Un grupo en el Centro Espacial Johnson de la NASA ha probado con éxito un motor de propulsión electromagnética (EM Drive) en el vacío - un gran avance para un esfuerzo internacional de varios años que comprende varios equipos de investigación de la competencia. Mediciones de empuje de la EM Drive desafían las expectativas de la física clásica que un (microondas) sistema cerrado debería ser inutilizable para la propulsión espacial debido a la ley de conservación del momento.
Motor Electromagnético:
El verano pasado, la NASA Eagleworks - un grupo de investigación de propulsión avanzada dirigido por el Dr. Harold "Sonny" White en el Centro Espacial Johnson (JSC) - hizo olas en toda la comunidad científica y técnica, cuando el grupo presentó sus resultados de la prueba en julio 28 a 30, 2014, en la 50ª Conferencia de Propulsión Conjunta AIAA / ASME / SAE / ASEE en Cleveland, Ohio.
Esos resultados relacionados con las pruebas experimentales de una unidad Electromagnetica - un concepto que se originó alrededor de 2001, cuando una pequeña empresa del Reino Unido, Satélite Propulsión Research Ltd (SPR), bajo Roger J. Shawyer, inició un programa de investigación y desarrollo (I + D).
El concepto de un EM Drive como planteada por SPR fue que las cavidades de microondas electromagnéticas pueden proporcionar para la conversión directa de la energía eléctrica al empuje sin la necesidad de expulsar cualquier propelente.
Esta falta de expulsión de propelente de la unidad fue recibida con escepticismo inicial dentro de la comunidad científica debido a esta falta de expulsión dejaría nada para equilibrar el cambio en el momento de la nave si fuera capaz de acelerar.
Sin embargo, en 2010, el Prof. Juan Yang en China comenzó a publicar acerca de su investigación sobre la tecnología EM Drive, culminando en su documento de 2012 de informes de mayor potencia de entrada (2,5 kW) y los niveles de empuje probado (720mn) de una EM Drive.
En 2014, los papeles del profesor Yang reportaron extensas pruebas que implican mediciones de temperatura internas con termopares integrados.
Se informó (en la página web del SPR Ltd.) que si la EM Drive chinos eran para ser instalado en la Estación Espacial Internacional (ISS) y el trabajo como se informó, podría proporcionar la necesaria delta-V (cambio en la velocidad necesaria para realizar una maniobra en órbita) para compensar el decaimiento orbital de la estación y así eliminar el requisito de re-aumentos de los vehículos que visitan. A pesar de estos informes, el profesor Yang no ofreció ninguna explicación aceptada científicamente en cuanto a cómo la EM Drive puede producir la propulsión en el espacio.
El Dr. White propone que el empuje del EM Drive era debido al vacío Quantum (el estado cuántico con la energía más bajo posible) comportarse como iones propulsores comportarse en una unidad magnetohidrodinámica (un método electrizante propelente y luego dirigirla con campos magnéticos para empujar una nave espacial en el dirección opuesta) para la propulsión nave espacial.
En el modelo de Dr. White, los iones de propulsor de la unidad magnetohidrodinámica se sustituyen como fuente de combustible por las partículas virtuales del vacío cuántico, lo que elimina la necesidad de llevar propulsor.
Este modelo también fue recibida con críticas en la comunidad científica debido a que el vacío cuántico no puede ser ionizado y es comprendido por ser "sin estructura" - lo que significa que no puede "empujar" en contra de ella, como se requiere para el impulso.
Las pruebas reportadas por el equipo del Dr. White en julio 2014 no se llevaron a cabo en el vacío, y ninguna de las pruebas reportadas por el profesor Yang en China o el Sr. Shawyer en el Reino Unido se llevaron a cabo en el vacío tampoco.
La comunidad científica se reunió estas pruebas de la NASA con escepticismo y un número de físicos propuso que la fuerza de empuje medido en los EEUU, Reino Unido, y las pruebas de China era más probable debido a (externo a la cavidad EM Drive) corrientes de convección termales naturales que surgen de calentamiento por microondas (interno a la cavidad EM Drive).
Sin embargo, Paul March, un ingeniero de la NASA Eagleworks, informó recientemente en el foro de NASASpaceFlight.com (teniendo más de 500.000 visitas) que la NASA ha probado con éxito su EM Drive en un vacío difícil - la primera vez que la organización ha informado de un éxito tal prueba.
