelstumpfes war. Im Dezember gab Chen bekannt, dass CAST Tests an einem Resonanzhohlraum-Triebwerk in der Umlaufbahn durchführte, ohne anzugeben, welches Design verwendet wurde. In einem Interview auf CCTV im September 2017 zeigte Chen Yue einige Tests eines flachen zylindrischen Geräts, das dem Patent entspricht, das gestapelte kurze Hohlräume mit inneren Membranen beschreibt.

Theoretische Ungereimtheiten

Die vorgeschlagene Theorie für die Funktionsweise des EmDrive verletzt die Impulserhaltung , die besagt, dass jede Wechselwirkung keine Nettokraft haben kann; eine Folge der Impulserhaltung ist das dritte Newtonsche Gesetz, wonach es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion gibt. Die Impulserhaltung ist eine Symmetrie der Natur .

Ein oft zitiertes Beispiel für die scheinbare Nichterhaltung des Impulses ist der Casimir-Effekt ; im Standardfall, bei dem zwei parallele Platten zueinander angezogen werden. Die Platten bewegen sich jedoch in entgegengesetzte Richtungen, sodass dem Vakuum kein Nettoimpuls entzogen wird und zudem Energie in das System eingebracht werden muss, um die Platten wieder auseinander zu nehmen.

Unter der Annahme homogener elektrischer und magnetischer Felder ist es dem EmDrive oder einem anderen Gerät unmöglich, einen Nettoimpulstransfer aus einem klassischen oder einem Quantenvakuum zu extrahieren . Die Extraktion eines Nettoimpulses "aus dem Nichts" wurde in einem inhomogenen Vakuum postuliert, aber dies bleibt höchst umstritten, da es die Lorentz-Invarianz verletzt .

Sowohl die Theorien von Harold White als auch Mike McCulloch zur Funktionsweise des EmDrive beruhen auf diesen asymmetrischen oder dynamischen Casimir-Effekten . Wenn diese Vakuumkräfte jedoch vorhanden sind, wird erwartet, dass sie nach unserem derzeitigen Verständnis außergewöhnlich klein sind, zu klein, um das Ausmaß des beobachteten Schubs zu erklären. Für den Fall, dass der beobachtete Schub nicht auf experimentelle Fehler zurückzuführen ist, könnte ein positives Ergebnis auf eine neue Physik hinweisen.

Tests und Experimente

Tests von Erfindern

Im Jahr 2004 behauptete Shawyer, sieben unabhängige positive Bewertungen von Experten von BAE Systems , EADS Astrium , Siemens und dem IEE erhalten zu haben . Allerdings hat kein unabhängiger Sachverständiger eine positive Bewertung veröffentlicht, und mindestens einer hat die Behauptung von Shawyer direkt bestritten. In einem Brief an New Scientist bestritt der damalige technische Direktor von EADS Astrium (Shawyers ehemaliger Arbeitgeber) dies mit den Worten:

Ich überprüfte Rogers Arbeit und kam zu dem Schluss, dass sowohl Theorie als auch Experiment fatale Fehler aufwiesen. Roger wurde mitgeteilt, dass das Unternehmen kein Interesse an dem Gerät habe, keinen Patentschutz anstreben und in keiner Weise damit in Verbindung stehen wolle.

2011 testete Fetta eine supraleitende Version des Cannae-Laufwerks. Der HF-Resonanzhohlraum wurde in einem mit flüssigem Helium gefüllten Dewar aufgehängt . Das Gewicht der Kavität wurde durch Wägezellen überwacht . Fetta vermutete, dass die Wägezellen den Schub als Gewichtsänderung erkennen würden, wenn das Gerät aktiviert wurde und einen Aufwärtsschub erzeugte. Laut Fetta verringerte sich die Druckkraft auf die Wägezellen, wenn HF-Energieimpulse in den Resonanzhohlraum gesendet wurden, was auf Schub hindeuten könnte.

