Nagy felhajtás övezi Christopher Nolan új filmjének, az Interstellar-nak a bemutatóját, ez adja aktualitását a mai bejegyzésemnek. Tudományos/technológia jellegű poszt már régen volt, legfőbb ideje hát meglovagolni a film által kiváltott érdeklődési hullámot.

Egy igazán fontos felfedezésről szeretnék számot adni a sci-fi és űrkutatás kedvelőknek. A mainstream média csak érintőlegesen foglalkozott vele, ezért úgy gondoltam érdemes egy kicsit részletesebben is körüljárni a témát.

Bátorkodom mindezt tenni azért, mert, a felfedezés alapját jelentő szerkezet már létezik (pontosabban kettő ilyen szerkezet is van), bár azt, hogy miért is működik, azt senki sem tudja biztosan. A lehetséges magyarázatok közül az egyik számomra egész hitelesnek tűnik, ezért ezt fogom ismertetni.

Hogy miért hivatkozom a Star Trekre? Mert tökéletes szemléltető eszköz a felfedezés felhasználhatóságát tekintve, ugyanakkor azok érdeklődését is felkeltheti, akiket a fizika teljesen hidegen hagy. Úgyhogy vágjunk is bele.

A Star Trekben az ikonikus Enterprise űrhajó - igazság szerint a többi is - kétféle meghajtással közlekedik. Az egyik az úgynevezett "impulzus üzemmód", míg a másik a "térugrás". Nos abba a szerencsés helyzetbe kerültünk, hogy az, amit a Star Trekben már a kezdetekkor - úgy ötven éve - megjósoltak, az úgy néz ki, egyáltalán nem csak kitaláció. Az általam említett felfedezés éppen az impulzus meghajtáshoz kapcsolódik. Az már külön hab a tortán, hogy - ha hihetünk a tudományos folyóiratoknak - úgy néz ki, hogy  a térugrás elméleti alapjait is sikerült megalkotni, erről majd egy másik blogbejegyzésben számolok be.

Maradjunk tehát az impulzus meghajtásnál. Newton óta egyértelmű, ahhoz, hogy egy tárgy megváltoztassa sebességét ahhoz bizony valami másnak az ellenkező irányban kell elmozdulnia. Ez a valami szerencsésebb esetben lehet a tárgyat körülvevő közeg, de ha az űrben akarunk közlekedni, akkor ilyenre nem számíthatunk. Magunkkal kell vinni az ellenkező irányba áramló anyagot, amivel a leginkább az a probléma, hogy az elmozdulás kezdetén magát a később felhasználandó üzemanyagot is fel kell gyorsítani, ami óriási energiába kerül, amihez még több üzemanyag kell, amit megint csak fel kell gyorsítani.... folytathatnám a végtelenségig. Ciolkovszkij foglalkozott először ezzel a problémával. Pontos és máig helytálló képleteket dolgozott ki, melyekkel ki lehet számítani, hogy adott tömegű hasznos terhet mekkora tömegű, milyen kiáramlási sebességű üzemanyaggal lehet a szükséges mértékben felgyorsítani. Mivel ez egy ismeretterjesztő jellegű cikk, ezért most nem bonyolódnék számolgatásba, inkább arra kérném a kedves olvasót, hogy higgyen nekem. Elképesztően sok üzemanyag kell elképesztően kevés hasznos teher föld körüli pályára állításához. Amennyiben messzebbre nézegetünk, Hold, Mars, satöbbi, ezek eléréséhez még sokkal több üzemanyag kell. A legfőbb probléma az, hogy kémiai reakciókkal nem tudunk a fúvókákon elég gyorsan kiáramló gázt előállítani, ezért a nagy sebesség hiányát a kiáramló tömeggel kell kompenzálnunk.

Nem véletlen, hogy az újabb magán űrvállalkozások megpróbálják a földi levegőréteg mint  közeg előnyeit is kihasználni. Egyértelmű, hogy a közegre építve lényegesen gazdaságosabban lehet mozgatni tárgyakat, mint rakétameghajtással. A SpaceDev vállalat SpacehipOne és SpaceShipTwo űrhajói azt a megoldást alkalmazzák, hogy egy nagyméretű repülővel az atmoszféra pereméig juttatják fel az űrjárművet, ahonnét az rakétahajtással halad tovább. Jelenleg ez a leggazdaságosabb módja a világűr elérésének.