Para este fin, la NASA Eagleworks ahora ha anulado la hipótesis predominante de que empuje mediciones fueron debido a la convección térmica.
Una comunidad de entusiastas, ingenieros y científicos en varios continentes se unieron en el foro Drive NASASpaceflight.com EM para examinar a fondo las experiencias y discutir las teorías de la operación de la EM Drive.
La calidad de las discusiones del foro atrajo la atención del miembro del equipo EagleWorks, Paul March, en la NASA, que ha compartido las pruebas y antecedentes con el grupo con el fin de llenar los vacíos de información y promover el diálogo.
Esta sinergia entre contribuyentes NASASpaceflight.com y la NASA ha dado lugar a varias contribuciones al conjunto de conocimientos acerca de la EM Drive.
El grupo NASASpaceflight.com ha dado cuenta de si las mediciones experimentales de la fuerza de empuje fueron el resultado de un artefacto. A pesar del considerable esfuerzo en el foro NASASpaceflight.com para despedir el empuje reportado como un artefacto, los resultados EM Drive aún no se han duplicado en otro laboratorio.
Después de los informes consistentes de mediciones de empuje de los experimentos EM Drive en los EE.UU., Reino Unido y China - a nivel de empuje varios miles de veces por encima de un cohete de fotones, y ahora en condiciones de vacío duras - la cuestión de dónde el empuje viene merece seria investigación.
Aplicaciones:
Las aplicaciones de una unidad de propulsión tales son múltiples veces, que van desde (LEO) para las operaciones de órbita baja de la Tierra, a las misiones de tránsito a la Luna, Marte y el sistema solar exterior, a la multi-generación de naves espaciales para viajes interestelares.
Bajo estas consideraciones sobre la aplicación, el uso potencial más cercana al hogar de la tecnología EM Drive sería para estaciones espaciales LEO - como la Estación Espacial Internacional.
En términos de la Estación, propulsión con menos propelente podrían ascender a un ahorro significativo al reducir drásticamente las misiones de reabastecimiento de combustible a la Estación y eliminar la necesidad de maniobras de re-ingreso de vehículos visitantes.
La eliminación de estas maniobras de re-ingreso Actualmente necesarias potencialmente reducir la tensión en la estructura de la estación y permitir un período de funcionamiento en favor de la ansiada futuras estaciones espaciales LEO.
Del mismo modo, la técnica de accionamiento Electromagnetico también podría aplicarse a la órbita geoestacionaria (GEO) satélites alrededor de la Tierra.
Para un típico satélite de comunicaciones geoestacionario con un paneles solares de 6 kW (kilovatios) de capacidad, en sustitución del motor de apogeo convencional, los propulsores de orbita, y el volumen de propelente con un EM Drive resultaría en una reducción de la masa de lanzamiento de 3 toneladas a 1,3 toneladas.
El satélite se lanzó a LEO, donde se desplegarían sus paneles solares y antenas. El EM-drive entonces propulsaría el satélite en una trayectoria espiral hasta GEO en 36 días.
Por otro lado, el Sr. March, de la NASA EagleWorks, señaló que una nave espacial equipada con tecnología Electromagnetica podría superar las expectativas de rendimiento del vehículo de concepto WarpStar-I.
Si uno de estos vehículos similares fueron equipados con una EM Drive, podría permitir a los viajes de la superficie de la Tierra a la superficie de la luna dentro de cuatro horas.
Tal vehículo sería capaz de llevar a cinco y cincuenta y ocho pasajeros y equipaje y sería capaz de regresar a la Tierra en el mismo intervalo de cuatro horas utilizando una carga de hidrógeno y oxígeno para la energía eléctrica derivada de células de combustible, suponiendo un eficiencia del sistema EM Drive de 500 a 1000 Newton / kW.
Mientras que la corriente máxima informó la eficiencia está cerca de sólo el 1 Newton / kW (experimentos del profesor Yang en China), el Sr. March señaló que tal aumento en la eficiencia es más probable alcanzables dentro de los próximos 50 años, siempre que conjeturas actuales de propulsión cerrada EM Drive sean más precisas.