Keines dieser Ergebnisse wurde in der wissenschaftlichen Literatur veröffentlicht, von unabhängigen Forschern repliziert oder von den Erfindern konsistent repliziert. In einigen Fällen wurden zeitweise Details auf den Websites der Erfinder veröffentlicht, aber seit 2019 sind keine derartigen Dokumente mehr online.

Im Jahr 2015 veröffentlichte Shawyer einen Artikel in Acta Astronautica , der bestehende Tests zum EmDrive zusammenfasst. Von sieben Tests erzeugten vier eine gemessene Kraft in die beabsichtigte Richtung und drei erzeugten einen Schub in die entgegengesetzte Richtung. Außerdem konnte in einem Versuch durch Variation der Federkonstanten in der Messapparatur Schub in beide Richtungen erzeugt werden.

Nordwestliche Polytechnische Universität

Im Jahr 2008 sagte ein chinesisches Forscherteam unter der Leitung von Juan Yang (杨涓), Professor für Antriebstheorie und Ingenieurwesen der Luft- und Raumfahrt an der Northwestern Polytechnical University (NWPU) in Xi'an , China , dass sie ein gültiges Elektro- magnetische Theorie hinter einem Mikrowellen-Resonanzhohlraum-Triebwerk. Eine Demonstrationsversion des Antriebs wurde 2010 mit verschiedenen Hohlraumformen und bei höheren Leistungen gebaut und getestet. Mit einem Triebwerksprüfstand für Luft- und Raumfahrt , der normalerweise zum präzisen Testen von Triebwerken von Raumfahrzeugen wie Ionenantrieben verwendet wird , meldeten sie einen maximalen Schub von 720 mN bei 2.500 W der Eingangsleistung. Yang merkte an, dass ihre Ergebnisse vorläufig seien, und sagte, sie "[war] nicht in der Lage, ihre Arbeit zu diskutieren, bis weitere Ergebnisse veröffentlicht sind". Dieses positive Ergebnis war über 100x mehr Schub pro Eingangsleistung als bei jedem anderen Experiment.

In einem Folgeexperiment von 2014 (veröffentlicht 2016) konnte Yang die Beobachtung von 2010 nicht reproduzieren und vermutete, dass dies auf experimentellen Fehlern zurückzuführen war. In diesem Experiment verfeinerten sie ihren Versuchsaufbau, indem sie ein Dreidraht-Torsionspendel zur Messung des Schubs verwendeten, und testeten zwei verschiedene Leistungsaufbauten. In einem Versuch befand sich das Stromsystem außerhalb des Hohlraums, und sie beobachteten einen "Schub" von 8–10 mN. In einem zweiten Versuch befand sich das Antriebssystem innerhalb des Hohlraums, und sie maßen keinen solchen Schub. Stattdessen beobachteten sie einen unbedeutenden Schub unterhalb ihrer Geräuschschwelle von 3 mN, schwankend zwischen ±0,7 mN bei einer Messunsicherheit von 80%, bei 230 W Eingangsleistung. Sie kamen zu dem Schluss, dass sie keinen signifikanten Schub messen konnten; dass der gemessene "Schub", der bei Verwendung externer Stromquellen (wie in ihrem Experiment von 2010) gemessen wurde, Rauschen sein könnte; und dass es wichtig war , zu verwenden autarke Stromsysteme für diese Experimente und empfindliche Pendel mit niedrigerer Drehsteifigkeit .

NASA Eagleworks

Seit 2011 hat White ein Team bei der NASA, das als Advanced Propulsion Physics Laboratory oder Eagleworks Laboratories bekannt ist und sich der Untersuchung exotischer Antriebskonzepte widmet. Die Gruppe hat Ideen für eine breite Palette von ungetesteten und Randvorschlägen untersucht , darunter Alcubierre-Antriebe , Antriebe, die mit dem Quantenvakuum interagieren , und HF-Resonanzhohlraum-Triebwerke.

