Nasa kehitti moottorin, joka ei näytä noudattavan fysiikan lakeja

Moottorin uskotaan mullistavan avaruusmatkailun. Ratkaisevat testit ovat edessä.

astrofysiikka
Teksti
Marko Hamilo
Julkaistu yli kolme vuotta sitten

Yhdysvaltain avaruushallinto Nasan Eagleworks-laboratorion tehtävänä on kehittää uusia, innovatiivisia ratkaisuja avaruuden valloittamiseen. Jo muutaman vuoden ajan on kohuttu laboratorion kehittämästä EmDrive-moottorista, joka pystyisi kiihdyttämään avaruusalusta ilman polttoainetta.

Avaruuskeksinnön uskottavuutta heikentää se, että laite näyttäisi rikkovan mekaniikan kolmatta lakia. Mystinen moottori on nyt kuitenkin hieman aiempaa uskottavampi, kun ensimmäinen sitä käsittelevä tutkimusraportti julkaistiin marraskuussa vertaisarvioidussa tiedelehdessä Journal of Propulsion and Power.

Tuottaako laite työntövoimaa vai onko kyse mittausvirheestä?

Mekaniikan kolmas laki ei ole mitään rakettitiedettä: sen pitäisi olla kaikille tuttu koulun fysiikasta. Myös Newtonin kolmantena lakina tunnetun lainalaisuuden mukaan kappaleeseen vaikuttavalle voimalle on aina olemassa yhtä suuri, mutta vastakkaiseen suuntaan vaikuttava vastavoima. Sen tuntee esimerkiksi ampuja kiväärin potkaisusta, rekyylistä.

Myös avaruusrakettien toiminta perustuu voiman ja vastavoiman lakiin. Avaruusaluksen kiihdyttäminen ja jarruttaminen perustuvat siihen, että rakettimoottoreissa palava kaasu liikkuu yhteen suuntaan ja kiihdyttää samansuuruisella voimalla alusta toiseen suuntaan.

Avaruusalus ei kiihdyttääkseen välttämättä tarvitse polttoainetta. Se voi käyttää myös ionimoottoria, joka ionisoi esimerkiksi ksenonia ja kiihdyttää sitten näitä sähköisesti varattuja hiukkasia sähköenergialla. Sähkön lähteenä voi olla aurinkopaneeli tai vaikkapa ydinparisto.

Ionimoottorikin kuitenkin kuluttaa ksenonia tai jotain muuta niin sanottua ajoainetta. Moottorin toiminta lakkaa, kun ajoaine loppuu – vaikka sähköenergiaa riittäisi edelleen.

EmDrive-moottorin lupaus on siinä, että se ei tarvitsisi sen enempää polttoainetta kuin ajoainettakaan. Se pystyisi periaatteessa kiihdyttämään esimerkiksi Marsiin matkalla olevaa alusta aurinkopaneelien tuottamalla energialla.

Moottorin sydän on lieriön muotoinen onkalo, jossa heijastetaan edestakaisin mikroaaltoja. Kokeissa laite näyttää tuottavan heikon työntövoiman, jonka selittäminen tunnetuilla fysiikan ilmiöillä on mahdotonta. Mitään uutta selitystä ilmiölle ei ole toistaiseksi keksitty.

Koeasetelmaan liittyy kuitenkin runsaasti erilaisia virhemahdollisuuksia. Seuraavaksi laitetta on tarkoitus kokeilla avaruudessa. Sa saattaa ratkaista kysymyksen siitä, tuottaako laite työntövoimaa vai onko kyse mittausvirheestä.

 

Nykyisellään laite tuottaa työntövoimaa niin huonolla hyötysuhteella, ettei sillä ole käytännön sovellusta. Yhden kilowatin sähköteholla laite tuottaa vain 1,2 millinewtonin työntövoiman. Vain yhden ihmisen ilmaan nostamiseen tarvittaisiin yhden ydinvoimalan koko sähköteho. Huimat tulevaisuudenvisiot olisivat mahdollisia vain, jos hyötysuhde pystyttäisiin moninkertaistamaan.

Äärimmäisen heikolle, mutta kuitenkin mitattavissa olevalle työntövoimalle on etsitty selitystä yksinkertaisesta mekanismista: laite vuotaa fotoneiksi kutsuttuja hiukkasia.

Mikroaallot ovat hiukkastulkinnassa fotoneita siinä missä näkyvä valokin. Vaikka fotoneilla ei ole massaa, niillä on liikemäärä. Ne välittävät energiaa, ja jos EmDrive säteilee yhteen suuntaan, säteily aiheuttaa työntövoiman vastakkaiseen suuntaan – Newtonin kolmannen lain mukaisesti.

Tällaisen selityksen esittivät tutkijat Patrick GrahnArto Annila ja Erkki Kolehmainen AIP Advances -lehdessä kesäkuussa.