Co je mikrovlnný (EM) motor?

Jde o velmi jednoduché zařízení, skládající se z měděného dutinového rezonátoru kónického tvaru. V podstatě se jedná o měděný trychtýř, u kterého je konec s menším průřezem uzavřen dielektrickým rezonátorem. Uvnitř dutiny je pak anténa generující mikrovlnné záření (většinou magnetron) s frekvenci v oblasti gigahertzů. Předpokládá se, že se tímto specifickým tvarem vytváří rozdíl tlaku na předním a zadním konci zařízení. Ve směru k menšímu konci se tak má generovat sice velmi malý, ale podle některých experimentů znatelný tah.

Zásadní výhoda a průlomová vlastnost tohoto motoru je zároveň i základní překážkou pro přijetí jeho existence. Motor by totiž nepotřeboval palivo, stačila by dodávaná energie. To, co by motor musel nést, by byly zdroje energie, ale nebylo by potřeba vyvrhovat žádnou hmotnost tryskou. Raketa by tak nemusela nést obrovskou hmotnost, jejíž tryskání umožňuje na základě zákona akce a reakce tah jejího motoru. Umožnilo by to obrovský průlom v oblasti meziplanetárního i mezihvězdného cestování. Stále bychom zůstali v oblasti podsvětelných rychlostí, ale dosažení těch velmi vysokých by se dramaticky usnadnilo.

Takový motor bez paliva však popírá platnost zákona akce a reakce a zákon zachování hybnosti. A právě zákon zachování hybnosti je spolu se zákonem zachování energie tím nejfundamentálnějším zákonem ve fyzice. Zákony zachování energie, hybnosti a momentu hybnosti jsou jedny z nejpečlivěji kontrolovaných a zatím všem testům a hledáním případného jejich narušení odolaly. Připomeňme, že na základě pozorování narušení těchto zákonů při měření spektra elektronů emitovaných při rozpadu beta předpověděl Wolfgang Pauli existenci nové částice – neutrina. Ta byla po zhruba čtvrt století detekována. Stejně tak byla potvrzena řada dalších částic i procesů předpovězených na základě zdánlivého narušení těchto zákonů. Zároveň žádné intenzivní testy jejich narušení neprokázaly.

Pochopitelně nelze jejich narušení úplně vyloučit a i proto jsou podrobovány neustálému ověřování. Ovšem experimentální evidence narušení těchto zákonů musí být velmi průkazná a velice dobře podložená.

Je třeba zmínit, že fotony elektromagnetického záření mají také hybnost a jejich vyzařování vede ke klasickému tahu odpovídajícímu zákonu akce a reakce a zákonu zachování hybnosti. Ovšem v tomto případě bude maximální produkovaný tah v ideálním případě pouze 3,3 mikronewtonu na 1kW. Zařízení funguje jako klasická fotonová raketa, dosažitelný tah je tak velmi malý.

 

První návrh mikrovlnného motoru a testy Rogera Shawyera

S koncepcí takového zařízení přišla v roce 2001 firma Satelitte Propulsion Research (Ltd UK) založená Rogerem J. Shawyerem. Ten se snažil vysvětlit fungování takového motoru na základě nestandardní interpretace klasické teorie elektromagnetického pole. Postavil také první takový motor založený na magnetronu z mikrovlnky s frekvencí 2,5 GHz a výkonu 850 W. Jeho průměr byl 160 mm. Hmotnost bedny se zařízením byla celkově 15,544 kg. Samotný motor s generátorem vážily dohromady 9,4 kg. Pro testování v roce 2003 byly využity váhy, které dokázaly měřit malé rozdíly hmotností umístěných na svých dvou ramenech. Podle směru práce motoru pak jednou bylo rameno na jedné straně lehčí nebo těžší o zhruba dva gramy. Dostával se tak tah zhruba 23 mN/kW, přičemž nejistota měření byla v řádu jednoho milinewtonu. V daném případě tedy přes 5 %.

Druhá vylepšená varianta byla dokončena a testována v roce 2007. Její průměr byl 280 mm a příkon 1200 W. Pozorovaný tah byl okolo 250 mN. V testech s výkonem mikrovln 1000 W se dosáhlo tahu 287 mN. V tomto případě tak větší varianta motoru dosahuje tahu přes 200 mN na výkon jednoho kilowattu. Tyto výsledky odpovídaly zhruba předpovědím Shawyerova modelu.

 

Guido Fetta a jeho motor Cannae.

Velice podobné zařízení složené z měděného trychtýře, pouze byl trochu širší a nezužoval se tak rychle, navrhl a realizoval Guido Fetta v roce 2006 prostřednictvím své firmy Cannae Inc. Jeho pohled na teoretické vysvětlení fungování motoru byl založen na nestandardním použití kvantové teorie pole a hlavně vlastností kvantového vakua. Právě hypotézy opírající se o využití vakua a pojmu virtuálních částic jsou často navrhovány jako vysvětlení možné funkce mikrovlnného motoru. Problém ovšem je, že všechny jsou založeny na představách, které jsou za hranicemi „standardní“ a potvrzené kvantové teorie.