Im Jahr 2014 begann die Gruppe mit der Erprobung von Resonanzhohlraum-Triebwerken ihres eigenen Designs und teilte einige ihrer Ergebnisse mit. Im November 2016 veröffentlichten sie ihr erstes von Experten begutachtetes Paper zu dieser Arbeit im Journal of Propulsion and Power .

EmDrive und konische Kavitäten

Im Juli 2014 berichtete White vorläufige positive Ergebnisse für die Bewertung eines sich verjüngenden HF-Resonanzhohlraums. Die Tests wurden mit einem Torsionspendel mit geringem Schub durchgeführt, das in einer abgedichteten, aber nicht evakuierten Vakuumkammer Kräfte im Mikronewton-Bereich erfassen konnte (der HF-Leistungsverstärker verwendete einen Elektrolytkondensator , der in einem harten Vakuum nicht betrieben werden konnte). Die Experimentatoren registrierten den Richtungsschub sofort nach dem Anlegen der Leistung.

Ihre ersten Tests mit diesem sich verjüngenden Hohlraum wurden bei sehr geringer Leistung (2% von Shawyers Experiment von 2002) durchgeführt. Ein mittlerer Nettoschub über fünf Durchläufe wurde bei 91,2 µN bei 17 W Eingangsleistung gemessen. Das Experiment wurde für seinen kleinen Datensatz kritisiert und dafür, dass es nicht im Vakuum durchgeführt wurde, um thermische Luftströme zu eliminieren.

Die Gruppe kündigte an, ihre Geräte auf höhere Leistungsstufen aufzurüsten, vakuumfähige HF-Verstärker mit Leistungsbereichen von bis zu 125 W zu verwenden und eine neue konische Kavität zu entwickeln, die im Bereich von 0,1 N/kW liegen könnte. Der Testgegenstand sollte einer unabhängigen Verifizierung und Validierung im Glenn Research Center , dem Jet Propulsion Laboratory und dem Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University unterzogen werden . Ab 2016 ist diese Validierung nicht erfolgt.

2015 veröffentlichte Paul March von Eagleworks neue Ergebnisse, gemessen mit einem Torsionspendel im harten Vakuum: ca. 50 µN bei 50 W Eingangsleistung bei 5,0×10 −6  Torr . Die neuen HF-Leistungsverstärker sollten für hartes Vakuum gemacht sein, fielen aber aufgrund interner Koronaentladungen schnell aus . Ohne finanzielle Mittel, um sie zu ersetzen oder aufzurüsten, waren Messungen eine Zeitlang knapp.

Sie führten weitere Experimente im Vakuum durch, eine Reihe von 18 Beobachtungen mit 40-80 W Eingangsleistung. Sie veröffentlichten die Ergebnisse im von Experten begutachteten Journal of Propulsion and Power des American Institute of Aeronautics and Astronautics unter dem Titel "Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum" . Diese wurde im November 2016 online veröffentlicht und im Dezember in gedruckter Form veröffentlicht. In der Studie heißt es, dass das System „konstante Leistung mit einem Schub-zu-Leistungs-Verhältnis von 1,2 ± 0,1 mN/kW“ verrichte und viele potenzielle Fehlerquellen aufgezählt habe.

Das Papier schlug vor, dass die Pilotwellentheorie (eine umstrittene, nicht zum Mainstream gehörende deterministische Interpretation der Quantenmechanik) erklären könnte, wie das Gerät Schub erzeugt. Kommentatoren wiesen darauf hin, dass die Veröffentlichung einer Studie, die über einen konsistenten Schub berichtet, mit Peer-Review nicht unbedingt bedeutet, dass der Antrieb wie behauptet funktioniert. Der Physiker Chris Lee stand der Arbeit sehr kritisch gegenüber und sagte, dass das Papier einen kleinen Datensatz und eine Reihe von fehlenden Details enthielt, die er als "klaffende Löcher" bezeichnete. Der Elektroingenieur George Hathaway analysierte und kritisierte die in dem Papier beschriebene wissenschaftliche Methode .

