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不用燃料70天飞到火星?这技术太科幻!

原标题:不用燃料70天飞到火星?这技术太科幻!

【幻思系 报道】2015 年7月,美国宇航局对外宣布发现了一颗“迄今为止最像地球的行星”。虽说当大家冷静下来之后发现所谓的“第二个地球”其实是想太多,但人们对于新的宜居星球的关注度确实提高了。然而无论我们发现多少类似的存在,都伴随着一个让人沮丧的信息 —— 该行星距离地球N光年。这就意味着以现有的技术,在燃料限制的范围内是绝不可能到达的。

美国一家名为Cannae的公司不久前突然宣布,他们所研发的“Cannae Drive”作为即将开始测试。Cannae Drive 将不携带任何推进剂,但它在测试中将要把一个鞋盒大小的立方体卫星送入高达240公里的低地轨道中。届时卫星将展开为期六个月的工作,主要为了测试轨道推进技术。

要将什么东西送上太空,我们肯定马上会想到火箭这种利用反推力来获得动力的航天器。就目前来说这种技术可行性最高,但效率也很低。如果说Cannae公司的技术真有其事而且得以实现,那么现有的航天业将被彻底颠覆。根据该公司的说法,利用他们的技术,从地球到火星只需要10个星期的时间 —— 我们知道地球到火星最近也有5500万公里,传统的技术需要大概七个月的时间。

新突破的前世今生

其实Cannae Drive所用的技术并不能够算是新鲜事物,它所用的原理可以追溯到16年前,英国科学家罗杰?索耶(Roger Shawyer)提出的微波推进器EmDrive。

EmDrive和我们常见的火箭发动机完全不同,它不需要任何的推进剂,依靠燃烧来推动航天器前进。罗杰索耶的理念是将电力转化为微波,这些微波光子随后被发射进一个倒圆锥状的封闭金属腔中。当这些微波光子击打在金属腔较宽的那一段时,就会导致较窄的那一段朝着相反的方向加速。

索耶的EmDrive理念一经提出,立刻遭到了大量的质疑,因为在批评者们看来,这种构想甚至连最基本的动量守恒法则都无法遵守。因此,如果想要让EmDrive朝着一个方向产生推力是不可能的,必须要有推进剂朝着一个方向被排放出去,但这个装置确实一个封闭系统。

索耶则反驳说,考虑到狭义相对论,EmDrive事实上仍然遵循动量守恒。它带来的相对效应在腔体的两端产生了辐射压力差,使得装置能够朝一个方向前进。在科学家们的努力下,人们最终还是证明了这种微波推进器是可行的。

有趣的是,因为EmDrive基于的理论看上去实在太荒唐,索耶的绝大部分工作在西方被忽视,而认真对待这些研究成果的却是中国的科学家。2008年来自国内的研究小组接受挑战,发表了一系列基于理论和实验结果的论文。2012年他们成功制造出了利用这个原理的设备,用电力的输入换来了动力的输出。在那之后,NASA离经叛道的 Eagleworks 实验室经过测试,对人们原先的质疑提出了积极的修正。有趣的是,该实验室测试的数个装置原型中,有两个正是Cannae公司打造的。

那么我们今天的主角Cannae Drive 呢?它基于另一位科学家吉多费塔(Guido Fetta,他正是Cannae公司的CEO)的研究成果。费塔和索耶两人走上了两条不同的研究之路,不过Cannae Drive同样有着一个不对称腔体,但它的形状比EmDrive要更扁平一些。根据费塔本人的说法,Cannae Drive和EmDrive 非常相似,但还牵涉到了洛伦兹力的不平衡(洛伦兹力指磁场对运动电荷的作用力)产生推力,从而实现让航天器前进的目的。有趣的是,费塔提出的新办法看上去像是一个改进方案,但索耶却认为他的EmDrive比Cannae Drive更好。索耶认为,因为带电粒子会在腔体内衰减,Cannae Drive产生的推力会比EmDrive要小得多。

展望一下美好未来?

