На пустом ведре

Британский инженер Роджер Шойер запатентовал новую версию двигателя EmDrive, интересного тем, что принципы его работы пока не получили научного объяснения с позиции закона сохранения импульса. Документ, описывающий устройство, доступен на сайте Офиса интеллектуальной собственности Великобритании. Подробнее о новом EmDrive и возможных перспективах его признания научным сообществом рассказывает «Лента.ру».

Концептуально двигатель EmDrive состоит из магнетрона, генерирующего микроволны, и резонатора, накапливающего энергию их колебаний. Внешне агрегат напоминает ведро. Конструкция, предложенная впервые в 1999 году Шойером, позволяет, по его словам, преобразовывать излучение в тягу. Запатентованную инженером модификацию EmDrive отличает то, что у большего основания резонатора есть сверхпроводящая пластина.

Шойер предлагает ее изготавливать из тонкой пленки оксида иттрия-бария-меди — высокотемпературного сверхпроводника с критической температурой минус 180 градусов Цельсия — и размещать на сапфировой подложке, охлаждаемой жидкими азотом, водородом или гелием. По мнению ученого, эта конструкция позволит уменьшить относительно стороннего наблюдателя изменение частоты электромагнитной волны при ее распространении в резонаторе и таким образом увеличить тягу двигателя.

У всех EmDrive есть одна странная особенность — при работе двигателя не фиксируются выбросы фотонов или других частиц из его резонатора, что объяснило бы возникновение тяги в соответствии с законом сохранения импульса. Нарушение этого фундаментального закона физики представляется совсем уж фантастичным.

В соответствии с теоремой Нетер законы сохранения — следствие симметрии пространства-времени. Закон сохранения импульса отражает однородность пространства — равноправность его свойств вне зависимости от выбранной в нем точки, а закон сохранения энергии — однородности времени. Отсутствие теоретического обоснования EmDrive — основное препятствие для его всеобщего признания.

Также мешает крайне малая тяга, развиваемая агрегатом, — на уровне веса комара, доли микроньютона. Не исключено, что это следствие неучтенного взаимодействия или ошибки измерения. Между тем такой тяги достаточно, чтобы достичь окраин Солнечной системы не за несколько десятилетий, а за несколько месяцев.

В 2016-м появились две работы, объясняющие принцип действия EmDrive. Правда, они выходят за рамки общепринятой физики и выглядят подгонкой теории под эксперимент. Обе работы предполагают пересмотр представлений о вакууме. Одна, выполненная физиком Майклом Маккалошем из Плимутского университета (Великобритания), требует наличия массивного фотона и переменной скорости света, другая, опубликованная финскими учеными, — деструктивной интерференции микроволн, гасящей колебания с противоположными фазами.

По Маккалошу массивные фотоны рождаются в результате эффекта Унру — возникновения теплового излучения в ускоренно движущейся системе отсчета. У большего основания резонатора длина волны излучения Унру меньше, у меньшего основания — больше. Это объясняется разницей эффективных масс фотонов.

К движению полости EmDrive в направлении ее вершины, по мнению Маккалоша, приводит именно закон сохранения импульса. Физик привел расчеты тяги EmDrive согласно представленной им теории. Получились значения 3.8, 149, 7.3, 0.23, 0.57, 0.11, 0.64 и 0.02 миллиньютона. По порядку это совпадает с экспериментальными данными — 16, 147, 9, 0.09, 0.05, 0.06, 0.03, и 0.02 миллиньютона.

Финские физики объяснили возникновение тяги в двигателе деструктивной интерференцией микроволн, приводящей к выделению из множества всех частиц в резонаторе EmDrive пар фотонов, находящихся в противофазе друг с другом. Они и уносят импульс в сторону, противоположную наблюдаемому в экспериментах движению агрегата.

По мнению ученых, тягу создают волны, длина которых не кратна расстоянию между стенками полости. Направление тяги определяется асимметричной геометрией полости EmDrive. Если бы она была симметричной, например строго цилиндрической, а не конусообразной, тяги бы не возникло. Ученые отмечают, что любая асимметричная полость EmDrive способна воспроизвести тягу.

В этом смысле работа финских физиков подтверждает выводы Маккалоша о важности геометрии резонатора для создания тяги. Если длина оси полости равна диаметру малого основания (вершины), то направление тяги будет противоположным. Кроме того, по Маккалошу, введение диэлектрика в полость повышает тягу.

Сам Шойер, возглавляющий компанию Satellite Propulsion Research, в настоящее время работает над беспилотным летательным аппаратом, основанным на EmDrive. Запуск запланирован на 2017 год. По словам Шойера, у беспилотника не будет крыльев и винтов, внешне он будет напоминать автомобиль. В недавнем интервью International Business Times инженер заявил, что к EmDrive проявляют интерес военные из США и Великобритании.

Также эксперименты с EmDrive проводят группы энтузиастов в Великобритании, Германии, США и Китае. В НАСА в Космическом центре Джонсона в Техасе работает группа ученых Eagleworks. На форуме NASA Spaceflight в августе 2016 года сообщили, что они направили на публикацию в рецензируемый Journal of Propulsion and Power статью об EmDrive. В случае успешного рецензирования работа выйдет в свет в декабре 2016-го.