Cannae fahren

Whites Tests im Jahr 2014 bewerteten auch zwei Cannae-Laufwerkprototypen. Einer hatte radiale Schlitze, die entlang des unteren Randes des Resonanzhohlraums eingraviert waren, wie es Fettas Hypothese erforderte, um Schub zu erzeugen; einem anderen "Null"-Testartikel fehlten diese radialen Schlitze. Beide Antriebe waren mit einem internen Dielektrikum ausgestattet . Ein dritter Testgegenstand, die experimentelle Kontrolle, hatte eine HF-Last, aber kein Resonanzhohlrauminneres. Diese Tests fanden bei Atmosphärendruck statt.

Sowohl für das Gerät mit radialen Schlitzen als auch für das Gerät ohne Schlitze wurde ungefähr der gleiche Nettoschub gemeldet. Schub wurde für die experimentelle Kontrolle nicht berichtet. Einige hielten das positive Ergebnis für das Gerät ohne Schlitze für einen möglichen Fehler im Experiment, da erwartet wurde, dass das Nulltestgerät weniger oder keinen Schub erzeugt, basierend auf Fettas Hypothese, wie der Schub durch das Gerät erzeugt wird. In der vollständigen Abhandlung kam White jedoch zu dem Schluss, dass die Testergebnisse bewiesen, dass "die Schubproduktion nicht vom Schlitzen abhängig war".

Technische Universität Dresden

Im Juli 2015 berichtete eine Forschungsgruppe für Luft- und Raumfahrt an der Technischen Universität Dresden (TUD) unter Martin Tajmar über Ergebnisse für eine Evaluierung eines HF-resonanten, sich verjüngenden Hohlraums ähnlich dem EmDrive. Die Tests wurden zuerst an einer Messerkanten- Balkenwaage durchgeführt , die Kräfte im Mikronewton-Bereich erkennen kann, auf einem schwingungsdämpfenden Granittisch bei Umgebungsluftdruck; dann auf einem Torsionspendel mit einer Kraftauflösung von 0.1 mN, in einer Vakuumkammer bei Umgebungsluftdruck und im harten Vakuum bei 400 μPa (4 × 10 −6  mbar).

Sie verwendeten ein konventionelles ISM-Band 2,45 GHz 700 W Ofenmagnetron und eine kleine Kavität mit einem niedrigen Q-Faktor (20 in Vakuumtests). Sie beobachteten kleine positive Schubkräfte in positiver Richtung und negative Schubkräfte in negativer Richtung von etwa 20 µN in einem harten Vakuum. Als sie den Hohlraum jedoch als "Null"-Konfiguration nach oben drehten, beobachteten sie einen anomalen Schub von Hunderten von Mikronewton, der deutlich größer war als das erwartete Ergebnis von Null Schub. Dies deutete auf eine starke Geräuschquelle hin, die sie nicht identifizieren konnten. Dies führte zu dem Schluss, dass sie Behauptungen über ein solches Triebwerk weder bestätigen noch widerlegen konnten. Damals erwogen sie zukünftige Experimente mit besserer magnetischer Abschirmung, andere Vakuumtests und verbesserte Kavitäten mit höheren Q- Faktoren.