V současné době pracuje firma na tom, aby model tohoto zařízení poslala na oběžnou dráhu s využitím standardizované sondy CubeSat. Předpokládá se potřeba sondy složené z 6 základních bloků CubeSat.

 

Měření profesorky Juan Yang v Číně

Na přelomu prvních desetiletí jedenadvacátého století bylo provedeno několik měření na různých zařízeních v Číně a v USA. Zaměříme se napřed na čínská měření, která začala na Letecké fakultě Severozápadní polytechnické universitě v Xi´an v roce 2008. První výsledky byly prezentovány v roce 2011 a postupně byly doplňovány v následujícím období. Vedla je profesorka zmíněné fakulty Juan Yang.

 

V tomto případě se prováděly první testy se zařízením pracujícím při podobné frekvenci 2,45 GHz, jako využíval Shawyer, s výkonem od 80 W až po 2,5 kW. Naměřená hodnota tahu se pohybovala v rozmezí od 70 do 720 mN s celkovou chybou do 12 %. Měřící zařízení bylo založeno na vyrovnávání tahu a odporové elektrické síly vznikající pohybem vůči elektrickému vinutí.

Dvě série měření byly prováděny ve dvou různých rozsazích výkonů. První série proběhla v rozmezí od 80 do 1200 W. Zde napřed tah stoupal od 70 mN k maximu při 300 W, kdy je jeho hodnota zhruba 270 mN. Pak začal tah klesat k minimu 180 mN při výkonu 600 W a pak rostl tak, že u výkonu 1200 W dosáhl hodnoty okolo 250 mN. Druhá série proběhla v rozsahu výkonu mezi 300 až 2500 W. Od maxima při výkonu 300 W s hodnotou tahu 310 mN klesla síla k minimu při výkonu 800 W s hodnotou tahu okolo 170 mN a pak stoupala k hodnotě tahu až 720 mN při výkonu 2500 W. Je vidět, že v překryvu se obě série měření vcelku shodují. Zároveň v tomto případě nerostl tah s výkonem příliš lineárně a poměr mezi tahem a výkonem byl v dost širokém rozmezí, od 150 mN/kW do 1000 mN/kW.

 

Ve Velké Británii a Číně se používala velice podobná zařízení a dávala podobný poměr tahu a výkonu v rozmezí stovek mN/kW. I v tomto parametru se tyto práce vzájemně podporovaly. Naměřené hodnoty tahu nebyly takové, aby byly na hraně možností použitých měřících zařízení. Takže z tohoto hlediska by mělo jít o spolehlivé prokázání. Na druhé straně produkovaný tepelný výkon způsobující ohřev okolního vzduchu, případná vytvářená elektrická a magnetická pole a další možné procesy mohly také vytvářet tah, který by mohl imitovat práci mikrovlnného motoru. A právě vliv těchto systematických neurčitostí a vlivů bylo třeba vyloučit. V popsaných experimentálních pracích byly možné vlivy rozebrány a diskutovány, ale přesto zůstala celá řada pochybností. Proto bylo jasné, že by bylo potřeba provádět měření za ještě lepších a spolehlivěji kontrolovaných podmínek.

Jednou z možností je použití citlivějšího měřícího zařízení, například torzních vah v co nejstabilnějších podmínkách, nejlépe ve vakuu. Tímto směrem se vydali i čínští vědci pod vedením Juan Yang. Už v roce 2014 odvolali právě popsané výsledky z předchozích let. Chybná měření byla způsobena problémy s kabely, které dodávaly energii do generátoru mikrovlnného záření. Při nových měřeních se tak využila baterie. Zároveň se měření tahu začalo realizovat právě pomocí torzních vah. Začátkem roku 2016 tak vyšla publikace, ve které skupina oznamuje, že se ji nepodařilo při výkonu motoru 230 W naměřit tah, který by překračoval hodnotu 0,7 mN. Což je odhad nejistoty výsledku měření využívaného zařízení. Vzhledem k tomu, že článek je v čínštině a dostupné překlady nejsou příliš kvalitní, je otázka spolehlivého popisu přesnosti daných měření trochu otevřená. Je však jasné, že pro daný výkon se nepozoruje žádný tah větší než pár mN. Produkovaný tah na jednotku výkonu tak je určitě menší než 10 mN a spíš nižší než 5 mN. Předchozí měření Rogera Shawyera i Juan Yang, která dávají o řád až dva vyšší hodnoty, tak lze označit jako produkt experimentálních chyb.

