Die merkwürdige Verbindung zwischen der Fly-By-Anomalie und dem unmöglichen EmDrive-Triebwerk

Vor etwa 10 Jahren erhob ein wenig bekannter Luft- und Raumfahrtingenieur namens Roger Shawyer eine außergewöhnliche Behauptung. Nehmen Sie einen Kegelstumpf, sagte er, lassen Sie Mikrowellen darin hin und her prallen, und das Ergebnis wird ein Stoß zum schmalen Ende des Kegels sein. Voila … ein revolutionäres Triebwerk, das Raumschiffe zu den Planeten und darüber hinaus schicken kann. Shawyer nannte es EmDrive.

Shawyers Ankündigung war äußerst umstritten. Das System wandelt eine Energieart in kinetische Energie um, und es gibt viele andere Systeme, die etwas Ähnliches tun. Insofern ist es unauffällig.

Die konzeptionellen Probleme entstehen mit Schwung. Der Gesamtimpuls des Systems nimmt zu, wenn es sich zu bewegen beginnt. Aber woher kommt dieser Schwung? Shawyer hatte keine überzeugende Erklärung, und Kritiker sagten, dies sei ein offensichtlicher Verstoß gegen das Gesetz der Impulserhaltung.



Shawyer konterte mit experimentellen Ergebnissen, die zeigten, dass das Gerät so funktionierte, wie er behauptete. Doch seine Kritiker zeigten sich unbeeindruckt. Der EmDrive, sagten sie, sei gleichbedeutend damit, einen Schub zu erzeugen, indem man in einer Kiste steht und an den Seiten drückt. Mit anderen Worten, es war Schlangenöl.

Seitdem ist etwas Interessantes passiert. Verschiedene Teams auf der ganzen Welt haben damit begonnen, ihre eigenen Versionen des EmDrive zu bauen und sie auf Herz und Nieren zu prüfen. Und zu jedermanns Überraschung haben sie begonnen, Shawyers Ergebnisse zu reproduzieren. Der EmDrive scheint wirklich Schub zu erzeugen.

Im Jahr 2012 gab ein chinesisches Team an, einen Schub gemessen zu haben, der von seiner eigenen Version des EmDrive erzeugt wurde. Im Jahr 2014 baute ein amerikanischer Wissenschaftler einen EmDrive und überredete die NASA, ihn mit positiven Ergebnissen zu testen.

Und letztes Jahr führte die NASA eigene Tests im Vakuum durch, um Luftbewegungen als Ursprung der Kraft auszuschließen. Auch die NASA bestätigte, dass der EmDrive einen Schub erzeugt. Insgesamt sechs unabhängige Experimente haben Shawyers ursprüngliche Behauptungen gestützt.

Damit bleibt ein wichtiges Rätsel – wie die scheinbare Verletzung der Impulserhaltung zu erklären ist.

Heute erhalten wir dank der Arbeit von Mike McCulloch von der Plymouth University im Vereinigten Königreich eine Art Antwort. McCullochs Erklärung basiert auf einer neuen Trägheitstheorie, die überraschende Vorhersagen darüber macht, wie sich Objekte bei sehr kleinen Beschleunigungen bewegen.

Zuerst etwas Hintergrund. Trägheit ist der Widerstand aller massiven Objekte gegen Bewegungsänderungen oder Beschleunigungen. In der modernen Physik wird Trägheit als grundlegende Eigenschaft massiver Objekte behandelt, die einer Beschleunigung ausgesetzt sind. Tatsächlich kann man sich die Masse als Maß für die Trägheit vorstellen. Aber warum Trägheit überhaupt existiert, beschäftigt Wissenschaftler seit Jahrhunderten.

McCullochs Idee ist, dass Trägheit aus einem Effekt entsteht, der von der allgemeinen Relativitätstheorie namens Unruh-Strahlung vorhergesagt wird. Dies ist die Vorstellung, dass ein beschleunigendes Objekt Schwarzkörperstrahlung erfährt. Mit anderen Worten, das Universum erwärmt sich, wenn Sie beschleunigen.

Nach McCulloch ist Trägheit einfach der Druck, den die Unruh-Strahlung auf einen beschleunigenden Körper ausübt.