Im Jahr 2018 präsentierte das Forschungsteam der TU Dresden ein Konferenzpapier, das die Ergebnisse der jüngsten Experimente an ihrem modernisierten Prüfstand zusammenfasste, die zu zeigen schienen, dass der gemessene Schub auf experimentelle Fehler durch unzureichend abgeschirmte Komponenten zurückzuführen war, die mit dem Erdmagnetfeld wechselwirkten . In ihren Experimenten haben sie Schubwerte gemessen, die mit früheren Experimenten übereinstimmen, und der Schub kehrte sich entsprechend um, wenn das Triebwerk um 180 ° gedreht wurde. Das Team maß jedoch auch den Schub senkrecht zur erwarteten Richtung, wenn das Triebwerk um 90 ° gedreht wurde, und maß keine Schubverringerung, wenn ein Dämpfer verwendet wurde, um die Leistung, die tatsächlich in den Resonanzhohlraum eintrat, um einen Faktor von 10.000 zu reduzieren. von denen sie sagten, dass sie "eindeutig darauf hindeuten, dass der "Schub" nicht vom EMDrive kommt, sondern von einer elektromagnetischen Wechselwirkung." Sie kamen zu dem Schluss, dass "magnetische Wechselwirkungen von nicht ausreichend abgeschirmten Kabeln oder Triebwerken ein wichtiger Faktor sind, der für richtige μN-Schubmessungen für diese Art von Geräten berücksichtigt werden muss", und sie planten, zukünftige Tests bei höherer Leistung und bei anderen Frequenzen durchzuführen und mit verbesserter Abschirmung und Hohlraumgeometrie.

2021 veröffentlichten sie die Ergebnisse der neuen Tests, die zeigten, dass die zuvor gemessenen Kräfte vollständig durch experimentelle Fehler erklärt werden konnten und dass es unter Berücksichtigung dieser Fehler keine Hinweise auf einen messbaren Schub gab. Sie veröffentlichten auch zwei weitere Veröffentlichungen, die ähnliche Ergebnisse für die laserbasierte LemDrive- Variante und Woodwards Mach-Effect Thruster zeigten .

Tests im Weltraum

Im August 2016 kündigte Cannae Pläne an, sein Triebwerk auf einem 6U- Cubesat zu starten, das 6 Monate lang laufen würde, um zu beobachten, wie es im Weltraum funktioniert. Cannae hat für das Vorhaben ein Unternehmen namens Theseus gegründet und sich mit LAI International und SpaceQuest Ltd. zusammengetan, um den Satelliten zu starten. Ein Starttermin wurde noch nicht bekannt gegeben.

Im November 2016 veröffentlichte die International Business Times einen unbestätigten Bericht, dass die US-Regierung eine Version des EmDrive auf der Boeing X-37B testet und dass die chinesische Regierung Pläne gemacht hat, den EmDrive in ihr orbitales Weltraumlabor Tiangong-2 zu integrieren . Die US Air Force hat nur bestätigt, dass die fragliche X-37B-Mission einen elektrischen Antriebssystemtest mit einem Hall-Effekt-Triebwerk durchgeführt hat , einer Art Ionentriebwerk , das einen gasförmigen Treibstoff verwendet.

Im Dezember 2016 sagte Yue Chen einem Reporter der chinesischen Zeitschrift Science and Technology Daily, dass sein Team einen EmDrive im Orbit teste und dass sie seit fünf Jahren die Forschung in diesem Gebiet finanzieren. Chen bemerkte, dass der Schub ihres Prototyps auf dem "Mikronewton- bis Millinewton-Niveau" lag, der auf mindestens 100-1000 Millinewton skaliert werden müsste, um schlüssige experimentelle Ergebnisse zu erhalten. Sein Ziel sei es dennoch, die Validierung des Antriebs abzuschließen und diese Technologie dann "so schnell wie möglich" im Bereich der Satellitentechnik verfügbar zu machen.

Experimentelle Fehler

Experimentelle Fehler beim Testen der Prototypen fallen im Allgemeinen in vier Kategorien

  • Messfehler. Die meisten theoretischen Wissenschaftler, die sich den EmDrive angesehen haben, halten dies für wahrscheinlich.
  • Elektromagnetische Effekte.
  • Abgas wird nicht gemessen oder berücksichtigt.
  • Spekulationen, dass unser derzeitiges Verständnis der Gesetze der Physik völlig falsch ist.

