Mokslo ir technologijų pasaulis

Pekine vykusioje spaudos konferencijoje daktaras Chen Yue iš Kinijos kosminių technologijų akademijos (CAST) paskelbė, kad jo šalis jau seniai ir sėkmingai šią technologiją bando laboratorijoje. Negana to, dabar Kinija patikrino variklio veikimą kosminėje stotyje „Tiangong-2“. Pareiškimas tik pakaitino jau beveik 10 metų trunkančius ginčus dėl EmDrive veikimo – juk tai iš esmės prilygsta ginčui su baronu Miunchhauzenu apie galimybę save ir žirgą iš pelkės ištraukti už plaukų. Pasiaiškinkime.

Ši istorija prasidėjo 2001 metais, kai britas inžinierius Rogeris Shawyeris įsteigė nedidelę Satellite Propulsion Research Ltd kompaniją. Tai įgyvendinti padėjo Prekybos ir pramonės departamento ir kelių privačių investuotojų suteikta stipendija. Padėjo gera inžinieriaus, turėjusio turtingą darbo kosminėje patirtį, reputacija. O būtent, Shawyeris 20 metų dirbo vienoje iš stambiausių kosminių aparatų gamintojų – EADS Astrium. 2002 metų gruodį visuomenei buvo pristatytas pirmasis veikiantis „neįmanomojo“ variklio, pavadinto EmDrive, prototipas. Įrenginys iš esmės buvo tuščias varinis, iš abiejų galų uždaro kūgio formos rezonatorius. Prie jo buvo pritvirtintas magnetronas – mikrobangų šaltinis. Tokie magnetronai plačiai naudojami, pavyzdžiui, mikrobangų krosnelėse.

EmDrive veikimo principas specialistams iš karto sukėlė daugybę klausimų. Pats išradėjas tvirtina, kad variklio darbą aprašo seniai žinomi fizikos dėsniai ir jokios „naujos fizikos“ nereikia. Kaip žinia, elektromagnetinės bangos perneša energiją ir impulsą. Šviesos slėgio efektas gerai ištyrinėtas ir netgi naudojamas kai kuriuose kosminiuose aparatuose. EmDrive variklyje magnetronu sukeliamos bangos daug kartų atsispindi rezonatoriaus viduje ir spaudžia jo sieneles. O štai toliau prasideda įdomiausia teorijos vieta. Pasak Shawyerio, rezonatoriaus dydį ir formą bei magnetrono skleidžiamų bangų ilgį reikia suderinti taip, kad į šonines kūgio sieneles veikiantis slėgis būtų lygus nuliui. Tada didįjį ir mažąjį kūgio pagrindą veiks skirtingi slėgiai, ir variklyje susidarys didesniojo pagrindo kryptimi nukreipta jėga. Tačiau šis faktas prieštarauja fizikos dėsniams, o būtent – trečiajam Niutono dėsniui.

Mat iki šiol žmonija judėjimui kosmose moka naudoti tik vieną būdą – reaktyvinį judėjimą. Jis grindžiamas impulso tvermės dėsniu. Reaktyvinio variklio trauka randasi, kai raketa-nešėja ar kosminis laivas išmeta medžiagą (darbinį kūną – karštas dujas, jonų srautą, etc.) priešinga judėjimui kryptimi. Viena iš svarbiausių tokio variklio charakteristikų yra savitasis impulsas – variklio kuriamo impulso santykis su kuro sąnaudomis. Tad, kuo didesnis savitasis impulsas, tuo mažiau kuro kosminis laivas sunaudoja, keisdamas greitį. Kuo didesniu greičiu darbinis kūnas išlekia iš reaktyvinio variklio, tuo savitasis impulsas didesnis. Toks variklis gali labiau įgreitinti kosminį laivą, sunaudodamas mažiau kuro. Būtent todėl pastaruoju metu vis labiau populiarėja joniniai varikliai. Jų trauka nedidelė, tačiau medžiaga išsviedžiama labai dideliu greičiu, todėl jie itin efektyvūs ilgoms kosminėms misijoms. Tačiau ir jiems kyla pagrindinė visų reaktyvinių variklių problema – ribotos kuro atsargos.