Das ist bei den Beschleunigungen, die wir normalerweise auf der Erde beobachten, schwer zu testen. Interessant wird es aber, wenn die beteiligten Beschleunigungen kleiner und die Wellenlänge der Unruh-Strahlung größer wird.

Bei sehr kleinen Beschleunigungen werden die Wellenlängen so groß, dass sie nicht mehr in das beobachtbare Universum passen. In diesem Fall kann die Trägheit nur bestimmte Werte ganzer Wellenlängen annehmen und springt daher von einem Wert zum nächsten. Mit anderen Worten, die Trägheit muss bei kleinen Beschleunigungen quantisiert werden.

Laut McCulloch gibt es dafür Beobachtungsbeweise in Form der berühmten Fly-by-Anomalien. Dies sind die seltsamen Impulssprünge, die bei einigen Raumfahrzeugen beobachtet werden, wenn sie an der Erde vorbei auf andere Planeten zufliegen. Das ist genau das, was seine Theorie vorhersagt .

Es ist schwierig, diesen Effekt auf der Erde genauer zu testen, weil die beteiligten Beschleunigungen so gering sind. Aber eine Möglichkeit, es einfacher zu machen, wäre, die Größe der zulässigen Wellenlängen der Unruh-Strahlung zu reduzieren. Das ist es, was der EmDrive tun könnte, sagt McCulloch.

Die Idee ist, dass Photonen, wenn sie eine träge Masse haben, bei der Reflexion Trägheit erfahren müssen. Aber die Unruh-Strahlung ist in diesem Fall winzig. So klein, dass es mit seiner unmittelbaren Umgebung interagieren kann. Beim EmDrive ist dies der Kegelstumpf.

Der Kegel lässt am großen Ende Unruh-Strahlung einer bestimmten Größe zu, am anderen Ende jedoch nur eine kleinere Wellenlänge. Daher muss sich die Trägheit der Photonen im Hohlraum ändern, wenn sie hin und her springen. Und um Schwung zu erhalten, muss dies einen Schub erzeugen.

McCulloch stellt diese Theorie auf die Probe, indem er sie verwendet, um die Kräfte vorherzusagen, die sie erzeugen muss. Die genauen Berechnungen sind aufgrund der dreidimensionalen Natur des Problems komplex, aber seine ungefähren Ergebnisse stimmen in allen bisher durchgeführten Experimenten mit der Größenordnung des Schubs überein.

Entscheidend ist, dass McCullochs Theorie zwei überprüfbare Vorhersagen macht. Der erste ist, dass das Platzieren eines Dielektrikums innerhalb des Hohlraums die Wirksamkeit des Triebwerks verbessern sollte.

Zweitens kann die Änderung der Abmessungen des Hohlraums die Schubrichtung umkehren. Das würde passieren, wenn die Unruh-Strahlung der Größe des schmalen Endes besser entspricht als dem großen Ende. Eine Änderung der Frequenz der Photonen im Hohlraum könnte einen ähnlichen Effekt erzielen.

McCulloch sagt, dass es einige Beweise dafür gibt, dass genau dies passiert. Diese Schubumkehr könnte in jüngsten NASA-Experimenten beobachtet worden sein, sagt er.

Das ist eine interessante Idee. Der EmDrive von Shawyer hat das Potenzial, die Raumfahrt zu revolutionieren, da er keinen Treibstoff benötigt, den größten einschränkenden Faktor in heutigen Antriebssystemen. Da es jedoch keine überzeugende Erklärung dafür gibt, wie es funktioniert, sind Wissenschaftler und Ingenieure verständlicherweise vorsichtig.

McCullochs Theorie könnte helfen, das zu ändern, obwohl sie kaum eine Mainstream-Idee ist. Es macht zwei herausfordernde Annahmen. Erstens haben Photonen eine träge Masse. Zweitens muss sich die Lichtgeschwindigkeit innerhalb des Hohlraums ändern. Das wird vielen Theoretikern nicht leicht fallen.

Aber je mehr experimentelle Bestätigungen von Shawyers EmDrive auftauchen, desto mehr geraten Theoretiker in eine schwierige Lage. Wenn nicht McCullochs Erklärung, was dann?

Ref: arxiv.org/abs/1604.03449 : Testen der quantisierten Trägheit auf dem EmDrive

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