吉多费塔表示,Cannae Driv 目前最为实际的好处是它能够用来发射小型人造卫星。因为不需要推进剂,整个的装置也就可以更小、更轻、耗能更少了。

对于低空卫星来说,推进剂本身就是一个很大的局限,因为卫星要频繁产生推力来抵消大气阻力,让它自己维持好轨道。推进剂本身就占据了整个卫星重量的一半。太阳能面板虽然能够提供能量,但当推进剂耗尽后它就完全没用了。

EmDrive概念的提出者罗杰索耶则相信,这个技术将会彻底改变整个航天业,甚至有望缓解能源危机和气候变化的问题,因为未来发射卫星和航天飞机不再需要大量的燃料。另外,微波推进也有助于延长卫星的寿命。

如果通过这个突破能够将更多的卫星送上太空,那么它们就可以用来收集太阳能,甚至作为对抗全球变暖的“护盾”。就和上文所说的那样,该技术可以大幅提高宇宙航行的速度。索耶表示,未来浮空汽车甚至可以成为可能。

道路太漫长

Cannae Drive一经宣布,不少人都以为传说中的“曲速引擎”近在眼前,无论多远的距离那都不是事儿。可惜的是,微波推进技术理论上确实能够大幅提高星际航行的速度,但那距离科幻电影里所描述的无论多少光年都近在眼前还是太遥远。

事实上正如吉多费塔所说,目前这个技术仍然在测试阶段,而且也只能尝试先把一个很小的卫星送上太空,等待实验成功之后再进行下一步的计划。无论是Cannae Drive还是EmDrive,NASA都还没有对这两个技术进行官方确认。业界人士称,NASA 和其他的研究小组很可能还需要经过更多的测试,才能够真正开始认真看待这项技术。

EmDrive的缔造者罗杰索耶也没有闲着。据了解,他已经和某英国航天公司达成合作,打造下一代的EmDrive技术。据了解,如果研究成功,新的推进器将产生比现有任何推进装置都要多很多个数量级的推力。未来很光明,道路很漫长,希望我们今生有缘得见。

无论是普通人还是科学家,似乎能一眼望见 EmDrive 背后的荒谬,然而实验结果却让人再次睁大双眼。

据《每日邮报》报道,美国航天局(NASA)经过几年的“闭关”研究,终于要发表关于 EmDrive 的论文了。据悉论文已经通过了同行审议阶段,一家主流学术期刊接受了论文发表的申请,不日我们将亲见 NASA 数年神秘研究的成果。

EmDrive 在科学界是个异数,是个“违反经典物理学”的存在,很容易被认为是引人嗤之一笑的民科。

然而,十多年了,EmDrive 并没有滑落到尘埃里,反而引起越来越多的关注。因为,权威如 NASA 这样机构,都无法否认它产生的实验结果,而更令人费解的是,至今都没有人知道它的工作原理,就连它的发明人 Roger Shawyer 也无法解释清楚。

这让人不禁想起科幻小说家阿西莫夫《永恒的终结》里的场景:未来的人类通过时间旅行,将一个名为维科·马兰松的人送来 21 世纪,制作出了超越当时科技水平的机器。书里有这么一段描述马兰松:

“他的同僚们常常感到很懊恼,因为他可以造出这么神奇的机器,却解释不出原理。”

而这与 EmDrive 的发明人 Roger Shawyer 面临的境况何其相似。

| EmDrive:没有燃料的引擎

EmDrive 的全称是 Electromagnetic Drive (电磁驱动),其核心部件是一个特殊形状的微波共振腔体,里面不断跳跃的微波给航天器提供推力,而太阳能可以提供电力来维持微波的运动。

Roger Shawyer称其为"没有排气装置的火箭引擎"。这意味着,它是一个没有燃料的火箭引擎。

10周把人送上火星的EmDrive引擎,民科、神启还是世纪大发现?

