Unmöglicher Antrieb: Neue Theorie könnte Schub des EmDrive erklären
Plymouth (England) – Seit 10 Jahren rätseln und streiten Wissenschaftler und Forscher über den sogenannten EmDrive – ein Antriebskonzept, das elektrische Energie mittels Mikrowellen in Schubkraft umwandeln soll, ohne dabei klassische Treibmittel zu benötigen. Obwohl ein solches Prinzip eigentlich dem Impulserhaltungssatz zu widersprechen scheint, zeigten bislang sechs voneinander unabhängige Experimente und Analysen, dass die Apparatur dennoch einen messbaren Schub entwickelt. Die Frage nach dem „wie“, ist bislang jedoch unbeantwortet. Jetzt hat ein britischer Wissenschaftler eine mögliche Erklärung vorgelegt.
Das Hauptproblem der Schubentwicklung beim EmDrive ist jedoch nicht, dass die Eingabe grundsätzlich auch Schub entwickelt sondern, dass dieser Schub bzw. der Impuls mit zunehmender Bewegung sogar noch verstärkt wird, erläutert die „MIT Technology Review„. Woher jedoch dieser Impuls kommt, ist weiterhin umstritten und Inhalt kontroverser Diskussionen.
In einem jetzt und vorab auf „ArXiv.org“ veröffentlichten Artikel, präsentiert Mike McCulloch von der Plymouth University nun eine Theorie, die den selbst im Vakuum messbaren Impuls (…GreWi berichtete), erklären soll. McCullochs Ansatz basiert auf einer neuen Theorie zur Trägheit, die Vorhersagen über die Art und Weise macht, wie sich Objekte unter schwacher Beschleunigung verhalten.
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Die auch als „Beharrungsvermögen“ bezeichnete Trägheit, beschreibt das Bestreben von physikalischen Körpern, in ihrem Bewegungszustand zu verharren, solange keine äußeren Kräfte auf sie einwirken. In der modernen Physik wird die Trägheit als fundamentale Eigenschaft von Objekten angesehen, die einer Beschleunigung ausgesetzt sind. Tatsächlich kann Masse auch als Maß für Trägheit betrachtet werden. Warum diese Trägheit jedoch überhaupt existiert, beschäftigt die Wissenschaft schon seit Jahrhunderten.
McCullochs Theorie sieht den Ursprung der Trägheit nun in einem Effekt, der von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt und als „Unruh-Strahlung“ bezeichnet wird.
Der sog. Unruh-Effekt ist ein Phänomen der Quantenfeldtheorie, das bewirkt, dass ein beschleunigter Beobachter sich einer Schwarzkörperstrahlung mit einer Temperatur proportional zur Beschleunigung ausgesetzt sieht. Kurz: Das Universum erwärmt sich unter dem Einfluss von Beschleunigung
Laut dem Wissenschaftler wäre nun die Trägheit lediglich jener Druck, der durch die Unruh-Strahlung auf einen beschleunigenden Körper wirkt.
„Während diese Annahme auf der Erde nur schwer überprüft werden kann, wird es interessant sobald die beteiligten Beschleunigungen langsamer und die Wellenlänge der Unruh-Strahlung größer wird“, erläutert die „MIT Technology Review“ und führt weiter aus: „Bei sehr kleiner Beschleunigung wird die Wellenlänge so groß, dass sie nicht länger in das beobachtbare Universum passt. Wenn das passiert, kann die Trägheit nur noch ganz bestimmte Wellenlängenwerte annehmen und springt dann von einem zum nächsten Wert.“
Tatsächlich sieht McCulloch beobachtbare Indizien für diesen Vorgang in Form der bekannten Fly-by-Anomalien, die Raumschiffe beim Vorbeiflug an der Erde und anderen Planeten aufweisen, wenn es zu rätselhaften Anstiegen in der Bewegung der Raumschiffe und Sonden kommt. „Genau das wird von meiner Theorie vorhergesagt“, so der Forscher.
Während es wie gesagt schwer ist, diesen Effekt auf der Erde aufgrund der hierzu notwendigen extrem geringen Beschleunigung zu überprüfen, könne man es sich leichter machen, in dem man die Größe der Wellenlänge der Unruh-Strahlung reduziere. „Möglicherweise ist es genau das, was die EmDrive-Apparatur macht.“
Die Idee dahinter ist die (kontroverse) Vorstellung davon, dass Photonen, also Lichtteilchen träge Masse besitzen und somit auch der Trägheit unterliegen, wenn sie reflektiert werden. Die Unruh-Strahlung ist in diesem Fall jedoch so gering, dass sie mit ihrer direkten Umgebung – im Falle des EmDrives mit einem gestutzten Kegel – wechselwirken kann.