Na most amennyiben a mélyűrbe akarunk eljutni, szerencsére rendelkezésünkre áll a rakétatechnológiának egy kifinomult változata, az ion hajtómű. Ez a hajtómű messze nem rendelkezik elég tolóerővel ahhoz, hogy a földfelszínről az űrbe feljuttasson bármit is, de ha már kinn vagyunk az űrben, akkor igencsak hasznos eszköznek bizonyul. A működési elve azon alapul, hogy nemesgáz atomokat besugárzással ionizálnak, így pozitív ionok és szabad elektronok keletkeznek. A pozitív ionokat nagyfeszültségű elektromos térrel elképesztő sebességre gyorsítják, s az elhanyagolható tömegű elektronokat is utánuk küldik. Az egészben az a nagyszerű, hogy a magas kiáramlási sebesség miatt relatíve kevés üzemanyag kell, csak a gyorsító energiáról kell gondoskodnunk. Az pedig a napelemekkel könnyedén biztosítható. Így sokkal jobb hatásfokúvá válik a rakétameghajtás, és ráadásul a nap energiáját használjuk erre, ami kvázi ingyen van. Igaz, hogy az elérhető tolóerő nem nagy, viszont folyamatos. Egy hagyományos kémiai rakéta percek alatt kiég, míg egy ionhajtómű évekig is gyorsíthatja a járművet, óriási sebességeket elérhetővé téve. Használják is több helyen, elsősorban a közelmúltban indított szondáknál.

Az igazi persze az volna, ha még kiáramló anyagot se kellene magunkkal vinnünk, csakis kizárólag energiát használva jutnánk előre, mint a vízben haladó propelleres tengeralattjárók.

Ehhez persze közeg is kellene. Az meg a világűrben nincs.

.

.

Legalábbis ezt hittük eddig. A valóság azonban ennél bonyolultabb.

Az hogy a világűr nem üres, azt igazából már több mint fél évszázada tudjuk. Egy bizonyos Paul Dirac nevű fizikus vetette fel először, hogy a világűr vákuuma elméleti okokból nem lehet teljesen üres. Hogy ezt megértsük érintőlegesen bele kell kapjunk a kvantumfizikába. Ígérem, közérthető maradok, de azért nem árt, ha a kedves olvasó beköti a biztonsági övét. 

Szóval ami a kvantumfizikát illeti, az egy igencsak különleges állatfaj. Nekem személyes kedvencem volt az egyetemen. Egy teljesen más szemlélet kell a megértéséhez, mint amihez a klasszikus fizikánál hozzászoktunk, ugyanakkor elképesztően érdekes dolgok derülnek ki általa.

Lassan kilencven éve egy híres német fizikus, Werner Heisenberg rájött egy roppant érdekes összefügésre, amit én személy szerint a fizika legnagyobb felfedezéseként tartok számon. Mégpedig azért, mert ahogy Newton és Maxwell felfedezései megmutatták a fizika mindenek feletti hatalmát, úgy Heisenberg felfedezése volt az, ami megmutatta a határait.

Heisenberg felfedezése - amit határozatlansági relációnak szokás nevezni - arról szól, hogy bizonyos jól mérhető fizikai paraméterek egyszerre nem határozhatóak meg egy bizonyos pontosságnál jobban. Ez a pontosság nem a mérő műszerek tökéletlenségéből következik, hanem elvi okai vannak. Ez kijelöl egy határt a fizikai megismerésnek, van amit egész egyszerűen nem tudunk leírni, meghatározni fizikailag.

Ezen - óriási hatású - felfedezésből kiindulva egy másik fizikus, Paul Dirac kifejlesztette a világűr vákuumát is remekül leíró elméletét - ezt röviden térelméletnek nevezik. Az elmélet lényege az, hogy a vákuum egyáltalán nem üres. Nem igaz az, hogy nincs benne semmi. A vákuumtér minden pontján folyamatosan részecskék és antirészecskék keletkeznek, amelyek aztán egymással találkozva folyamatosan meg is semmisülnek. Mindez olyan gyorsan történik, hogy a részecskék kvázi virtuálisak. Ehhez az egészhez az energiát a Heisenberg féle határozatlansági reláció biztosítja, amely többek között az energia és idő kölcsönös mérésének pontosságára is felállít egy korlátot. Ami praktikusan azt jelenti, hogy nem jelenthetjük ki, hogy egy adott térrészben egy adott pillanatban nulla az energia még akkor sem, ha ott a jéghideg vákuumon kívül semmi sincs. Mégpedig azért, mert a határozatlansági reláció kimondja, hogy ha pontosan ismerjük az időpillanatot, akkor nem ismerhetjük az energiát. Tehát az energiáról annyit tudhatunk csak biztosan, hogy nem nulla, mert ha az lenne, akkor mind a két paramétert egyszerre ismernénk. Tudom, hogy ezt nehéz elfogadni, megérteni, de ettől még ez a helyzet. Márpedig ha energia van, akkor az anyagot is jelent, tehát a vákuum nem üres, benne különböző időpillanatokban különböző mennyiségű energia - s ennek megfelelően virtuális részecskék formájában anyag - van. No nem sok, de valamennyi mindenképpen. Ezt a jelenséget hívják vákuum fluktuációnak, s a világegyetemre nézve ennek bizony igen messzemenő következményei vannak, de ez most nem ennek a bejegyzésnek a témája.

Hogy létező jelenségről beszélünk, az kísérletileg is bizonyított, és mérhető fizikai hatások kapcsolódnak hozzá. 