Kosminiai laivai kosmose galima judėti ir naudodami kosmines bures. Tokiuose aparatuose naudojamas Saulės šviesos arba Saulės vėjo – dideliu greičiu nuo mūsų žvaigždės lekiančių elektringų dalelių – sukeliamas slėgis. Neseniai buvo pristatyti keli projektai, kur buriniai aparatai įgreitinami galingais lazerių impulsais. Tačiau iki praktinio jų panaudojimo dar toli gražu.

Kad skristų, tiek reaktyvinis variklis, tiek kosminės burės turi sąveikauti su medžiaga (kuru ar Saulės vėju) arba elektromagnetinėmis bangomis. Tačiau, jei tikėsime EmDrive išradėju, jo variklis su nesąveikauja su niekuo. Shawyeris faktiškai sukūrė įtaisą, padedantį baronui Miunchhauzenui išsitempti save patį už plaukų iš pelkės. Nieko nuostabaus, kad EmDrive veikimu praktiškai niekas nepatikėjo.

Kelis metus Rogeris Shawyeris „neįmanomą“ variklį tobulino. 2006 metais jis pristatė patobulintą, aušinamą vandeniu EmDrive versiją. Išradėjo nuomone, tai turėjo padidinti trauką. New Scientist žurnalas netgi įdėjo variklio nuotrauką ant 2006 metų rugsėjo 9 d. numerio viršelio. Straipsnyje daroma išvada, kad prietaiso veikimo schema atrodo tikėtina ir buvo visaip pabrėžiami jo šalininkų argumentai. Tai sukėlė neigiamą žurnalo skaitytojų reakciją. Garsus rašytojas fantastas Gregas Eganas paskelbė atvirą laišką, kuriame apkaltino straipsnio autorius moksliniu analfabetiškumu. Paskui New Scientist publikavo buvusio EADS Astrium techninio direktoriaus Elwino Wilby'io laišką, kuriame šis nuo kompanijos dalyvavimo Shawyerio projekte atsižegnojo.

Įdomu, kad EmDrive nebuvo vienintelis toks prietaisas. 2006 metais išradėjas Guido Fetta sukūrė panašų, tokiu pačiu veikimo principu paremtą projektą Cannae Drive, arba Q-drive. Esminis projektų skirtumas – rezonatoriaus forma. Cannae Drive tai ne kūgis, o tabletę primenanti suplota talpa.

Nepriklausomas tikrinimas prasidėjo tik 2008 metais, kaip bebūtų keista, Kinijoje. Šiaurės Rytų politechnikos universitete profesorius Yan Czjuan sukūrė veikiantį „neįmanomojo“ variklio prototipą. Pirminiais duomenimis, variklis sukūrė 720 mN iš 1 kW. Maždaug tokia jėga svarstykles spaustų 72 gramų svarelis. Vėliau rezultatus paneigė pats autorius, aptikęs matavimo klaidą. Atsižvelgus į ją, variklio trauka neviršijo 1 mN iš naudojamos 230 W galios, o tai mažiau, nei instrumentų tikslumas.

