Az a helyzet, hogy nem szeretem a hosszú lére eresztett bevezetőket, de amiről most írni fogok, azt mégis valahogy kontextusba kell helyeznem. Mindenesetre igyekszem rövidre fogni.

Ciolkovszkij óta tudható, hogy igen sok energiába kerül az, hogy az ember el tudja hagyni ezt a sártekét. Az meg még sokkal többe, hogy akár a Marsra, de még akár csak a Holdra is eljussunk. Mindez a rakétameghajtás elvéből következik, melynél jobbat egyenlőre nem tudunk a vákumban való mozgásra. Illetve, izé...de erről majd később. A tintahal is rakétahajtással közlekedik, de ehhez megvan az az előnye, hogy maga a hajtóanyag, a reaktív tömeg ott van körülötte, víz formájában. Ilyet a világűr vákumában hiába keresünk, így hát egy lehetőségünk marad, magunkkal kell vinni. Ez viszont azt is jelenteni, hogy miközben a rakétánkat gyorsítjuk, magát a maradék üzemanyagot is gyorsítanunk kell, és ha egy kicsit utána számolunk, kiderül, hogy az üzemanyag nagy része arra megy el, hogy magát az üzemanyag még nem felhasznált részét gyorsítsa. Ezért van az, hogy olyan kicsi a hasznos rész a rakéták csúcsán, és olyan nagy a rakéta.

Adódik a kérdés, hogy nem lehetne esetleg valami más módszert találni az űrhajó gyorsítására? Energiát nukleáris reaktorokkal viszonylag könnyen elő tudunk állítani óriási mértékben is, úgy, hogy ez egyúttal igen kompakt méretekben megoldható. Már csak az kellene, hogy ezt az energiát valahogy az űrhajó mozgási energiájává konvertáljuk anélkül, hogy valamiféle hajtóanyagot lövellnénk belőle hátrafelé. Ez azonban sajnos ellent mondana Newton I. törvényének.

A kétezres évek elején Robert J. Shawyer előállt az EMDrive-al, illetve Guido Fetta a Cannae Drive-al, amelyek olyan speciálisan kialakított üregrezonátorok, amelyek nettó erőhatást mutattak a betáplált elektromos energia ellenében. Magyarán valamilyen úton, módon sikerült megsérteniük Newton első törvényét, s anélkül értek el gyorsulást, hogy bármi érzékelhető kiáramlott volna belőlük. Ezekkel egy korábbi bejegyzésemben én is foglalkoztam.

 Ezen eszközök működésének elméleti háttere még tisztázásra vár, sőt működésükkel kapcsolatban egyre több a kétely. Erős a gyanú, hogy a kimutatott erőhatás valójában a föld mágneses terével történő kölcsönhatás terméke. Így, vagy úgy, ezen eszközök működőképessége a sikeres reprodukciók ellenére még nem bizonyított.

Szerencsére több vasat is tart a tűzben a tudomány, ha a rakétatechnika meghaladásáról van szó. Egy ilyen új technológia ismertetése a mai bejegyzés célja. Ennek fizikai háttere sokkal egyszerűbb, mint az EMDrive-é, és működőképes példány is létezik belőle, egyenlőre sajnos igen kicsi teljesítménnyel.

Az elméletet, ami alapján az eszköz működik, James F. Woodward dolgozta ki 1990-ben. Az eszköz neve Mach Effect Thruster, és a hosszas elméleti fejtegetés helyett inkább csak annyit mondanék, hogy a működése azon alapul, hogy az elektromos illetve a mágneses térnek energiája van, ami viszont magával vonja azt, hogy tömege is. Ez a híres E=mc2 képlet alapján számolható, és a képletből sejthető, hogy igen kis értékekről beszélünk. A Paksi atomerőmű teljes kapacitással is mindössze 25 gramm tömeget tudna produkálni, ha a teljesítményét kondenzátorok töltésére fordítanánk. Ez azonban senkit se bizonytalanítson el, gyorsításkor nem a tömegen van a hangsúly, hanem az impulzuson, pontosabban annak változásán, márpedig annak része a sebesség is.

A hajtómű működése szerencsére laikusok számára is könnyen érthető. Alapvetően arról van szó, hogy egy előre-hátra rezgő platformon megfelelő időzítéssel elektromos teret alakítunk ki a platformra szerelt kondenzátor lemezei között (lehetne mágneses is, csak azt bonyolultabb a nehéz elektromágnesek miatt rezgetni), és ebbe a megfelelő pillanatban megjelenő tömegbe mintegy belekapaszkodva jut előre az egész szerkezet. Mint említettem, a platform előre-hátra rezeg, és most jön a lényeg, a kondenzátorban csak akkor alakítunk ki elektromos teret, amikor a rezgés éppen hátrafelé tartó fázisban van. Ilyenkor tehát a kondenzátorok tömege megnő az elektromos tér tömegével, a rezgést biztosító rugó ilyenkor nagyobb tömeget húzna vissza, és a hatás- ellenhatás törvénye értelmében ez a nagyobb tömeg viszont húzza előre a rugót, és vele az egész szerkezetet.