Most pedig térjünk vissza gyorsan az impulzus meghajtáshoz, mert kezd a bejegyzésem túl hosszúvá nyúlni. Egy bizonyos Robert J. Shawyer nevű űrtechnológiával foglalkozó brit mérnök 2006-ban jött elő az elméletével, miszerint egy asszimetrikusan kialakított üreg mikrohullámokkal történő bombázása szerinte a lendületmegmaradást látszólag sértő tolóerő kialakulását eredményezheti. Az ilyen fémüregeket üregrezonátoroknak szokás nevezni műszaki körökben. Shawyer rezonátora annyiban tér el a szokásos elrendezéstől, hogy az ő ürege meglehetősen fura alakú. Leginkább egy répához tudnám hasonlítani, aminek a csúcsán jutnak be a mikrohullámok. Ugyanitt még dielektrikumos rezonátorokat is elhelyeztek. A dielektrikum olyan anyag, ami elektromos térben könnyen elmozduló részecskéket tartalmaz, de nem fém. Itt ne gondoljunk semmi egzotikus dologra, a közönséges konyhasó is dielektrikum.

A felfedezését publikálta a New Science tudományos magazinban, ahol aztán kapott hideget, meleget, mondván hogy alapvető fizikai törvényeket sért az effektus, ezért bizonyára hülyeség az egész. Lesarlatánozták, sőt, a magazint is betámadták, mert lehozta a cikket.

Ezzel csak annyi volt a probléma, hogy Shawyer nem a kisujjából szívta ki az ötletet. Volt egy működő kísérleti modellje, ami produkálta az effektust.

Itt bekapcsolódtak a történetbe a kínaiak, akik szintén megépítették az eszközt, és az náluk is működő tolóerőt produkált bármiféle anyagkiáramlás nélkül. Ezt már nem lehetett figyelmen kívül hagyni, ugyanis egy tudományos felfedezés alapvető kritériuma a megismételhetőség. Ez pedig ezzel teljesült. 

A dolog a NASA figyelmét is felkeltette, némileg más alakú üreget alkalmazva ők is megépítették a hajtóművet, amit Cannae drive-nak neveztek el. Az is működött.

Innét kezdve a vita a működés elméleti alapjairól ment tovább. A mókás az a dologban, hogy erről Shawyernek se volt kiforrott elképzelése. Ami elméleti ötleteket bedobott, mint az effektus előidézőit, azokról ellenlábasai mind bebizonyították, hogy jóval kisebb hatást kellene eredményezzenek.

A legutolsó teória a működésre az, ami kapcsolódik a fent tárgyalt vákuum fluktuációhoz. Az elmélet szerint az eszköz a vákuum fluktuáció virtuális részecskéivel hat kölcsön. Az üregben csak bizonyos frekvenciájú elektromágneses sugárzás jöhet létre, és ez a virtuális részecskékre is csak bizonyos energiát engedélyez. Einstein óta tudjuk, hogy az energia és a tömeg között közvetlen megfeleltethetőség van. Az üregen kívül tetszőleges energiájú virtuális részecskék létrejöhetnek, de az üregen belül nem. A besugárzott mikrohullámok kölcsönhatnak a virtuális részecskékkel az üregen belül, sőt mi több, a mikrohullám energiája is virtuális részecskéket kelt. Azonban az üreg asszimetrikus alakja miatt a virtuális részecskék képződése az üreg falai mellett nem egyforma mindenhol, pontosabban eltérő mértékű és energiájú. Lehetséges, hogy ez okozza, hogy az üreg falára nem egyforma erő hat az egyik végén, mint a másikon. Sőt, az üreg nyitott végén ez az erő akár meg is szűnhet. Úgy is el lehet az egészet képzelni, mintha ezen a nyitott végen virtuális részecskék áramolnának ki az üregből. Így az egész olyan, mint a rakétahajtás, s nem sérti az impulzus megmaradás törvényét. Mindössze annyi a változás, hogy a rakétánkból nem gáz áramlik kifelé, hanem a mikrohullámok által gerjesztett virtuális részecskék zápora. Ezek rendkívül rövid életűek, ezért virtuálisak, de a jelek szerint mégis képesek tolóerőt biztosítani. Az elmélet szerint az üregben egyfajta virtuális plazma gyűrű jön létre, ami mintegy propellerként hajtja előre a szerkezetet a virtuális részecskék tengerében.

Természetesen ezt az elméletet is sokan vitatják. Többnyire arról az oldalról, hogy a virtuális részecskék nem viselkednek plazmaként. Nos, erre azt tudnám mondani, hogy magát a jelenséget is vitatták, mindaddig amíg a gyakorlatban be nem bizonyosodott a működése.

Az effektus jelentősége óriási, különösen, ha kombinálják az előző posztomban szereplő Lockheed féle fúziós reaktorral. Ugyan arra valószínűleg ez sem alkalmas, hogy a földfelszínről űrhajót juttasson a világűrbe, ellenben arra nagyon is, hogy földkörüli pályáról folyamatos gyorsítással heteken belül juttasson el űrhajót a Marsra.

Ez pedig pont az az időtáv, ami alatt Columbus elért Amerikába.

u.i. Közben a szerkezetet vákumban is tesztelték, és működik!!!