Tačiau 2013 metais „neįmanomojo“ variklio tyrimų imasi ir Advanced Propulsion Physics Laboratory, arba tiesiog Eagleworks. Ji veikia su Lindono Johnsono vardo kosminiu centru – čia NASA kuria pilotuojamus kosminius laivus, moko astronautus ir rengia pilotuojamus kosminius skrydžius. Eagleworks – nedidelė tyrėjų grupė, kurios užduotis – tikrinti naujus kosminių aparatų variklius. Savo laiku ši grupė tikrino ir pusiau fantastinio Warp variklio koncepciją. Tai – hipotetinis variklis, kuriuo erdvėlaivis tarpžvaigždinę erdvę įveiktų didesniu nei šviesos greičiu. Dažniausiai Warp varikliai pasitaiko fantastinėse knygose ir filmuose, o ne mokslinėse publikacijose. Tačiau 1994 metais žurnale Classical and Quantum Gravity buvo publikuotas fiziko Miguelio Alcubierre'o straipsnis, kuriame jis pasiūlė teorinę erdvėlaikį iškreipiančio variklio koncepciją. Eagleworks tikėjosi pademonstruoti pačią erdvės iškreipimo stipriu elektriniu lauku galimybę. Tačiau laboratorijoje atliktu eksperimentu įtikinamų erdvės iškreivėjimo įrodymų nerasta, nors patys autoriai aiškia tai nepakankamu įrenginio jautrumu.

„Neįmanomo“ variklio bandymui naudota hermetiška kamera ir specialios torsioninės svarstyklės, gebančios užfiksuoti dešimčių mikroniutonų trauką. Svarstyklėmis tirti du Cannae Drive variantai, – vieno rezonatoriaus viduje buvo kanalėliai. Guido Fetta spėjo, kad tai turėtų paveikti trauką. Ji buvo matuojama kelis kartus, kaskart įjungus variklį ir vieną kartą – pakeitus jo orientaciją 180 laipsnių. Siekiant pašalinti galimas instrumentines klaidas, be variklių dar buvo bandoma apkrova, kuri, paleidžiant įtampą traukos nekuria. Eksperimento autorių teigimu, įrenginys buvo toks jautrus, kad vėjuotą dieną galėjo „pajusti“ jūros bangavimą Meksikos įlankoje už maždaug 40 kilometrų į pietryčius nuo Johnsono centro. Ir iš tiesų, 30–50 µN trauka buvo užfiksuota.

Tačiau Eagleworks tyrimo grupės vadovas Haroldas White'as variklio veikimo principą aiškina visai kitaip, nei jo kūrėjas R. Shawyeris ir G. Fetta. Pasak jo, „papildomą trauką variklyje kuria magnetohidrodinaminė jėga, veikianti kvantines vakuumo fluktuacijas, tai yra, dėl sąveikos su „kvantine vakuumine virtualia plazma“ sukuriant virtualų plazminį toroidą“. Mat vakuumas – ne tuščia erdvė. Jis užpildytas nuolat atsirandančiomis ir išnykstančiomis elementariosiomis „virtualiomis“ – nes tiesiogiai jų stebėti negalime – dalelėmis. Paprasčiau tariant, laboratorijos darbuotojų nuomone, EmDrive ir panašūs įrenginiai sąveikauja ir atsistumia būtent nuo šių virtualių vakuumo dalelių. Nenuostabu, kad toks paaiškinimas mokslo bendruomenėje, švelniai tariant, visuotinio pritarimo nesulaukė. Vienas iš svarbiausių argumentų, išsakytų Eagleworks eksperimentų atžvilgiu – variklio bandymai buvo atlikti ne vakuume. Trauka galėjo rastis dėl oro konvekcijos apie bandinį. Taip pat išsakyta prielaida, kad rezonatoriuje „uždarytos“ mikrobangos kaitina svarstykles, taip iškreipdamos rodmenis. H. White'o optimizmas neįmanomojo variklio atžvilgiu pritarimo nesulaukė ir pačioje NASA'oje. Agentūra pažymi, kad Eagleworks – nedidelė laboratorija, kurioje dirba 5 žmonės. Ir likę 18 000 kosmoso agentūros darbuotojų gali jų požiūriui nepritarti.