Podrobně jsem tato chybná měření popsal i z toho důvodu, že z této historie lze vyvodit několik velmi důležitých poučení. Pokud jsou měření blízko citlivosti použité aparatury a metodiky, kdy mohou být výsledky ovlivněny řadou ne zcela jasných faktorů, je i v případě, že naměřené výsledky vypadají dost přesvědčivě, reálná možnost, že jsou chybné. Jestliže výzkumy a měření provádí skuteční vědci, kterým jde o zjištění reálného fungování přírody, není problém s odvoláním chybných výsledků. V případě tak silných tvrzení, jako je popření základních zákonů zachování či návrhu úplně nové exotické fyziky, je třeba klást na průkaznost experimentálních měření ještě vyšší nároky.

A s těmito ponaučeními se nyní podívejme na měření, která významně posunula citlivost určování tahu a zajištění stabilizovaných podmínek. V laboratoři NASA se prováděly experimenty s různými variantami mikrovlnného motoru pomocí torzních vah, nejdříve v chráněné komoře ve vzduchu, v pozdějším období pak i ve vakuu docíleném ve vakuové komoře. Testovaly se zde jak varianta podobná těm navrženým Shawyerem, tak motor Cannae navržený Fettou.

 

Měřící zařízení

Mikrovlnný motor testovaný NASA v měřeních popsaných v první publikaci v recenzovaném časopise pracoval při frekvenci generátoru mikrovln 1,938 GHz. Průměr užšího konce byl 159 mm a širšího konce pak 229 mm. Samotné měřící zařízení, na které se motor umístil, se nachází ve velké vakuové komoře Johnsonova vesmírného střediska v Houstonu a jde o velmi přesné torzním váhy. Ty jsou konstruovány převážně z hliníku. Dokáží měřit tahy, které jsou na úrovni mikronewtonů. Síla v tomto případě způsobí pootočení ramen torzních vah a příslušný pohyb se měří. Pro kalibraci se využívá zařízení produkující definovanou elektrostatickou sílu. Měření bylo nejdříve prováděno sice ve vakuové komoře, ale bez vakua. Některé použité komponenty by totiž mohly být vakuem zničeny. Po úpravách motoru bylo možné pracovat ve vakuu na úrovni 10^-5 Pa.

 

Průběh a výsledky experimentů

Jak bylo zmíněno, provedlo se několik sérií měření s různými sestavami, nejdříve ve vakuové komoře bez dosažení vakua a potom i ve vakuu. My se podrobněji podíváme na studii provedenou ve vakuu, která je obsahem prvního článku o testech mikrovlnného motoru v recenzovaném časopise.

Experimenty spočívaly v krátkých impulsech trvajících zhruba 40 s. Docházelo při nich ke skládání dvou efektů, samotného hypotetického tahu motoru a vlivu tepelného vznikajícího zvyšováním teploty vlivem mikrovlnného ohřevu v komoře. Oba efekty se ukázaly být na zhruba stejné úrovni. Zároveň velice dobře pozorovatelné a více než o řád větší než je citlivost použitých torzních vah.

Testovaly se pulsy při třech různých hodnotách výkonu 40, 60 a 80 W. Vždy se střídal tah v jednom a druhém směru. Zároveň se využíval kalibrační puls, kdy byl tah vytvářen definovanou elektrostatickou silou generovanou rozdílem potenciálu. Ukázka jednoho z měření při výkonu 60 W je na obrázku.

 

Pro každou ze tří hodnot výkonu bylo realizováno několik měření při tahu v dopředném i opačném směru. Rozptyl hodnot je o něco větší, než odpovídá čistě uvedeným nejistotám a statistickému rozptylu. Ukazuje to na přítomnost některých nezapočtených systematických nejistot, ale celkově nejsou rozdíly nijak kritické. Po proložení lineární závislosti dostaneme růst tahu 1,2 mN/kW. Tedy o dva až tři řády nižší hodnota, než byly odhady a měření Rogera Shawyera a původní měření čínské skupiny. Naopak se plně potvrdil negativní výsledek přesnějších měření Číňanů. Jejich aparatura neměla dostatečnou citlivost, aby efekt pozorovaný v laboratoři NASA mohla zaznamenat.

Pozorovaný tah na jednotku výkonu je však stále o více než dva řády vyšší, než by byl u ideálního fotonového motoru. U fotonové rakety a sluneční plachetnice poháněné slunečním zářením nebo laserem, dostáváme v ideálním případě hodnoty tahu 0,0033 a 0,0066 mN pro výkon 1kW, tedy ty o více než dva řády menší hodnoty než pozorované při popisovaných měřeních. Připomeňme ještě, že každý iontový motor sondy Dawn má maximální tah 91 mN a jejich potřebný příkon je právě v řádu kilowattu. U něj jde tedy o hodnotu zhruba o dva řády větší.