EmDrive原型机,图自: The Wired

如果它能够变为现实,将会对整个航天业产生无与伦比的影响。因为现阶段的航天器需要携带大量的沉重燃料才能飞上外层空间,燃料没了,航天器也不能再运行。

以 NASA 为火星之旅准备的 SLS 火箭为例,它需要将顶层的"猎户座"太空舱送到外太空,但是如下图所示,整个火箭的体积和质量最多的部分,是红色和蓝色的液态燃料罐。

10周把人送上火星的EmDrive引擎,民科、神启还是世纪大发现?

EmDrive不需要任何此类的燃料,它产生推力的核心部件就是一个真空的腔体,相比于传统燃料罐,轻地不可思议。

只需要太阳能,它就可以在外层空间慢慢地累积速度,最后达到极快速度飞至外星球。据估算,如果将 EmDrive 作为宇宙飞船的发动机,那么前往月球只要 4 小时,到火星只要 10 周,到半人马座,只要 100年(现阶段技术需要数万年)。

但是, EmDrive 饱受质疑,因为它似乎违反了牛顿第三定律。

| EmDrive违反了经典物理学定律?

牛顿第三定律是这样的:

当两个物体相互作用时,彼此施加于对方的力,其大小相等、方向相反。“力”势必会成双结对地出现:其中一道力称为“作用力”;而另一道力则称为“反作用力”。

10周把人送上火星的EmDrive引擎,民科、神启还是世纪大发现?

火箭要升空,就要产生推进力,那么产生推进力的方法是火箭内部液态燃料燃烧,喷出的气体对火箭产生向上的反作用力的推力,这个推力让火箭升空。

但是 EmDrive 的外界没有任何的作用力,可是它却凭空产生了前进的推进力。

Roger Shawyer 在接受采访时也被问到这个“永恒的”问题,他明确表示 EmDrive 并没有违反牛顿力学定律,但是用于解释的理由却很模糊。他说:

"EmDrive 建立在牛顿第三运动定律之上。EmDrive 在一个方向上产生推进力,如果情况允许的话,它也会在相反方向加速。整个过程的动量是守恒的。" (EmDrive produces thrust in one direction, and if it's allowed to, it will accelerate in the opposite direction. Momentum is conserved by this process.)

他表示,EmDrive 建立在麦克斯韦、牛顿和爱因斯坦等人的理论之上,并没有其他的独特理论。

接受采访的 Roger Shawyer

虽然 Roger Shawyer 于 2001 年在英国成立了 Satellite Propulsion Research 公司,致力于 EmDrive 的研究,但雷锋网(搜索“雷锋网”公众号关注)并没有找到该公司网站,只找到了一个很简陋的提供 EmDrive 相关信息的网页。

| NASA 石破天惊的实验结果

Shawyer 在 2003 年进行了实验,并称实验结果显示产生了微小的 16 毫牛的推进力,相当于2 颗花生的重量。然而,他并没有发表经过同行审议的学术论文(或者说,没机会发表)。

2006 年,一个名叫 Guido Fetta 的美国工程师仿照 EmDrive 制作出来一台原型机,名为“Cannae Drive”,他同样没有发表论文。

2006 年 9 月 8 日,英国老牌科学杂志 New Scientist 选择以 EmDrive 为封面,发表的相关文章认为这个装置似乎是可信的。随后,科幻作家 Greg Egan 发表公开信,表示这篇文章“一味追求轰动效应,作者缺乏基本的科学知识。”Greg Egan 的文章被美国数学物理学家 John C. Baez 转发在自己的博客上。New Scientist 迅速发表澄清声明,并附上专家们对 EmDrive 持否定意见的公开信。