Messfehler

Hauptartikel: Beobachtungsfehler

Die einfachste und wahrscheinlichste Erklärung ist, dass jeder erkannte Schub auf experimentelle Fehler oder Rauschen zurückzuführen ist. Bei allen Experimenten wird sehr viel Energie verwendet, um einen winzigen Schub zu erzeugen. Wenn versucht wird, ein kleines Signal zu messen, das einem großen Signal überlagert ist, kann das Rauschen des großen Signals das kleine Signal verdecken und falsche Ergebnisse liefern. Es wurde später berichtet, dass das stärkste frühe Ergebnis von Yangs Gruppe in China durch einen experimentellen Fehler verursacht wurde.

Schwerpunktverlagerung durch thermische Effekte

Infrarotbild mit Erwärmung des Kühlkörpers

Es wird angenommen, dass die größte Fehlerquelle von der thermischen Ausdehnung des Kühlkörpers des Triebwerks herrührt ; wenn es sich ausdehnt, würde dies zu einer Änderung des Schwerpunkts führen, was zu einer Bewegung des Resonanzhohlraums führen würde. Whites Team versuchte, den thermischen Effekt auf die Gesamtverschiebung zu modellieren, indem sie eine Überlagerung der durch "thermische Effekte" und "impulsive Schub" verursachten Verschiebungen verwendete, wobei White sagte: "Das war das, woran wir am härtesten gearbeitet haben, um es zu verstehen und in eine Box zu packen." . Trotz dieser Bemühungen konnte Whites Team die thermische Ausdehnung nicht vollständig erklären. In einem Interview mit Aerospace America kommentiert White, dass "obwohl wir vielleicht ein wenig Bleistiftzeichen durch [thermische Fehler] gesetzt haben ... sie sicherlich nicht schwarz-sharpie-durchgestrichen sind."

Ihre Methode zur Berücksichtigung thermischer Effekte wurde von Millis und Davies kritisiert, die hervorheben, dass es sowohl an mathematischen als auch empirischen Details mangelt, um die Annahmen über diese Effekte zu rechtfertigen. Sie liefern beispielsweise keine Daten zur Temperaturmessung im Zeitverlauf im Vergleich zur Geräteverschiebung. Das Papier enthält ein grafisches Diagramm, aber es basiert auf a-priori- Annahmen darüber, wie die Formen des "impulsiven Schubs" und der "thermischen Effekte" sein sollten und wie sich diese Signale überlagern werden. Das Modell geht außerdem davon aus, dass alle Geräusche thermisch sind und beinhaltet keine anderen Effekte wie Interaktion mit der Kammerwand, Stromleitungskräfte und Kippen. Da das Eagleworks-Papier kein explizites Modell für den Schub zum Vergleich mit den Beobachtungen enthält, ist es letztendlich subjektiv und seine Daten können auf mehr als eine Weise interpretiert werden. Der Eagleworks-Test zeigt daher keinen eindeutigen Schubeffekt, kann ihn aber auch nicht ausschließen.

White schlug vor, dass zukünftige Experimente auf einer Cavendish-Waage laufen könnten . In einem solchen Aufbau könnte sich das Triebwerk zu viel größeren Winkelverschiebungen drehen, wodurch ein Schub (sofern vorhanden) alle möglichen thermischen Effekte dominiert. Das Testen eines Geräts im Weltraum würde auch das Problem des Schwerpunkts beseitigen.