 

 

Závěr

Nová měření skupiny na čínské universitě a v laboratoři NASA jasně vyvrátila možnost existence mikrovlnného pohonu popsaného Rogerem Shawyerem a také jeho model. Pozorovaný tah je o dva až tři řády nižší. Pokud je tedy pozorovaná hodnota reálná, musí být spojena s úplně jinou fyzikální interpretací. I autoři článku o měřeních provedených v laboratoři NASA se tak obracejí k nestandardním a exotickým kvantovým hypotézám. V tomto případě se opírají o Bohmovu interpretaci kvantové fyziky (teorii pilotní vlny).

Hodnoty tahu naměřené pomocí torzních vah ve vakuové komoře laboratoře NASA jsou o více než řád vyšší než je citlivost tohoto zařízení. Zároveň je však vidět, že jejich velikost je srovnatelná s vlivem tepla z ohřevu při provozu a to i ve zmíněném vakuu. Je tak možné, že mohou existovat i jiné systematické vlivy provozu zařízení, které mohou imitovat tah motoru. Zvláště, když jde o velice podobnou situaci, jako v předchozích případech, kdy je jev sice jasně viditelný, ale srovnatelný s dopadem různých procesů systematicky ovlivňujících měření.

Podle mého názoru je tak velmi pravděpodobné, že další posun v citlivosti měření a odstraňování zdrojů různých vnějších vlivů imitujících očekávaný tah, povedou k dalšímu snížení hodnoty možného efektu, až se postupně dostaneme k hodnotám předpovídaným pro klasické fotonové motory, které plně odpovídají současné fyzice. V každém případě nejsou popsané výsledky publikované v nejnovějším článku laboratoře NASA dostatečně průkazné, aby se na jejich základě dalo přijmout narušení platnosti zákona zachování hybnosti a nová exotická fyzika.

Pokud se má předpověď vyplní, nebudu nijak jásat. Naopak bych byl nadšený v případě, že by se pozorovaný efekt potvrdil. Autoři upozorňují, že jejich systém není nijak vylaďovaný a v případě reálnosti jejich výsledků by se dal určitě tah motoru zvětšit. Je sice malý ale stejně jako u iontových motorů by jeho dlouhodobá činnost vedla v konečném důsledku k dosažení velmi vysokých rychlostí. Navíc jeho klíčovou výhodou by bylo právě to, že na rozdíl od iontových motorů by mu stačil zdroj energie a nepotřebovaly by palivo. Zavedení mikrovlnného pohonu by tak mohlo znamenat zmiňovaný zásadní zlom v meziplanetárním cestování. A také průlom do hájenství nové exotické fyziky a cestu do světa Star Trek.

V podmínkách testování v pozemních laboratořích se využívají jen krátké pulsy, v případě testování na orbitě okolo Země by byl možný dlouhodobý provoz, který by umožnil dosáhnout velkého a dobře pozorovatelného celkového impulsu. To je naděje, že nám nové informace může přinést CubeSat firmy Cannae Inc., i když na oběžné dráze bude na sondu působit řada jevů, které mohou vliv práce motoru překrývat či imitovat. Bude tak potřeba činnost motoru a pohyb sondy pečlivě analyzovat. V každém případě pro úplné vyřešení otázky, zda alespoň nějaká forma mikrovlnného motoru funguje, bude potřeba dalších velice pečlivých a citlivých měření v co nejkontrolovanějších podmínkách.

 

Pro zájemce o problematiku mezihvězdných letů je možné se podívat na populární přednášku autora v rámci Týdne vědy, který organizovala Akademie věd:

Použitá literatura:

Roger J. Shawyer: Technical Report on the Experimental Microwave Thruster, September 2002 Issue 2

Roger J. Shawyer: Technical Report on the Development of a Microwave Engine for Satellite Propulsion, July 2006 Issue 2

Yang Juan,Wang Yu-Quan,Li Peng-Fei et al. : Net thrust measurement of propellantless microwave thrusters, Acta Phys. Sin, 2012, 61(11): 110301

Yang, Juan et al.: Thrust Measurement of an Independent Microwave Thruster Propulsion Device with Three-Wire Torsion Pendulum Thrust Measurement Systém, Journal of Propulsion Technology (in Chinese) 37 (2): 362–371, 2016.

D. A. Brady, H. G. White, P. March, J. T. Lawrence a F. J. Davies: Anomalous Thrust Production from an RF Test Device Measured on a Low-Thrust Torsion Pendulum

H. G. White, P. March, J. T. Lawrence, J. Vera, A.Sylvester, D. A. Brady a P. Bailey: Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum, Journal of Propulsion and Power, DOI: 10.2514/1.B36120

a řada dalších zdrojů na internetu.

 

Psáno pro Kosmonautix a osel.cz