„Der Kegel erlaubt eine Unruh-Strahlung einer bestimmten Größe am größeren Ende, jedoch nur kleinere Wellenlängen am kleineren Ende des Kegels. Somit muss dich die Trägheit der Photonen im Innern des Kegels stetig ändern, wenn diese Photonen darin hin- und her reflektiert werden. Und genau um diesen Impuls – nun wieder in Übereinstimmung mit dem Impulserhaltungssatz – zu erhalten, entstehe nun der messbare Schub.
Um seine Theorie zu testen nutzte der Forscher Computermodelle der mit dieser Theorie vorhersagbaren entstehenden Kräfte. Und während präzise Berechnungen aufgrund der dreidimensionalen Natur des Problems äußerst schwierig sind, stimmen die bislang erzielten Ergebnisse mit den in allen bisherigen Experimenten zum EmDrive gemessenen Werten überein.
Darüber hinaus macht McCullochs Theorie sogar zwei überprüfbare Vorhersagen: Zum einen sollte ein im EmDrive-Kegel platziertes Dielektrikum die Effektivität des Antrieb erhöhen.
Zum anderen könnte sich einhergehend mit der Veränderungen der Ausmaße des Kegels die Schubausrichtung umkehren, wenn die Wellenlänge der Unruh-Strahlung besser mit der Größe des kleinen Endes des Kegels übereinstimmt als mit der des größeren Endes. Ein ähnlicher Effekt könne durch die Veränderung der Photonenfrequenz im Innern des EmDrives erzielt werden.
Laut McCulloch gibt es Indizien dafür, dass genau das in den von der NASA getesteten EmDrive-Experimenten passiert ist.
Hintergrund
Beim „EmDrive“ (ElectroMagnetic Drive), handelt es sich um das Konzept des britischen Wissenschaftlers und ehemaligen EADS-Atrium-Ingenieurs Dr. Roger Shawyer, das elektrische Energie mittels Mikrowellen in Schubkraft umwandeln soll – ohne dabei allerdings ein Treibmittel zu benötigen.Trotz der Behauptungen chinesischer Forscher, das Konzept bereits erfolgreich getestet zu haben, verbannten die meisten westlichen Wissenschaftler den „EmDrive“ ins Reich der Phantasie und Pseudowissenschaft – da es schließlich dem physikalischen Impulserhaltungsgesetz widerspreche.
2014 hat jedoch selbst die NASA das Konzept überprüft und in einem Fachartikel ebenfalls bestätigt, dass der Antrieb „prinzipiell tatsächlich funktioniere“ (…GreWi berichtete).
Da der „EmDrive“ ohne Treibstoff auskommt und die notwendigen Mikrowellen mittels Solarenenergie erzeugt werden können, könnte der Antrieb völlig neue Wege und Möglichkeiten der Raumfahrt aufzeigen, da das Konzept „eine (Antriebs-)Kraft erzeugt, die keinem klassischen elektromagnetischen Phänomen zugeschrieben werden könne“.
Der Antrieb bediene sich dabei möglicherweise subatomarer Teilchen, so die Vermutung der NASA-Wissenschaftler. Andere Forscher, wie auch der Erfinder des EmDrive, vermuten hinter dem auf den ersten Blick an das Konzept eines Perpetuum mobile erinnernden Antrieb einen Effekt der speziellen Relativitätstheorie (SRT).
Bislang beläuft sich der angeblich gemessene Schub noch im Bereich von Mikronewton und damit tatsächlich derart gering, dass die beteiligten Wissenschaftler alles daran setzten, auch unvorhergesehene Effekte und Phänomene als falsche Schubmessung auszuschließen. Sollte sich die Schubentwicklung sozusagen aus dem Nichts jedoch bestätigen und der EmDrive auf Raumschiffproportionen vergrößert werden können, könnte – so zeigen sich Raumfahrtvisionäre zuversichtlich – die etwa Reise zum Rand unseres Sonnensystems auf wenige Monate im Vergleich zu den derzeit noch notwendigen Jahrzehnten reduziert werden.
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