Amikor a rugó előre tartó fázisban van, az elektromos teret kikapcsoljuk, a kondenzátor tömege lecsökken, nincs extra húzóerő, tehát hátrafelé nem tolja extra erőhatás a szerkezetet. A két fázis eltérő erőviszonyainak átlaga egy pozitív előre mutató erőhatást eredményez, ami az egész szerkezetet folyamatosan gyorsítja. Ez a gyorsító erő két dologtól függ, a keltett elektromos tér tömegétől (ami nagyon kicsi), illetve a rezgés sebességétől. Értelemszerűen ez utóbbit igyekeznek minél nagyobbra venni, hogy kompenzálják az elektromos tér kicsi tömegét. Ehhez piezoelektromos rezgetést alkalmaznak, aminek persze megvannak a maga korlátai, de a szóba jöhető megoldások közül ez biztosítja a legnagyobb sebességet. Namost a nagyobb sebességnek még egy fontos következménye van. Ha a sebességgel sikerül olyan tartományba felmenni, ahol a speciális relativitás elméletből levezethető tömegnövekedés már érezhető hatású, ott az elektromos tér tömege megnő, és ez rásegít az eredő gyorsító erőre. Woodward erre a hatásra alapozta az elméletét.

Mivel abban a szerencsés helyzetben volt, hogy egyetemi kutatóként kapott pénzt a kutatásaira, meg is építette a szerkezetét. A választott rezgető frekvencia 40kHz-es volt, a kondenzátor pedig maga a piezo kristály, ami a rezgetést végezte. Aki már szedett szét kvarcórát, az találhatott benne egy aranyszínű korongot. Ezt hívják piezo zümmernek, ami nem más, mint egy piezoelektromos kristály, aminek a két oldalára vékony fémlemezt ragasztottak. Ha a fémlemezek között potenciálkülönbség lép fel, a kristály összehúzódik, vagy kitágul az előjeltől függően. Ha váltakozófeszültséget adunk rá, a kristály rezegni kezd. Ugyanakkor ez e felépítés egyben megegyezik a klasszikus kondenzátorokéval is, miszerint két fémlemez között szigetelőanyag, jellemzően dielektrikum van.

Woodwardék ezért két legyet ütöttek egy csapásra, a kondenzátorokat és a rezgetést is ugyanazzal az alkatrésszel biztosították. A kondenzátorok megfelelő fázisú és frekvenvciájú töltéséről félvezetős elektronika gondoskodott. 40kHz-es frekvencián üzemeltetve a készüléket milliNewton nagyságrendű tolóerőt tapasztaltak 1 kWatt teljesítmény melett.

Ezután a kísérlet reprodukálására vállalkozó Drezdai kutatólaborba küldték a készüléket, ahol megismételték a kísérletet, és nem találtak kimutatható mértékű effektust. Woodward vitatta az eredményeket, és módszertani hiányosságokkal vádolta a kísérletet végző Drezdai labort. Mint kiderült, teljesen igaza volt, a kutatók nemcsak hogy az előírásokat nem tartották be, de még magát a készüléket is tönkretették.

Jelenleg ott tart az ügy, hogy Woodward egy új készüléket és egy részletes leírást küld Drezdába egy munkatárs kíséretében, aki segít a kísérlet lebonyolításában. Ha megerősítik, hogy az effekt létezik, az igen komoly távlatokat nyit meg a rakétahajtás leváltása tekintetében.

Mindazonáltal még igen komoly akadályok vannak az eszköz továbbfejlesztése előtt. A hatékonyság és a hajtóerő növelése az elsődleges cél, és sajnos úgy néz ki, hogy a jelenleg alkalmazott piezoelektromos technológia jelenti ennek a legkomolyabb korlátját. Anyagszerkezeti okok miatt egy bizonyos frekvencia fölé ezekkel nem lehet menni, márpedig pont a működési frekvencia az, amely a tolóerő növekedését lehetővé teszi. Ne feledjük, minél nagyobb a sebesség a rezgés során, annál nagyobb a relativisztikus tömegnövekedés, így a tolóerő is.

 Ezért Woodwardék kidolgoztak egy másik módszert, amely tisztán elektromágneses módon operál, sajnos ennél viszont nem tapasztaltak mérhető hatást. Mindazonáltal lehetséges, hogy ennek a továbbfejlesztése elvezet az EMDrive-hoz. Ami elég megnyugató fejlemény lenne, mivel az EMDrive elméleti alapjai egyenlőre nem tisztázottak, de az eszköz továbbfejlesztése csak pénzkérdés, míg a Woodward féle Mach Effect Thruster elméleti alapjai szilárdak, azonban a továbbfejlesztésnek technológiai korlátjai vannak.

Könnyen előfordulhat, hogy úgy a Woodward féle szerkezet, mint az EMDrive csak egy vakvágány, mégis igen jó érzés figyelni azt a pezsgést, ami ebben az évezredben a tudományos életben beindult a világűrt meghódítani képes eszközök kifejlesztése terén. A világon tucatnyi cég foglakozik többnyire teljesen különböző alapokon a fúziós energiatermelés megvalósításán, és ezek a kutatások a következő évtizedben látszódnak beérni. Energiaforrásunk tehát valószínűleg lesz az űrutazáshoz, és ha valamelyik nem hagyományos meghajtási mód végül is sikeres lesz, akkor tényleg ott vagyunk a Star Trek korában.

Lesz nem sokára egy posztom, ami az Alcubierre drive-ról fog szólni, és jól tippel az, aki szerint ez a meghajtási mód sem a rakétaelven működik. :-)