Mucho más ambiciosas aplicaciones para la EM Drive fueron presentados por el Dr. White e incluyen misiones tripuladas a Marte, así como a los planetas exteriores.
En concreto, estas dos misiones propuestas (a Marte y los planetas exteriores) utilizarían un 2 megavatios Nuclear Eléctrica Propulsión nave espacial equipada con EM Drive con un empuje / powerInput de 0,4 Newton / kW.
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| Imagenes de las pruebas realizadas en el equipo |
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| Imagen artistica del ED Drive Créditos: Elvis Popovic |
Con este diseño, una misión a Marte se traduciría en un tránsito de 70 días desde la Tierra hasta el planeta rojo, una estancia de 90 días en Marte, y luego otro de tránsito de retorno de 70 días a la Tierra.
De acuerdo con el Dr. White, "Un 90 toneladas métricas, 2 megavatios de propulsión eléctrica nuclear en misión a Marte tendría una considerable reducción en tiempo de tránsito debido a que tiene una relación empuje-masa mayor que la aceleración de la gravedad del Sol (de 0,6 mili-g en 1 Unidad Astronómica). "
Por otra parte, este tipo de misión tendría la ventaja añadida de que sólo requiere un "único vehículo de lanzamiento de carga pesada" en comparación con "una misión a Marte actual utilizando sistemas de propulsión química, lo que requeriría varios vehículos de carga pesada de lanzamiento."
La presentación en el panel en IEEE 2014 "Exploración Humana del Sistema Solar Exterior a través de Tecnología de Propulsión Q", el Sr. Joosten y el Dr. White explicó que "sólo 12 días se utilizarían en espiral desde un 400 kilometros órbita baja de la Tierra para alcanzar la velocidad de escape y sólo 5 días en espiral hasta un 400 kilometros bajo la órbita de Marte ".
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| Las estaciones espaciales serian las primeras beneficiadas con estos motores electromagnetismos |
Si bien estas trayectorias en espiral alrededor de la Tierra tendrían que ser diseñado cuidadosamente para evitar o reducir al mínimo el tiempo en las regiones más problemáticas de los cinturones de radiación de Van Allen que podría exponer a los tripulantes a niveles indeseables de la radiación, el Sr. Joosten y el Dr. White en cuenta que "Estos relativamente tránsitos rápidos argumentarían para las estrategias de misión donde la Nave Q (nave Drive EM) opere entre las órbitas más bajas posibles para minimizar los requisitos de lanzamiento de la tripulación y suministros de la Tierra y de la complejidad de la llegada a Marte".
Por otra parte, este tipo de misión habilitado Drive EM podría negar la necesidad de llevar consigo, durante la duración de la misión, un vehículo de reentrada de alta velocidad para volver a un equipo Marte a la superficie de la Tierra debido a que "por la rápida espiral en la órbita de la Tierra al final de la misión, la tripulación fácilmente podría ser recuperada a través de una misión desde la Tierra.
"Mientras que los viajes rápidos a Marte, que la tecnología de Propulsión Q [Unidad Drive EM], podría permitir sería revolucionaria, la independencia de las limitaciones de partida y de llegada en última instancia, puede ser más aun", añadió el Sr. Joosten y el Dr. White.
Esto significa que una misión con una nave con Unidad Drive EM podría ser diseñado sin tener en cuenta el periodo de dos años de cada conjunción interplanetaria con oportunidad de lanzamiento que actualmente rigen las misiones de tránsito Tierra-Marte y podría ayudar a estabilizar y ofrecer horarios más rutinarias de rotación para la tripulación.
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| Señalizando el vector de campo azimutal ángulo = 45 grados de primer periodo medio |
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| Cono magnético truncado: superficie de distribución campo magnético (A/m) |
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| NASA / JSC Eagleworks Configuración de la prueba campo warp por el Interferómetro en el Laboratorio de la NASA / JSC B16E Electro Óptica |
Este mismo eliminación de restringidos periodos de posibilidad de lanzamiento inter-planetarios por conjunción se aplicaría a las misiones con tripulación a los planetas exteriores también.
