Wetenschappers weten bijna hoe NASA’s “onmogelijke” EmDrive werkt

Giulio Prisco is futurist, theoretisch natuurkundige en computerwetenschapper. Hij schrijft over wetenschap, technologie en de toekomst. Hij is ook medeoprichtermedeoprichter van Space Cooperative .

Een voorlopige theoretische verklaring voor het mysterieuze, “onmogelijke” EmDrive-aandrijvingssysteem werd afgelopen augustus gepubliceerd in het Journal of Applied Physical Science International. Dit systeem is oorspronkelijk bedacht door de Britse ingenieur Roger Shawyer en bestaat uit een asymmetrische doos die eruit ziet als een afgeknotte kegel, met aan de binnenkant een magnetisch veld dat de boel vooruit lijkt te kunnen stuwen.

Ondertussen beweert het staatspersbureau van China dat wetenschappers uit het land een werkend prototype van de EmDrive hebben geperfectioneerd en nu voorbereidingen aan het treffen zijn om het in de ruimte te testen. NASA financiert ook een onderzoek naar de haalbaarheid van een interstellaire missie die wordt aangedreven door een soortegelijk exotisch aandrijvingssysteem.

In september 2016 kwamen aandrijvingsonderzoekers bijeen voor een exclusieve workshop in een geïsoleerd hutje op de spreekwoordelijke hei. De aantekeningen en video’s van de workshop, die werd gesponsord door het Space Studies Institute, zijn online beschikbaar.

Later dat jaar beschreef een paper van het Eagleworks-team van NASA met de titel Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum veelbelovende experimentele resultaten, en hintte het naar mogelijke theoretische modellen van de EmDrive.

De publicatie van NASA’s paper deed bepaalde kritiek verstommen die erop neerkwam dat er niet genoeg over de EmDrive gepubliceerd werd in wetenschappelijke tijdschriften. Maar een serieuzer debat dat over iets veel belangrijkers gaat: de fundamentele wetten van de natuurkunde. Sommige wetenschappers denken dat EmDrive-technologie onmogelijk is, omdat het niet lijkt te passen bij ons huidig begrip van hoe het universum zou moeten werken.

De wet van behoud van impuls stelt dat er geen enkele manier is waarop elektromagnetische golven die in een doos rondstuiteren die doos vooruit kunnen duwen. Tenzij er andere natuurkundige effecten in het spel zijn die de beweging “wegdragen”, tenminste.

Ruimtevaartuigen werken vandaag de dag ongeveer zo: uitlaatgassen zorgen voor voorwaartse impulsen. Maar de noodzaak om genoeg aandrijfmiddelen mee te nemen maakt ruimtemissies over lange afstanden zo duur dat ze daardoor praktisch onhaalbaar zijn.

Als de reactievrije EmDrive werkt, zou het de deur openen voor reactievrije ruimtemissies, waardoor we planeten in een kwestie van weken zouden kunnen bereiken in plaats van maanden. Uiteindelijk zou het ons zelfs naar de sterren kunnen brengen. Het is daarom niet gek dat vooruitstrevende ingenieurs experimenteel en theoretisch EmDrive-onderzoek blijven doen, ondanks de controversiële aard van de technologie.

In het lab proberen EmDrive-onderzoekers te bewijzen dat er sprake is van aandrijving. Het paper van NASA uit 2016 doet verslag van een bescheiden aandrijving die buiten de experimentele foutmarges valt. Maar deze manier van aandrijven zou veel beter werken dan de zware manieren van aandrijven met brandstof die we nu kennen, vooral bij langeafstandsmissies. Het is volgens de wetenschappers zelfs zo dat de EmDrive het beter zou doen dan andere “aandrijfvrije” aandrijfsystemen die tot op heden zijn onderzocht, zoals lichtzeilen.

Theoretisch natuurkundigen proberen te begrijpen hoe en waarom EmDrive-aandrijving werkt. Het paper van NASA komt met een voorlopige verklaring die gebaseerd is op een theorie uit de kwantumfysica, “een nonlokale verborgen-variabele theorie, of pilot-wave theorie in het kort.”

Een nieuw onderzoekspaper van een Portugese wetenschapper met de titel “A Possible Explanation for the Em Drive Based on a Pilot Wave Theory” doet het de laatste tijd goed onder EmDrive-enthousiastelingen op het NasaSpaceFlight-forum. Het paper (paywall) komt met een vergelijkbaar model met dat van NASA (hier vind je een open access proefvariant.)

Pilot-wave theorieën zijn rond de jaren 20 van de vorige eeuw bedacht door kwantumfysici, met name Louis de Broglie en David Bohm, om het rare gedrag van kwantummaterie beter te begrijpen. Dit soort theorieën is de afgelopen tijd populairder geworden nadat ontdekt werd dat pilot-wave kwantumachtig gedrag kon worden gereproduceerd in klassieke vloeistoffen en uitgelegd door klassieke (niet-kwantum) vloeistofdynamica.

Het lijkt erop dat druppeltjes vloeistof die op een vibrerend vloeistoffenbad stuiteren een pilot-wave veld genereren, dat op zijn beurt de beweging van de druppeltjes zelf aanstuurt met een opvallende gelijkenis met kwantumgedrag. De nonlokale “enge actie op een afstand” die Einstein achter zijn oren deed krabben, moet er nog steeds bij worden gehaald om de dynamiek van het pilot-wave veld te verklaren.

