Megnyílhat az út a csillagokba egy új hajtóművel

A NASA egyik kutatója szerint több tízezer év helyett egy emberöltő alatt elérhetnénk a Proxima Centaurit, ha az űrben, élesben is jól vizsgázik az új hajtómű, amely látszólag hajtóanyag nélkül működik.

Az elmúlt napokban nagy figyelmet kapott egy olyan hajtómű, amely látszólag hajtóanyag nélkül is működik, és a fejlesztők szerint a jövő űreszközeinek működtetésére is alkalmas lehet. Úgy tűnik, az új hajtómű olyan erőhatást képes előállítani, amely nem magyarázható meg a klasszikus elektromágneses jelenségekkel, így a hatás feltételezhetően a kvantumvákuumból eredeztethető – állítják a teszteket végző fizikusok tanulmányukban.

Első látásra ellentmond Newton harmadik törvényének

A NASA kutatói az elmúlt évben tesztelték a Cannae LLC nevű, 2006-ban alapított amerikai cég által kifejlesztett űrhajtómű-prototípust. Az eredményeket július végén mutatták be Clevelandben, egy hajtóművekkel, illetve meghajtással foglalkozó tudományos konferencián.

Az új hajtómű mindkét prototípusa sikeresen vette a próbatételt. A kifejtett erőhatás ugyan nagyon kicsi, de a hajtóművek működnek – legalábbis ezt mutatják a NASA Johnson Űrközpontjának független mérései. A hajtóanyag nélküli hajtómű működési elve egyelőre a NASA szerint sem teljesen tisztázott, mivel első látásra ellentmond a hatás-ellenhatás alapvető törvényének.

Newton harmadik törvénye szerint ugyanis egy fizikai kölcsönhatásban mindkét testre azonos nagyságú, de ellentétes irányú erő hat. Ennek köszönhető, hogy a puska visszaüti a vadász vállát, hogy egy balesetben mindkét autó összetörik, és az is, hogy képesek vagyunk egy műholdat Föld körüli pályára állítani. Ez a mélyen bebetonozott törvény évszázadok óta megbízhatóan működik, így nem meglepő, hogy a tudományos közélet gyanakvó az ennek látszólagosan ellentmondó, új űrhajtóművel szemben.

Hiányzó egyensúly

Az űrben nincs honnan elrugaszkodni, így ahhoz, hogy mégis sikerüljön megmozdulni – nem pedig csak sodródni céltalanul – valamit el kell lökni magunktól. A jelenség ismét ugyanaz, mint a visszacsapó puska esetében: a felrobbanó puskapor azonos erővel löki előre a golyót és hátra a vadászt, de mivel a kettő tömege között jelentős eltérés van, a golyó sebesen száguld tova, a lövész pedig csak kissé hátrahőköl. Amikor felugrunk a földfelszínről, akkor valójában a Föld az ellenkező irányba szintén elmozdul, de mivel a tömegek közti különbség óriási, a bolygónak ez meg se kottyan.

A hagyományos rakétahajtóműveknél a "kilőtt golyó" általában valamiféle forró gáz. Ahogy az űrrakéta gyors gázrészecskéket bocsát ki lefelé, az űrhajó elkezd felemelkedni a hatás-ellenhatás miatt. Ugyanez történt Sandra Bullockkal is a Gravitációban, ahol ő a nagynyomású tűzoltó készülékből kilőtt gázrészecskékkel próbálja saját magát az űrállomás felé lökni. A gáz lendületének nagysága megegyezik a színésznő lendületével, tehát működik a hatás-ellenhatás (sőt, az is segít, hogy elhajítja az egész palackot).

Mit lehet még kilőni?

Lényegében bármit, aminek van tömege. Nemcsak összenyomott gáz szolgáltathat tolóerőt, hanem például elektromágneses tér is. A töltött részecskéket az elektromágneses tér is gyorsíthatja, nagy erőtér nagy sebességgel tudja kilőni őket.

Így működnek az ionhajtóművek. Először a nemesgáz-atomokat lecsupaszítják az elektronjaiktól, így pozitív töltésűek lesznek – tehát hat rájuk az elektromágneses erőtér –, majd rájuk kapcsolják a nagyfeszültségű áramforrást, amely kilövi őket. A hatalmas sebesség ellenére – kis tömegük miatt – mégsem képesek túl nagy tolóerő előállítására: ha egy autót hajtanánk meg vele az autópályán, akkor több napba telne felgyorsítani 100 km/h-ra. Az űrben viszont hasznos a technológia, például a Deep Space-1 űrszonda 1998 óta élesben is használ ionhajtóművet.

Értem én, hogy mikrohullámú üregrezonátor, de mi hajtja?

A Cannae LLC hajtóművének viszont úgy tűnik, nincs szüksége semmilyen hajtóanyagra.

Az ionhajtóművek üzemanyaga, a nemesgáz – általában xenon – idővel elfogy, hiszen szép lassan mindet felhasználja az űrhajó: ez a csillagközi utazás egyik fő gátja. Az évmilliárdokra elegendő napenergia vagy kis atomreaktorok segítségével működtethetjük ugyan egy űrszonda (vagy űrhajó) mérőeszközeit és magát a hajtóműhöz szükséges elektromágneses teret is, de végtelen mennyiségű nemesgázt, azaz hajtóanyagot nem vihetünk magunkkal. Ha elfogy a xenon, amit kilőhetünk, akkor marad a céltalan sodródás a világűrben – megint nem lesz mitől “elrugaszkodni”.