Johnsono centre atlikti eksperimento trūkumai iš dalies buvo pašalinti Dresdeno Technikos universiteto fizikų atliktame eksperimente. Šį kartą bandymai vyko jau vakuuminėje kameroje. Autoriai pasistengė atsižvelgti ir į įrenginio elektros instaliacijos kuriamus efektus.Rezultatas – 20 µN trauka, kai magnetrono galingumas 700 W ir ir spinduliavimo dažnis 2,44 GHz. Pagrindinis Dresdeno tyrėjų atlikto eksperimento tikslas – pabandyti aptikti aparatinį efektą, sukeliantį trauką. Tačiau kas ją sukelia, darbo autoriams suprasti nepavyko.

---

---

---

„Neįmanomasis“ dėmesio vėl sulaukė 2016 metų lapkritį. Internete pasirodė nutekėjusi informacija apie tai, kad Eagleworks rengia pirmąją publikaciją recenzuojamame žurnale. Taip ir nutiko. Amerikos aeronautikos ir astronautikos instituto leidžiamame Journal of Propulsion and Power, buvo publikuotas naujas variklio tyrimas. Jis buvo atliktas daug tvarkingiau. Bandymui panaudotas Shawyerio versijos – primenantis varinį kibirą – modelis. Tyrėjai vėl panaudojo torsionines svarstykles tik šį kartą jau vakuuminėje kameroje (8x10-6 Torr [0,00106656 Pa]), ir taip pavyko dar padidinti bandymo tikslumą. Bandymai atlikti su trimis magnetrono galingumo nustatymais — 40, 60 ir 80 W. Eksperimente nustatyta, kad vakuume kuriama 1,2 mN/kW trauka. Įdomu, kad ši reikšmė 42 kartus didesnė, nei Dresdeno mokslininkų eksperimente. Tada sąžiningai išnagrinėti įmanomi matavimo klaidų šaltiniai. Iš viso jų rasta 9, įskaitant galimą fotonų nutekėjimą iš magnetrono (vadinamoji fotoninė raketa), elektromagnetinė sąveika su įrenginio elektrine grandine, temperatūrinis kai kurių torsioninių svarstyklių elementų plėtimasis ir galimas molekulių garavimas nuo bandinio paviršiaus. Visgi, Eagleworks nuomone, visi šie efektai pastebimai paveikti traukos negali. Pavyzdžiui, jei iš rezonatoriaus nutekėtų fotonai, trauka būtų skaičiaus eilėmis mažesnė, teigiama tyrime. Šiuolaikiniais vertinimais, norint gauti 1 niutono trauką, fotoninei raketai reikia mažiausiai 300 MW galios (nedidelės elektrinės galia).

Variklio veikimo principų paaiškinimas straipsnyje vėl sukėlė daugiau klausimų nei pateikė atsakymų. Darbo autorių nuomone, trauką gali paaiškinti vadinamoji pilotinės bangos teorija (Pilot wave). Šią vieną iš galimų kvantinės mechanikos interpretacijų 1927 metais pasiūlė fizikas teoretikas Louis de Broglie. Joje tariama, kad elementariųjų dalelių savybės aprašomos naudojant kvantinę mechaniką tik todėl, kad kol kas negalime stebėti realios jų dinamikos. Gi iš tiesų jos juda kaip makroskopiniai objektai apibrėžtomis trajektorijomis, kurias aprašo kol kas nežinomi mums parametrai. Straipsnyje aiškinama, kad EmDrive gali sąveikauti su virtualiomis vakuumo dalelėmis panašiai, kaip laivo sraigtas su vandeniu. Tačiau nuo pilotinės bangos teorijos pasirodymo praėjo 90 metų, ir mūsų dienomis ji tarp kvantinės mechanikos specialistų visiškai nepopuliari. Tad ši darbe išdėstyta traukos radimosi hipotezė ypatingo entuziazmo nesukėlė.