De EmDrive lijkt alleen niet heel erg “kwantum”: het is gewoon een macroscopisch apparaat met goede ouwe elektromagnetische microgolven aan de binnenkant. Sommige wetenschappers geloven daarom dat de onverklaarde aandrijving (als die dus echt bestaat) een klassieke (niet-kwantum) verklaring moet hebben, gebaseerd op het elektromagnetisme van Maxwell en de algemene relativiteit van Einstein.

Het Mach-principe – het idee dat lokale inertie wordt bepaald door verafgelegen massa’s en de structuur van het universum – zou een goed beginpunt kunnen zijn. Natuurkundige James F. Woodward heeft, gebaseerd op de Hoyle-Narlikar-theorie over zwaartekracht gespeculeerd over “Mach-effecten,” of “Woodward-effecten.” Zijn idee is een Machiaanse versie van algemene relativiteit met “geavanceerde golven” die terug in de tijd reizen vanuit het verre universum.

Het simpelste Woodward-effect, wat is voorgesteld als theoretische basis voor EmDrive en andere reactieloze aandrijfmethoden, voorspelt lokale schommelingen in massa die je kunt gebruiken voor voortstuwing zonder dat er een reactie voor nodig is.

“Woodward [bedacht] een methode om deze massaschommelingen te gebruiken voor een innovatieve manier van aandrijven: Duw de massa weg als hij zwaar is en trek hem terug als hij lichter is,” legt natuurkundige Martin Tajmar in een recent paper uit. Tajmar staat aan het hoofd van een baanbrekende groep aandrijvingsnatuurkundigen aan de TU Dresden. Ze richten zich op het testen van “de nieuwe EMDrive en Mach-Effect aandrijfmodellen, de twee meest veelbelovende revolutionaire aandrijvingsconcepten die nu in verschillende laboratoria worden onderzocht.”

Woodward-effecten kunnen de deur openzetten voor meer exotische sci-fi-achtige aandrijfmethoden, waar op wordt gehint in de titel van Woodwards boek “ Making Starships and Stargates: The Science of Interstellar Transport and Absurdly Benign Wormholes .”

Een reactieloze aandrijfmethode die gebaseerd is op het Woodward-effect kreeg financiering van het NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-programma en wordt omschreven als een “technisch geloofwaardig, geavanceerd [concept] dat op een dat ‘het mogelijke’ in lucht- en ruimtevaart kan ‘veranderen.’”

Eerder deze maand gaf hoofdonderzoeker van dit project Heidi Fearn een presentatie op het NIAC-symposium in Denver.

De door Fearn voorgestelde interstellaire missie zou neerkomen op het accelereren van een robot-ruimteschip tot 40 procent van de lichtsnelheid, het laten remmen en in een baan brengen om de pas ontdekte exoplaneet Proxima b in het Alpha Centauri-stelsel, data verzamelen en die binnen 25 jaar naar de aarde terugsturen. Deze missie zou goedkoper maar tegelijkertijd ambitieuzer zijn dan een andere voorgestelde interstellaire missie, Breakthrough Starshot. Fearn benadrukte dat de haalbaarheid van de missie wordt ondersteund door geloofwaardige natuurkunde en gunstige voorlopige experimentele uitslagen.

“De massafluctuatie van Woodward blijkt perfect in het kader van zwaartekrachtabsorptietheorie te passen zoals omschreven door Fearn, gebaseerd op de theorie van Hoyle en Narlikar over geavanceerde golven,” staat er in de conclusies van de notulen van de conferentie. De aantekeningen van de conferentie gaven ook aan dat veel deelnemers ervan overtuigd lijken dat Woodward-effecten ook kunnen worden afgeleid van conventionele algemene relativiteit, zonder geavanceerde golven.

Andere wetenschappers zijn het daar niet mee eens, en de jury is er nog niet over uit of EmDrive uiteindelijk gewoon bullshit is. Onderzoek naar exotische aandrijfsystemen heeft meer nauwkeurig onderzoek in labs nodig, meer tests in de ruimte nodig, en meer theoretische onderzoeken nodig die je met kleine beurzen kunt financieren voordat we ooit zullen weten of het ons kan helpen bij het bereiken van de sterren.

Een deel van dat onderzoek is goedkope “garagewetenschap” waar je geen investering van miljarden euro’s voor nodig hebt, en je misschien zelf ook wel kunt bekostigen. EmDrive-enthousiastelingen kunnen nu onderdelen van de EmDrive 3D-printen en zelf experimenteel onderzoek doen.

Het was zelfs zo dat veel onafhankelijke wetenschappers meededen aan de eerdergenoemde workshop. Sommige critici maken natuurlijk gebruik van het hoge doe-het-zelf-gehalte om de wetenschappelijke waarde van het onderzoek te ontkennen. Maar in 1905 schreef een jonge, onafhankelijke “amateurwetenschapper” drie papers die de loop van de natuurkunde veranderden, terwijl hij eigenlijk op zijn kantoorbaantje aan het werk had moeten zijn. Zijn naam was Albert Einstein.