Ionhajtóműveket már alkalmaztak bolygókutató űrszondákon (illusztráció) Forrás: NASA

Itt jön a képbe a Cannae Drive, más néven Qdrive nevű új hajtómű. A feltaláló, Guido Fetta amerikai kutató állítja, hogy olyan különleges üregrezonátort – mikrohullámú-sütőkben is megtalálható, elektromágneses energiát tároló eszközt – készített, amely bekapcsolásakor az egyik irányba magától elindul anélkül, hogy bármelyik irányba távozna belőle hajtóanyag.

A hajtómű működése a sugárzási nyomás jelenségén alapul, ahol a kilőtt részecskék helyett sugárzás biztosítja a tolóerőt, például lézer formájában. Alapvető különbség valójában nincs a részecskékkel szemben, hiszen a sugárzás felfogható részecskeáramként és hullámként egyaránt.

A különlegesség inkább ott gyökerezik, hogy úgy tűnik: a hajtómű az egyik oldalra erősebben sugároz, mint a másikra, azaz a hatás nem egyenlő az ellenhatással. Ez olyan, mintha egy – minden szempontból megegyező – ikerpár két tagja egymással szemben állna, meglöknék egymást, majd az egyik valamiért nagyobbat esne.

Fetta nem ad egyértelmű választ arra, miért tűnik úgy, mintha a találmányánál nem működne a hatás-ellenhatás törvénye, de a NASA kutatóinak – akik élesben tesztelték a hajtómű-prototípust – vannak sejtéseik.

Üzemanyag a semmiből

Nem érdemes azonnal kidobni a tankönyveket, hiszen ha valamire nem ad választ a klasszikus newtoni fizika, a kvantumfizika még mindig hozzásegíthet a megoldáshoz. A QDrive-ot tesztelő NASA-kutatók azt tartják a legvalószínűbbnek, hogy a kilőtt részecskék (vagy sugárzás) nem hiányoznak, csak nagyon nehéz őket észrevenni, mivel elég szokatlan helyről származnak.

A kvantumfizika szerint a vákuum csak távolról üres, valójában részecskék folyamatosan megjelennek és eltűnnek benne. A QDrive képes lehet arra, hogy „fülön csípje” ezeket az úgynevezett kvantumfluktuáció következtében keletkezett részecskéket, majd az ionhajtóműhöz hasonlóan kilője őket. Az üzemanyag tehát mégsem hiányzik, ott van a kvantumvákuumban.

Ha ez valóban így van, akkor a hatás-ellenhatás törvénye nem sérül. Ettől függetlenül a szenzáció így is nagy: egy működőképes QDrive új fejezetet nyithat az űrutazásban, lerövidítheti a csillagközi utazáshoz szükséges időt, közelebb hozva a távoli bolygókat.

Ionhajtómű tesztelése a NASA-nál Forrás: NASA

Egy emberöltő alatt a legközelebbi csillaghoz

Az ionhajtómű átlagosan 20-200 millinewton tolóerőt képes kifejteni, amely megfelel annak az erőnek, amellyel néhány (tíz) hangya nyomja a talajt. A Cannae Drive ennek csak az ezredrészére képes, a mikronewtonos tartományban működik, amely a Földön egy hajszálat is nehezen emelne meg.

A csillagközi utazáshoz tervezett űrhajóknak – a Földről indított rakétákkal ellentétben – nincs is szükségük nagy tolóerőre, hiszen nincs légkör vagy erős gravitációs vonzás, amit le kellene küzdeni. A csillagközi térben nincsenek efféle visszatartó erők, így ha a mikroméretű gyorsuláshoz hosszú idő társul, akkor az elérhető végsebességet csak a hajtóanyag mennyisége korlátozza – ez viszont a QDrive-nál bőségesen rendelkezésre állhat a vákuumból. Ez viszont ugyanígy érvényes a fékezésre is, az út felénél az űrhajónak el kell kezdenie lassítani, hogy a célállomásra minél kisebb sebességgel csapódjon be. Az űrhajó felbocsátásához viszont eltérő módszerre van szükség, a kvantumvákuum-hajtómű képtelen lenne a földfelszínről indítani egy rakétát.

A NASA fizikusa, Harold White szerint egy ilyen elven működő hajtóművel elméletileg a jelenlegi rekord 131 nap helyett csupán néhány hét alatt el lehetne jutni a Marsra. A legközelebbi csillaghoz, a Proxima Centauri nevű vörös törpéhez pedig kevesebb mint 30 év alatt repíthetne egy Qdrive meghajtású űrhajó. Ez a törpecsillag ionhajtóművel nagyjából 80 000 évnyire van tőlünk.

Az űrben kell tesztelni

Nem szabad elsiklani afelett, hogy a feltaláló, Guido Fetta még semmilyen tudományos folyóiratban nem publikálta a kutatást, sőt a cég honlapja az utóbbi napokban nem érhető el így még nem tanácsos azonnal elkezdeni gyűjtögetni egy saját QDrive-ra. Majdnem egy évtizeddel ezelőtt a Cannae Drive alapjait is szolgáltató EmDrive hajtómű hasonló szenzációként indult, de azonnal kritikák kereszttüzében találta magát, amiből azóta is nehezen tudott kikecmeregni.

A NASA is figyelmeztet arra, hogy további vizsgálatokra van szükség, valamint arra, hogy végső soron az űrben, valós környezetben teszteljék a hajtóművet, ott kiderülhet, mit tud valójában. Fetta rengeteg nyitott kérdést hagyott maga után, a találmány viszont olyan ígéretes, hogy a tudományos közélet remélhetőleg hamarosan ítéletet mond felette.