Para tal misión, como por ejemplo un vuelo tripulado a los planetas exteriores - específicamente, una misión Titán / Enceladus en Saturno - una EM Drive permitiría un período de tránsito de 9 meses desde la Tierra a Saturno, una misión de 6 meses in situ en Titan, otra de 6 meses misión in situ en Enceladus, y un viaje de regreso de 9 meses a la Tierra. Esto daría lugar a una duración total misión de sólo 32 meses.
Sin embargo, las aplicaciones de accionamiento EM no se limitan a Marte o los objetivos exteriores del sistema solar.
Las aplicaciones de esta tecnología en las misiones de espacio profundo ya han recibido esquemas conceptuales.
En particular, el sistema de Alfa Centauri, el sistema estrella más cercana a nuestro sistema solar a una distancia de tan sólo 4,3 años luz, recibió una mención específica como un destino potencial misión.
Sr. Joosten y el Dr. White declaró que "un viaje de ida, no desacelerando a Alfa Centauri bajo una constante uno mili-g de aceleración" de una unidad EM daría lugar a una velocidad de llegada de 9.4 por ciento de la velocidad de la luz y el resultado en un tiempo total de tránsito de la Tierra a Alpha Centauri de tan sólo 92 años.
Sin embargo, si las intenciones de esa misión fueron para realizar observaciones y experimentos in-situ en el sistema Alfa Centauri, entonces sería necesario desaceleración.
Este componente añadido resultaría en un tiempo de tránsito de 130 años desde la Tierra a Alpha Centauri, que todavía es una mejora significativa con respecto al año calendario de varios miles de dicha misión tomaría utilizando la tecnología de propulsión química actual.
Las velocidades discutidos en la propuesta de la Alfa Centauri son suficientemente bajos que los efectos relativistas se hacen insignificantes.
Traer EM Drives a la realidad:
Si bien este tipo de propuestas de misión son importantes a considerar, igualmente importante son las consideraciones hacia el desarrollo de la tecnología necesaria y de los artículos necesarios para hacer esta tecnología una realidad.
En concreto, un útil EM Drive para el viaje espacial necesitaría una planta de energía nuclear de 1,0 MWe (megavatios eléctricos) a 100 MWe.
While que suena muy elevado; sin embargo, la Marina de EE.UU. actualmente construye reactores térmicos de 220 MW para sus Submarinos Nucleares Clase Ohio ICBM.
De este modo, la tecnología para construir estos reactores está disponible, y la tecnología necesaria para construir un dispositivo de este tipo para las operaciones basadas en el espacio ha existido desde la década de 1980.
Los factores limitantes para realizar más pruebas y el desarrollo de esta potencialmente revolucionaria tecnología de exploración espacial están financiando para verificar y caracterizar sus operaciones, y la voluntad política para desarrollar la energía nuclear para aplicaciones espaciales.
Avances:
El 5 de abril de 2015, Paul March informó al Foro de NASAspaceflight.com que el Dr. White y el Dr. Jerry Vera de la NASA Eagleworks han creado un nuevo código computacional que los modelos de empuje de la EM Drive como un flujo magnetohidrodinámico tridimensional de electrones-positrones partículas virtuales.
Estas simulaciones explican por qué en los experimentos de la NASA fue necesario insertar un polietileno de alta densidad (HDPE) dieléctrica en el EM Drive, mientras que los experimentos en el Reino Unido y China fueron capaces de medir el empuje sin un inserto dieléctrico.
El código muestra dos razones para ello: 1) los experimentos en el Reino Unido y China utilizan (a diferencia de las de los EE.UU.) un magnetrón para generar las microondas y 2) los experimentos en el Reino Unido y China se realizaron con mucho mayor potencia de entrada: hasta 2,5 kilovatios, en comparación con menos de 100 vatios en los experimentos de Estados Unidos.
En las pruebas de Estados Unidos, la generación de frecuencia de microondas se controla a través de un oscilador controlado por tensión cuya señal se pasó a un atenuador de tensión variable. Las pruebas realizadas en el Reino Unido y China utilizan, en cambio, fuentes de microondas magnetrón (tal como se utiliza en el hogar de uso de horno de microondas) para sus experimentos.
El magnetrón genera amplitud, frecuencia y fase de modulación de la onda portadora (ancho de banda de modulación de FM en el orden de +/- 20 MHz, en las frecuencias naturales ensayadas de ~ 2,5 GHz). Simulación por ordenador del Dr. White muestra que la modulación generada por el magnetrón produce una mayor fuerza de empuje.