Didžioji dalis mokslo bendruomenės „neįmanomojo“ variklio bandymo rezultatais nepatikėjo. Marcas G. Millisas, vadovavęs dabar nebeveikiančiai Breakthrough Propulsion Physics lab laboratorijai, mano, kad anomali trauka galėjo atsirasti dėl variklio ir bandymo kameros sąveikos. Milliso laboratorija anksčiau užsiėmė analogiškomis užduotimis, kaip ir Eagleworks, tai yra, tikrino įvairius pusiau fantastinius kosminių variklių projektus. Tad panašių prielaidų darymo patirtį turi pakankamą. Rochesterio technologijos instituto astrofizikas ir Forbes mokslo apžvalgininkas Brianas Koberleinas pažymėjo, kad straipsnio publikavimas recenzuojamame žurnale dar nereiškia, kad rezultatai teisingi. Ir tokių pavyzdžių toli ieškot nereikia, pavyzdžiui, nesena istorija su BICEP2, kai buvo paskelbta apie gravitacinių bangų aptikimą remiantis reliktinio spinduliavimo poliarizacija. Darbas susilaukė plataus atgarsio ir buvo publikuotas gerbiamame Physical Review Letters žurnale. Tačiau vėlesnė analizė ir nauji kosminio teleskopo „Planck“ duomenys parodė, kad straipsnio autoriai matė ne gravitacinių bangų, o tarpžvaigždinių dulkių paveiktą reliktinį spinduliavimą. Kai kurie specialistai atkreipia dėmesį į didelę variklio traukos matavimo paklaidas. Paklaidos tokios didelė, kad norint, traukos priklausomybės nuo magnetrono galios liniją galima nubrėžti ne kaip augančią, o pavyzdžiui, kaip nekintančią ar netgi mažėjančią.

Beje, Journal of Propulsion and Power didelio pasitikėjimo nekelia. Jo JIF – kituose žurnaluose cituojamų straipsnių skaičiaus santykis su žurnalo publikacijų skaičiumi – yra maždaug 1,19 (2015/2016 metais). Tai nėra daug, ką nurodo daugelis publikacijos kritikų. Pavyzdžiui, Physical Review Letters žurnalo JIF buvo 7,6, Nature žurnalo – net 42,3.

EmDrive idėją sukritikavo ir Rusijos mokslininkai. Astrofizikas, laikraščio „Troickij variant“ vyr. redaktorius ir RMA kovos su pseudomokslu komisijos narys Borisas Šternas pačią neįmanomojo variklio sukūrimo galimybę pavadino kliedesiais. „Visiškai nebūtina nagrinėti prietaisą. Impulso tvermės dėsnio statusas pasaulio sandaroje yra lygiai toks pats, kaip energijos tvermės dėsnio (reliatyvumo teorijoje tai yra vienas dėsnis – energijos–impulso tvermės). Tačiau jau ne vieną šimtmetį vis nauji ir nauji nekompetentingi išradėjai siūlo naujus ir naujus amžinojo variklio variantus, kai kurie egzemplioriai truputėlį netgi veikia, panaudodami parazitinius efektus ir taip glumina liudininkus, kurių racionalusis požiūris į pasaulį nėra itin tvirtas. Naujų amžinųjų variklių autoriai jau seniai, dar neperžengę slenksčio, siunčiami atgal“, – parašė mokslininkas laikraščio svetainėje.

Prie svarstymų aktyviai prisijungia ir kosmonautika besidomintys interneto naudotojai. Pernai metų gale Reddit.com atitinkamoje temoje pasirodė įdomus naudotojo thatonefirst komentaras. Jis mano aptikęs klaidą Eagleworks eksperimente. Išnagrinėjęs torsioninių svarstyklių, kuriomis buvo bandomi varikliai, nuokrypio grafikus, jis pastebėjo, kad matavimo įrenginys, įjungiant EmDrive ir testinį impulsą reaguoja šiek tiek skirtingai. Į kalibravimo impulsą balansyras reaguoja praktiškai iš karto, o jį išjungus, lygiai taip pat staigiai grįžta į pradinę padėtį. Tačiau į EmDrive trauką torsioninės svarstyklės reaguoja inertiškiau ir nuokrypio kampas, panašu, dar kurį laiką didėja, netgi išjungus variklio maitinimą. Komentatorius spėja, kad tai aiškiai liudija kažkurio įtaiso elemento kaitimą ir šiluminį plėtimąsi, veikiantį svarstyklių rodmenis. Patys eksperimentatoriai straipsnyje tokį neįprastą balansyro nuokrypį aiškina torsioninių svarstyklių konstrukcijos ypatybėmis. Kas teisus, gal parodyti tik tolesni bandymai.

