Ny Teknik publicerade i veckan en kort artikel om ett potentiellt revolutionerande framdrivningssystem för rymdfarkoster, kallat Emdrive. Artikeln handlar om att det amerikanska forskningsinstitutet DARPA utreder potentialen hos Emdrive, trots att idén bakom framdrivningssystemet har kritiserats för att vara fysikaliskt omöjlig. Hur hänger det här ihop? Vad är det Emdrive påstås kunna göra, och varför är det så omöjligt? Det tänkte jag försöka förklara, men först behövs kanske en liten mekanik-repetition.
Motkraft, rörelsemängd och reaktionsmassa
Tänk dig att du befinner dig på en tom skridskobana med väldigt blank is. Tyvärr har du inte dina skridskor på dig utan ett par riktigt hala dansskor, så du får inget som helst fäste på isen - ytan är friktionsfri. Kan du gå till kanten av skridskobanan?
Intuitivt säger nog de flesta av oss nej, vilket är helt rätt. För att vi ska börja röra oss, alltså accelerera, krävs det en kraft. På ett normal underlag skapas den kraften genom att vi skjuter ifrån mot marken - vi ger då upphov till en kraft som verkar på marken och marken påverkar oss med en lika stor kraft i motsatt riktning. Detta är helt i enlighet med Newtons tredje lag, som säger att för varje kraft finns en lika stor och motsatt motkraft. Det är också i enlighet med en annan fysikalisk lag som säger att rörelsemängden, alltså massan gånger hastigheten, är konstant i ett system som inte påverkas av några yttre krafter. Du får en viss rörelsemängd när du börjar gå, och planeten Jorden får en lika stor rörelsemängd i motsatt riktning (vilket inte kommer att märkas - eftersom Jordens massa är så mycket större än din blir förändringen i dess hastighet väldigt liten).
På vår friktionsfria skridskobana kan vi emellertid inte skjuta ifrån mot marken, så det blir ingen motkraft i riktningen mot kanten på skridskobanan (det finns ju alltid en kraft på oss mot jordens mittpunkt som ger upphov till andra motkrafter, men de hjälper oss inte i det här fallet). Tänk dig istället att vi har nåt tungt föremål med oss - kanske en sån där trägrej med handtag som barn kan hålla sig i när de ska lära sig åka skridskor? Om du knuffar iväg den i motsatt riktning mot den du vill flytta dig själv i så har du ju utövat en kraft på den och den har fått en rörelsemängd. Ska Newtons tredje lag och rörelsemängdens bevarande fortfarande gälla - och det gör de - måste träklumpen då utöva en motkraft på dig och du måste få en lika stor rörelsemängd i motsatt riktning. Därmed kan du ta dig till kanten på skridskobanan.
Vad har det här med rymden att göra? Om man vill att en rymdfarkost av något slag ska accelerera hamnar man i samma läge som på skridskobanan - det finns inget man kan skjuta ifrån mot. För att lösa detta har man med sig stora mängder så kallad reaktionsmassa, som man kan skjuta iväg i motsatt riktning mot den man själv vill röra sig i. Tyvärr innebär detta att man måste ha med sig en försvarlig mängd reaktionsmassa från Jorden, vilket gör uppskjutningen besvärligare. Reaktionsmassan kan dessutom ta slut. Det är detta som Emdrive försöker lösa.
Tanken med Emdrive
För att förstå tanken med Emdrive behöver man känna till två andra fysikaliska fenomen, nämligen strålningstryck och grupphastighet. Strålningstryck innebär att elektromagnetisk strålning, som mikrovågor eller ljus, utövar en kraft på föremål det träffar. I vardagliga situationer är den här kraften för liten för att märkas, men med intensivt ljus kan man faktiskt flytta på små föremål - som den optiska pincetten som kan lyfta celler och som belönas med Nobelpris i år.
Grupphastighet har också med elektromagnetisk strålning att göra. När man vill leda strålning till en specifik punkt använder man ofta en vågledare, ett rör av metall som styr strålningen i rätt riktning. Ett sådant rör påverkar inte bara riktningen på de elektromagnetiska vågorna, utan också hur fort den energi de bär med sig färdas. Ljuset i sig färdas alltid med en konstant hastighet, men man kan visa att energin i strålningen (och eventuellt informationsinnehåll, om det till exempel är en radiovåg) färdas med en lägre hastighet som beror på vågledarens form och storlek och på strålningens våglängd.
Idén med Emdrive är att konstruera en vågledare för mikrovågor på ett sådant sätt att grupphastigheten är större i ena änden än i den andra. I ändarna på vågledaren placerar man reflekterande metallskivor. Strålningstrycket skulle då, enligt Emdrives uppfinnare, bli högre i den ända av vågledaren där grupphastigheten är högre. Det skulle i sin tur leda till en större kraft i ena riktningen än i den andra, vilket Emdrive-uppfinnarna hävdar skulle få hela vågledaren att börja röra på sig.
Invändningarna mot Emdrive
Efter vår diskussion av motkrafter och rörelsemängder ovan så är det inte konstigt om Emdrive-konstruktionen får oss att höja på ögonbrynen. Om satt i nån sorts farkost på vår friktionsfria skridskobana skulle vi väl inte kunna sätta fart på den genom att trycka på väggarna? Det är, i ett nötskal, den mest fundamentala kritiken mot Emdrive - själva idén bortser från Newtons tredje lag. Från uppfinnarnas sida försöker man förklara det hela med att det blir annorlunda för att ljus rör sig i relativistiska hastigheter, så man måste betrakta ljuset och vågledaren som två separata system (eller som de själva formulerar det, vågledaren plus strålning utgör ett öppet system). Tyvärr kan jag inte göra nån grundligare utvärdering av det påståendet eftersom de inte egentligen härleder det eller förklarar hur de menar i sina egna artiklar. Det finns också en del andra konstigheter i deras teori, exempelvis ett väldigt märkligt resonemang kring kraft och acceleration som enligt dem leder till att man inte kan mäta på systemet i en statisk experimentuppställning.
Det starkaste argumentet hittills har ändå varit att man i experiment med systemet faktiskt mätt upp en resulterande kraft, om än en liten sådan. Emellertid har de resultaten också sina kritiker, som pekar på en studie av Emdrive från universitetet i Dresden. Där insåg man att den resulterande kraften var oförändrad även när man minskade intensiteten på strålningen i vågledaren, vilket inte borde inträffa. När man fortsatte undersökningen hittade man en felkälla, nämligen interaktion mellan Jordens magnetfält och kablarna som försåg testutrustningen och Emdriven med ström. Den här interaktionen ger upphov till en kraft som i normala fall är försumbar, men som i Emdrive-fallet var tillräckligt för att ge helt fel resultat. När man skärmade av kablarna bättre för att minska interaktionen lyckades man nämligen inte mäta upp nån resulterande kraft från Emdrive.
Det verkar som om Newtons tredje lag klarar sig ett tag till. Emdrive-teorin är lite för bra för att vara sann.