Elektromagnetische Wechselwirkung mit der Wand der Vakuumkammer

Eine weitere Fehlerquelle könnte durch elektromagnetische Wechselwirkung mit den Wänden der Vakuumkammer entstanden sein. White argumentierte, dass jede Wandinteraktion nur das Ergebnis einer wohlgeformten Resonanzkopplung zwischen dem Gerät und der Wand sein könnte und dass die verwendete Hochfrequenz impliziert, dass die Wahrscheinlichkeit dafür stark von der Geometrie des Geräts abhängt. Wenn die Komponenten aufgrund der Wärmeausdehnung wärmer werden, ändert sich die Geometrie des Geräts, wodurch die Resonanz des Hohlraums verschoben wird. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und das System in optimalen Resonanzbedingungen zu halten, verwendete White ein Phase-Locked-Loop- System (PLL). Ihre Analyse ging davon aus, dass die Verwendung einer PLL eine signifikante elektromagnetische Wechselwirkung mit der Wand ausschließt.

Lorentzkraft von Stromleitungen

Eine weitere potentielle Fehlerquelle war eine Lorentzkraft, die von Stromleitungen ausgeht. In vielen früheren Experimenten wurden Becher mit einer bei Raumtemperatur flüssigen Galinstan -Metalllegierung verwendet, um das Gerät anstelle von massiven Drähten mit Strom zu versorgen. Martin Tajmar und sein Doktorand Fiedler charakterisierten und versuchten in ihrem Experiment an der TU Dresden mögliche Fehlerquellen zu quantifizieren . Sie führten mehrere Tests an ihrem experimentellen Aufbau durch, einschließlich Messungen der Kraft entlang verschiedener Achsen in Bezug auf den Stromversorgungsstrom. Während viele andere Fehlerquellen in früheren Experimenten eliminiert oder berücksichtigt wurden, wie zum Beispiel das Ersetzen eines magnetischen Dämpfungsmechanismus durch einen Öldämpfer, der weniger effizient ist, aber deutlich weniger mit dem elektromagnetischen Feld interagiert, blieb die Studie hinsichtlich der Auswirkungen der elektromagnetischen Wechselwirkung mit dem Gerät ergebnislos ' Stromeinspeisung und gleichzeitig die Feststellung als möglicherweise bedeutendste Geräuschquelle. Whites Power-Setup mag anders gewesen sein, aber ihr Papier gibt nicht an, ob die Verbindungen alle koaxial zur Drehachse des Ständers ausgerichtet sind, was erforderlich wäre, um Fehler durch Lorentz-Kräfte zu minimieren, und es gibt keine Daten aus gleichwertigen Tests mit Power in a Dummy Load, damit diese Einflüsse mit denen des Tajmar-Fiedler-Laufs verglichen werden können.

Spekulationen über neue physikalische Gesetze

Whites Papier aus dem Jahr 2016 durchlief etwa ein Jahr lang eine Peer-Review mit fünf Gutachtern. Peer-Review bedeutet nicht, dass die Ergebnisse oder Beobachtungen wahr sind, sondern nur, dass die Gutachter das Experiment, die Ergebnisse und die Interpretation betrachtet und für solide und vernünftig befunden haben. Brice Cassenti, Professor an der University of Connecticut und Experte für fortschrittliche Antriebe, sprach mit einem der Gutachter und berichtete, der Gutachter glaube nicht, dass die Ergebnisse auf eine neue Physik hindeuten, aber dass die Ergebnisse rätselhaft genug seien, um sie zu veröffentlichen. Cassenti glaubt, dass es eine banale Erklärung für die Ergebnisse gibt, aber die Wahrscheinlichkeit, dass die Ergebnisse gültig sind, ist gering, aber nicht null.

Whites Papier wurde im Journal of Propulsion and Power veröffentlicht . Marc Millis und Eric Davies, die das vorherige fortschrittliche Antriebsprojekt der NASA, das Breakthrough Propulsion Physics Program , leiteten, kommentierten, dass White zwar Techniken verwendete, die für die Überprüfung des elektrischen Antriebs von Hall-Triebwerken akzeptabel wären , die Tests jedoch nicht ausreichten, um zu zeigen, dass irgendein neuer physikalischer Effekt existiert.

Siehe auch

Verweise

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