Tačiau jei neįmanomasis variklis išties veikė, tai iš esmės pakeistų kosminius skrydžius. Žinoma, nuo Žemės paviršiaus, naudojant tik EmDrive trauką, kosminiai aparatai nepakiltų, be cheminių raketų neapsieitume. O štai kosmose efektyvi būtų netgi nedidelė trauka, svarbiausia, kad ją būtų galima išlaikyti ilgai. Dabar Holo efektą panaudojantys joniniai varikliai, sunaudodami 1 kilovatą, gali suteikti 60 miliniutonų trauką, o tai gerokai viršija EmDrive galimybes. Tačiau kuro atsargos nėra begalinės. O nuolat veikiantis Shawyerio ir Fetto variklis būtų efektyvesnis. Pasak išradėjų, tokius variklius naudojanti automatinė stotis iki Marso nuskrietų per 70 dienų arba pristatytų 2000 kg krovinį už 0,1 šviesmečio per 15 metų. Skamba fantastiškai? Tačiau netgi atmetus tokius optimistinius pareiškimus, „neįmanomojo“ variklio naudojimas geostacionarių palydovų orbitos koregavimui gerokai sumažintų jų svorį, tad ir paleidimo kainą.

Bet ar EmDrive iš tiesų veikia? Didžioji dalis mokslo bendruomenės mano, kad greičiausiai ne. Pati EmDrive sukūrimo istorija trodo gan nemoksliška. Variklio išradėjas, ir bandymus atlikusi NASA siūlo visiškai skirtingas jo veikimo principą aiškinančias teorijas. O ir šių teorijų moksliškumas itin kvestionuotinas. Tokia istorija kuo puikiausiai būtų galėjusi nutikti XIX amžiuje, bet mūsų laikais fizikos srityje atsitiktiniams atradimams vietos jau seniai nebėra. Dabar eksperimentai praktiškai visada prasideda nuo teorijos, kurią jie patvirtina arba paneigia. Ir tai toli gražu nėra pirmas kartas, kai stebuklingosios „barono Miunchhauzeno“ technologijos išradėjas bando visą pasaulį įtikinti, kad jo metodas tai jau tikrai nenuvils. Taip buvo ir antroje šeštojo dešimtmečio pusėje, kai pasirodė Dino mašina. Jos kūrėjas Normanas Dinas tikino, kad spyruoklėmis ir ekscentrikais galima įveikti gravitacijos jėgą. Arba nesena istorija apie garsųjį „Gravicapą“ – tai irgi reaktyvinės masės nenaudojantis variklis. Šis įrenginys, nepaisant daugybės RMA Kovos su pseudomokslu komisijos protestų, buvo nusiųstas į kosmosą mažajame moksliniame palydove „Jubilejnyj“. Tačiau, kaip ir buvo galima tikėtis, fizikos dėsniai veikė, ir „Gravicapa“ kosmose buvo tik balastas. Kaip bebūtų, „neįmanomojo“ variklio bandymai tęsiasi. Ir nors tai nesuteiks žmonijai lengvo būdo keliauti po kosmosą, tačiau išmokys tiksliau atlikti bandymus ir atidžiau ieškoti matavimo klaidų. Gali būti, kad EmDrive dar pasitarnaus mokslo bendruomenei, tegul ir kiek kitaip, nei viliasi jo kūrėjai.