人们普遍认为 EmDrive 就跟永动机一样,缺乏科学原理的支撑,不可能实现。

到这时,或许我们还可以笑称 EmDrive 为民科,直到中国的一组科学家开始将 EmDrive 拉进正规的学术圈。

从 2010 年开始,中国西北大学的杨涓教授就开始发表关于 EmDrive 的论文。在 2013 年,她带领一组队伍,制作出了 EmDrive 原型机,并发表论文(中文)公布测试结果:2.5 千瓦的电量产生了 720 毫牛(约 72 克)的推进力。有人将杨涓的论文翻译成了英文,在媒体和学术圈流传开来。

2013 年 8 月,NASA 有一个专注于推进器装置的研究团队,叫做“ Eagleworks”,他们在德克萨斯州的林顿·约翰逊太空中心(Lyndon B. Johnson Space Center)对两台 Cannae Drive 进行了为期 8 天的实验,并于 2014 年 6 月 4 日,将实验结果以论文的形式在美国航空航天学会(AIAA)第 50 届联合推进大会上发表。实验数据显示,在 28 瓦的电力的刺激下,产生了 30-50 微牛(1毫牛=1000微牛)的推力。

这一试验结果堪称石破天惊,本来大家是等着 NASA “辟谣”的,没想到竟是这样的结果,大大超乎人们的意料。这一下,EmDrive 火了,各大主流媒体争相报道,几周到达火星这样的标题霸占了当天的科技新闻头条。

而 Shawyer 本人也开始有机会在 2014 年 10 月的多伦多航天会议上发表演讲并发表论文。

接着,NASA 在 2014 年夏天和 2015 年初,对 Shawyer 的 EmDrive 原型机进行实验,在 50 瓦的电力下测出了 50 微牛的推进力。2015 年 7 月,德国的德累斯顿理工大学 Martin Tajmar 教授在 AIAA 的推进和能源论坛展示了自己对 EmDrive 更加精密的实验结果,也证明了其确实能产生推进力。

到这个时候,有 NASA 和德累斯顿理工大学两大权威机构的实验数据,人们已经无法以民科来看待 EmDrive 了,尽管到现在为止,没人能给出其背后原理的合理解释。

同时,EmDrive“逆袭”的故事性和令人惊叹的潜在用途,激发了普通民众的兴趣,而且制作 EmDrive并不需要很复杂的装置,在 YouTube 上,有很多科学爱好者上传了自己制作的小型 EmDrive 的实验视频。

| 背后可能的原理:没人知道,只能猜测

首先,Shawyer 自己并没有给出令人信服的原理解释。而 NASA 的 2014 年论文里也明确表示,并不对这个机器的原理做任何阐述,只单纯提供实验数据。

坊间盛传 EmDrive 很可能是《星际迷航》等科幻作品里的“曲速引擎”(Warp Drive),其原理是超光速旅行,通过改变发动机前后的时空来产生推进力。这当然是科幻电影粉丝最乐见的假设,但已经被多个研究人员否定,其中包括Shawyer本人,他在接受采访时明确表示“绝对不是Warp Drive” 。

10周把人送上火星的EmDrive引擎,民科、神启还是世纪大发现?

比较主流的可靠猜想是,EmDrive 实际上受到的推进力来自量子真空的虚粒子,虚粒子短暂地存在这个世界,不断产生又迅速消失,所以真空并不是真空。但是这仅仅是猜想。

至于这次所传的 NASA 即将要发布的论文,消息源来自 Nasa Spaceflight 论坛的 José Rodal 博士爆料,他在帖子里说到:

“我个人的理解是,Eagleworks 的新论文已经被学术期刊接受并即将发表。注意:我并没有从任何一位 NASA 的雇员那里听到这个消息。”

他还明确说出了论文题目,并暗示这家学术期刊很可能是 AIAA 旗下的。

而在今年 3 月,Eagleworks实验室的工程师 Paul March 也在该论坛上证实 EmDrive 正在接受同行审议,但表示这个过程十分缓慢。

尽管 José Rodal 博士已经明确表示他的消息并非来自 NASA 雇员,但是还是有大量的主流国外媒体报道了这一消息,人们乐于见到关于神秘的 EmDrive 的原理解释,因为它确实太过奇幻了。

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