El análisis por ordenador del Dr. White también muestra que el aumento de la potencia de entrada se concentra en el flujo de partículas virtuales desde cerca omnidireccional en las potencias bajas utilizadas en los experimentos de la NASA, a un chorro mucho más concentrado como haz en el poder superior (kilovatios en comparación con menos de 100 Watts) que se utiliza en los experimentos Reino Unido y China.
La simulación para la potencia de 100 vatios de entrada (tal como se utiliza en las últimas pruebas de la NASA) predijo sólo ~ 50 micronewtons (de acuerdo con los experimentos) con el inserto dieléctrico HDPE, mientras que la simulación de 10 kilovatios (sin un dieléctrico) predijo un nivel de empuje de ~ 6.0 Newtons. A 100 kilovatios la predicción es de ~ 1300 Newton de empuje.
El código de ordenador también muestra que la eficiencia, tal como se mide por el empuje relación de potencia de entrada a, disminuye a potencias de entrada superiores a 50 kilovatios.
Una nota de advertencia es que las simulaciones del Dr. White no asumen que el vacío cuántico es indestructible e inmutable. La comunidad de la física convencional asume el vacío cuántico es indestructible e inmutable debido a la observación experimental de que una partícula fundamental como un electrón (o un positrón) tiene las mismas propiedades (por ejemplo, masa, carga o giro), independientemente de cuándo o dónde la partícula era creado, ya sea ahora o en el universo temprano, a través de procesos astrofísicos o en un laboratorio.
Otra razón es que el vacío cuántico se supone que es la energía más baja posible (promediada en el tiempo) que un sistema físico cuántico puede tener, y por lo tanto no debería ser posible extraer impulso o energía del vacío cuántico.
Debido a estas predicciones de las simulaciones por ordenador del Dr. White NASA Eagleworks ha comenzado a construir un magnetrón guía de onda de 100 vatios a 1200 vatios como sistema de energía de microondas que impulsará una forma de cono truncado Drive EM aluminio.
Inicialmente un sistema de equilibrio sube y baja se utilizará en las condiciones ambientales para ver si los niveles de empuje similares (0,016 hasta 0,3 Newton) como se informó en los EE.UU. y China pueden ser reproducidos en la NASA con este enfoque.
Durante los últimos tres años, el equipo de la Dr. White ha estado llevando a cabo experimentos para averiguar si es posible medir, con un interferómetro, una distorsión del espacio-tiempo producida por los campos electromagnéticos variables en el tiempo.
El objetivo final es averiguar si es posible que una nave espacial que viaja a velocidades convencionales para lograr la velocidad superluminal efectiva mediante la contratación de espacio en frente de ella y ampliar el espacio detrás de él. Los resultados experimentales hasta ahora habían sido concluyentes.
Durante las dos primeras semanas de abril de este año, la NASA Eagleworks pueden haber obtenido finalmente resultados concluyentes. Esta vez se acercó, cilíndrica, aluminio cavidad resonante excitado a una frecuencia natural de 1,48 GHz con una potencia de entrada de 30 vatios.
Esta es esencialmente una forma de píldora EM Drive-box, con mucho mayor intensidad de campo eléctrico, alineados en la dirección axial. La luz láser del interferómetro pasa por pequeños agujeros en la EM Drive.
Más de 27.000 ciclos de datos en cada ciclo (1,5 seg energizar el sistema para 0.75 sec y desenergizar para 0.75 sec) se promediaron para obtener un espectro de potencia que reveló una frecuencia de señal de 0,65 Hz con una amplitud claramente por encima de ruido del sistema. Cuatro pruebas adicionales se llevaron a cabo con éxito se demostró la posibilidad de repetirlo.
Una posible explicación para el cambio de longitud del camino óptico es que es debido a la refracción del aire. El equipo de la NASA examinó esta posibilidad y concluyó que no es probable que el cambio medido es debido al calentamiento del aire transitoria porque umbral de visibilidad del experimento es cuarenta veces más grande que el efecto calculado del aire teniendo en cuenta el calentamiento atmosférico.
Alentados por estos resultados, la NASA Eagleworks planea llevar a cabo estas pruebas junto interferómetro en el vacío.
Referencias:
