L’impossibile EM Drive

Di recente ha fatto scalpore un articolo scientifico che descrive i test effettuati dalla NASA su un “motore impossibile”, chiamato Electromagnetic Drive o EM Drive.

Innanzitutto un breve inquadramento del problema. Per via del principio di conservazione della quantità di moto (in meccanica la legge di azione e reazione) per muoversi occorre sempre spingere qualcosa indietro. Sulla terraferma di solito “spingiamo indietro” il pavimento, nello spazio i gas di scarico di un razzo, o un estintore vuoto, come succede nel film “Gravity”. Questo è un grosso problema, perché nello spazio qualsiasi cosa te la devi portare dietro, e una volta che l’hai finita è finita. Attualmente circa il 95% della massa di un razzo al decollo è appunto costituito da propellente, e trovare un modo per spingersi senza dover buttare via del propellente sarebbe quindi una cosa estremamente utile. In teoria è possibile utilizzare un “razzo a fotoni”, in cui la spinta viene fornita da radiazione elettromagnetica (onde radio, o luce), ma le forze ottenibili sono molto piccole, 0,3 milionesimi di grammo (3,3 nanonewton) per ogni watt di potenza irraggiata.

Nel 2000 Roger Shawyer, un inventore americano, annunciò di aver realizzato un motore in grado di generare una spinta significativa (2 grammi), sfruttando una cavità risonante a microonde. La cavità, a forma di tronco di cono, concentra le onde radio (prodotte da un generatore simile a quello dei forni a microonde) sulla sua faccia stretta, e genererebbe in questo modo una spinta. Sarebbe quindi in grado di far muovere un oggetto nello spazio senza bisogno di propellente, contraddicendo la conservazione della quantità di moto.

Sfortunatamente esiste un teorema che ci dice che questa legge di conservazione deriva dalle proprietà fondamentali delle leggi della fisica: qualsiasi fenomeno fisico descritto da leggi che siano invarianti per spostamenti deve necessariamente conservare la quantità di moto. Detto in termini molto grezzi, la conservazione della quantità di moto è una conseguenza obbligata del fatto che se studiamo un problema fisico in un posto o in un altro ritroveremo sempre gli stessi risultati; cioè che le leggi che descrivono, ad esempio, il moto di un proiettile saranno sempre le stesse anche se ci si sposta di alcuni metri. Se questo è vero, la quantità di moto deve conservarsi. Lo stesso vale per le leggi dell’elettromagnetismo: dal momento che queste non dipendono da dove ci troviamo, un sistema chiuso come quello dell’EM Drive non può violare la conservazione della quantità di moto, e quindi produrre una spinta netta. Shawyer ha giustificato la spinta in base alle normali equazioni di Maxwell, ma se una spinta esiste deve essere prodotta in base a leggi differenti, che ancora non conosciamo.

I tentativi di ripetere le misure di Shawyer sono tutti falliti. Un gruppo di ricerca cinese (diretto da Juan Yang alla Xi’an’s Northwestern Polytechnical University) annunciò di esservi riuscito, ma ritrattò dopo misure più accurate. Altri tentativi sono stati fatti dalla Boeing, e in seguito dalla NASA, trovando risultati via via sempre minori. In questi esperimenti si è visto come il riscaldamento dell’oggetto produce forze spurie notevoli, e l’aria riscaldata può facilmente essere la causa delle spinte misurate. Pertanto una serie di esperimenti sono stati condotti sotto vuoto spinto. L’ articolo di cui si parla descrive quelli condotti presso il laboratorio Eagleworks della NASA (specializzato in “oggetti che non dovrebbero funzionare”), che è stato accettatto ed è in via di pubblicazione su una rivista scientifica peer review, il Journal of Propulsion and Power, e confermerebbe l’effetto. Il fatto che l’esperimento venga descritto in modo dettagliato in una rivista di questo tipo è essenziale per poter valutare la cosa: per essere pubblicato, poi, l’articolo è stato sottoposto ad una serie di critiche da parte dei referee, a cui gli autori hanno già risposto.

La misura è molto delicata. Occorre misurare forze di milligrammi che agiscono su un oggetto che pesa qualche etto e che si scalda di decine di gradi. Per farlo, gli sperimentatori hanno montato l’apparecchio su una bilancia di torsione, una barra orizzontale appesa ad un filo e libera di ruotare, e hanno messo il tutto in un contenitore sotto vuoto. I contatti elettrici necessari passano attraverso un sistema di fili immersi in metallo liquido, per ridurre gli attriti. La bilancia è abbastanza sensibile da venir disturbata dalle vibrazioni causate dalle onde nella vicina baia di Galveston, e le misure si sono svolte quindi sempre con mare calmo.

Il primo problema pratico è riuscire a mantenere le onde radio generate alla frequenza di risonanza, in modo da aumentarne l’intensità. Il campo elettrico in una cavità risonante è molto intenso, in questo caso vicino alla faccia larga del tronco di cono è circa 10 mila volte maggiore di quello che si avrebbe con la stessa potenza in campo libero. Più una risonanza è “buona”, più è stretta in frequenza, e quindi l’oscillatore deve essere mantenuto attivamente alla frequenza giusta, che tra l’altro cambia nel tempo in quanto l’oggetto si dilata termicamente quando è acceso. L’elettronica necessaria è molto delicata, e deve stare fisicamente vicina alla cavità, con problemi di peso e di dissipazione di calore.

Il secondo problema è che il pendolo di torsione su cui è appoggiato il tutto reagisce al calore, e questo oggetto, soprattutto nel vuoto, si scalda di diverse decine di gradi. Lo spostamento del pendolo dovuto ad effetti termici è consistente, almeno il doppio di quello dovuto alla spinta. Fortunatamente i due spostamenti (termico e dovuto alla spinta) hanno andamenti temporali diversi, e quindi è possibile cercare di riconoscerli e separarli.

Infine c’è il problema della grandezza dei segnali. Si misurano spostamenti di qualche micron in un oggetto che si scalda/raffredda di 10 gradi, e in cui vengono dissipati 60 watt nella cavità (la potenza che entra nel cono alla fine viene dissipata), mentre qualche centinaio di watt viene dissipato nell’elettronica che genera le microonde. Gli autori descrivono in dettaglio come hanno tenuto conto di ogni possibile effetto spurio. Hanno pensato a tutte le cose ovvie, altre gliele hanno suggerite i referee, insomma non hanno apparentemente commesso errori evidenti. Si è cercato di eliminare questi effetti sia con un buon disegno sperimentale, che ad esempio provando a vedere cosa succede girando il cono in varie direzioni. Sicuramente han fatto un buon lavoro.

Resta il problema che “affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie”. Qui l’affermazione straordinaria è il tentativo di giustificazione sperimentale. Uno dei fisici che ha condotto l’esperimento (Harold White) ha suggerito che l’effetto sarebbe possibile se l’interpretazione canonica (probabilistica) della meccanica quantistica fosse sbagliata, e se invece fosse valida quella delle “onde pilota”, in cui le particelle seguono traiettorie deterministiche, “guidate” da onde che seguono le equazioni ondulatorie della meccanica quantistica. In questo caso, secondo gli autori, il campo elettromagnetico all’interno della cavità potrebbe interagire con queste onde, legate a fluttuazioni di vuoto, e “spingere” il vuoto in modo da conservare la quantità di moto. In altre parole esisterebbe un qualche “campo di vuoto” che nell’esperimento alla fine è differente dai due lati del cono, e giustificherebbe la spinta, ma non viene data una descrizione in termini propriamente fisici di come dovrebbe funzionare il meccanismo. Non essendoci motivi per ritenere valida questa spiegazione la maggior parte dei fisici è propensa a credere si tratti di un effetto strumentale, un errore di misura. Ad esempio, un effetto termico legato al riscaldamento di una parte dell’apparato sufficientemente piccola, che si riscaldi e raffreddi molto velocemente, sarebbe difficile da distinguere dall’effetto cercato. Gli effetti più ovvi, come la dilatazione del metallo, sono stati considerati, ma possono essercene altri che finora non sono venuti in mente ai ricercatori. Inoltre un esperimento analogo, all’Università di Dresda, ha trovato lo stesso effetto, ma (a differenza di quanto visto alla NASA) l’effetto rimane montando il motore in una direzione in cui non dovrebbe far ruotare il braccio della bilancia. Evidentemente quindi ci sono ancora effetti spuri non ben compresi. Una prova nello spazio potrebbe dirimere la questione, ma non è né semplice né economica da realizzare.

Riguardo alle applicazioni pratiche (supponendo l’effetto sia reale), sembrano lontane. L’oggetto produce una spinta che è circa 150 volte quella di una vela solare, a parità di potenza. Ma per farlo funzionare servirebbero pannelli fotovoltaici, e considerata la rese di questi ultimi a parità di superficie viene prodotta una spinta che è solo 30 volte superiore, il che non compenserebbe la maggiore complessità e costo del sistema rispetto ad una semplice ed economica vela. Ma se l’effetto fosse reale si aprirebbe la strada a una nuova fisica, che magari ci consentirebbe di ottenere rese molto migliori. E in ogni caso se c’è una nuova fisica questa è importante a prescindere.

Immagine © NASA Eagleworks Laboratories

11 pensieri riguardo “L’impossibile EM Drive

  • 18 Dicembre 2016 in 14:52
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    Ma se è possibile un razzo a fotoni, come dite nella prima parte dell’articolo, per quanto la spinta sia piccola, dato che i fotoni hanno massa esattamente nulla come si giustifica in questo caso la non conservazione della quantità di moto?
    Stesso discorso per la sfera di vetro senz’aria che ho posseduto, dove una girandola a facce bianche e nere sui due lati girava forte (dissipando i relativi inevitabili attriti) se illuminata da una luce incidente laterale e in teoria, se accoppiata a un’elica immersa in un liquido avrebbe potuto fornire una piccolissima spinta, quindi massa liquida in movimento a fronte di fotoni incidenti di massa nulla?

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  • 18 Dicembre 2016 in 15:48
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    @Archimede i fotoni hanno quantità di moto non nulla, pur avendo massa a riposo nulla. Se E è l’energia, p la quantità di moto e mc^2 la massa a riposo, in relatività ristretta vale per l’energia di una generica particella la seguente relazione:

    E^2 = p^2 c^2 + m^2 c^4

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  • 18 Dicembre 2016 in 15:49
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    ERRATA CORRIGE: Ovviamente mc^2 è l’energia a riposo, più propriamente.

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  • 19 Dicembre 2016 in 00:39
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    Ho capito. Ero abituato alla definizione classica massa per velocità. Non ho pensato di documentarmi sulla definizione relativistica.

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  • 19 Dicembre 2016 in 08:59
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    In ogni teoria è possibile definire una “quantità di moto” che si conserva, accanto a quella classica di massa per velocità. Nell’elettromagnetismo è dato da una formula che coimvolge il campo elettrico e magnetico, e in particolare per un’onda elettromagnetica è pari alla sua energia diviso la velocità della luce. Per cui la forza prodotta emettendo un’onda elettromagnetica (tutta in una direzione) è di 3,3 nanonewton per ogni watt di potenza emessa. Ma se non c’è un campo elettromagnetico esterno alla scatola, non c’è neppure una quantità di moto associata, e quindi non c’è spinta.

    Il mulinello di cui parla Archimede (radiometro di Crookes) NON funziona con la pressione di radiazione che è troppo piccola e oltretutto lo farebbe girare nella direzione opposta. L’effetto è dovuto al fatto che la faccia nera si scalda di più di quella bianca, assorbendo la luce, e il calore, riscaldando il pochissimo gas residui nell’ampolla, genera la spinta. L’effetto è complicato, e non ancora del tutto capito, ma fornisce un ottimo esempio di come effetti termici siano importanti in queste cose.

    A mio parere proprio un effetto di questo tipo (che NON è stato preso in considerazione tra quelli esaminati nell’articolo) potrebbe essere la causa del fenomeno. Facendosi due calcoli, la base larga del cono, dove viene trasformata in calore la potenza immessa, si deve scaldare di svariate decine di gradi per dissipare il calore nel vuoto. Alle pressioni bassissime della camera a vuoto indicate nell’articolo (1 millipascal) questo non è sufficiente per generare una spinta come nel mulinello, ma se per qualche motivo la pressione fosse anche di poco (3-4 volte) maggiore, le molecole che urtano il cono verrebbero accelerate dalla maggiore temperatura, rimbalzando verso la parete del contenitore a vuoto dove cedono la quantità di moto. Alla fine il cono si spingerebbe sulle pareti del contenitore, grazie a questo meccanismo. A pressioni molto maggiori invece le molecole finirebbero per urtare le molecole di gas in arrivo, diminuendo il numero di quelle che colpiscono il cono e annullando l’effetto.

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  • 19 Dicembre 2016 in 10:18
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    Qualunque sia il sistema, ammesso e non concesso che funzioni, avrebbe un rendimento ridicolo che lo rende impraticabile comunque.

    MR

    PS Oppure sono le multinazionali del petrolio-nucleare-chimico che non vogliono che questa promettente tecnologia venga alla luce… 🙂

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  • 19 Dicembre 2016 in 15:29
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    Mancava: è avvenuta a Napoli il giorno 16 (3 giorni fa).

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  • 20 Dicembre 2016 in 11:50
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    @Gianni Comoretto
    La pressione della camera a quanto pare è quella tipica dei test “standard” per componenti spaziali. Però a quelle pressioni qualsiasi metallo scaldato degassa anche se in minima quantità. Un oggetto metallico con un volume significativo scaldato intorno ai 100°C in una piccola camera a vuoto può facilmente far aumentare la pressione.
    Potrebbe essere che il metallo della parte del cono scaldato degassi e produca localmente (attenzione: localmente) un aumento della pressione, con un certo numero di particelle oltretutto conduttive. L’aumento di pressione non verrebbe rilevato se le pompe sono abbastanza potenti e il sensore di pressione della camera non è nelle immediate vicinanze del cono (tipicamente sono montati su una flangia e la parte sensibile è all’altezza della parete). In questo caso sarebbe la geometria del sistema di misura a creare il problema e l’errore sistematico.
    Bisognerebbe capire se hanno pensato a misurare la pressione con un sensore a filo caldo proprio nella zona calda del cono. Mi sembra però strano che non ci abbiano pensato, anche se la storia dei neutrini superluminali insegna qualcosa in proposito. Magari provo a scrivere qualche e-mail.

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  • 15 Marzo 2018 in 11:05
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    Salve, non sono molto convinto ne’ della teoria della propulsione dovuta a riscaldamento delle molecole del gas rarefatto gas, ne’ a quelle della degassazione.

    Il riscaldamento di gas rarefatti non mi convince perche’ le misurazioni di spinta trovare sono praticamente identiche a quelle fatte in aria a pressione atmosferica

    QUella della degassazione nemmeno, perche’ hanno trovato spinta anche se il “motore” era orientato con il lato “largo” lungo l’asse del pendolo, quindi la spinta non avrebbe dovuto esserci, oppure essere estremamente minore.

    La mia idea e’ che il concetto stesso del meccanismo di spinta prodotta sia errato in qualche modo.

    La mia idea e’ che questo aggeggio rispetti un principio di conservazione del momento, solo che questo principio vada allargato a qualcosa che ci sta sfuggendo in questa occasione.

    L’esperimento fatto a Dresda suggerisce che la spinta non sia diretta semplicmente lungo l’asse che va dalla faccia piccola a quella grande, ma che esiste anche una spinta laterale, che salta fuori quando orientiamo l’apparecchio in modo da non produrre spinta lungo l’asse supposto. Se osservate il setup, l’oggetto sembra cilindricamente simmetrico, ma non e’ detto che le onde stazionarie che si formano “dentro” abbiano la stessa simmetria.

    La mia ipotesi del tutto fuori dagli schemi attuali, e’ che questo oggetto stia producendo un qualche genere di radiazione “nuova”, che noi non siamo ancora in grado di individuare, che funga da carrier di quantita’ di moto. IL motore insomma rientrerebbe nel novero di uno speciale tipo di motore a spinta “fotonica”.

    Che tipo di radiazione esotica sarebbe? E se esiste, come individuarla?
    Mah, l’unica idea che mi viene in mente e’ che, se questi oggetti emettono una qualche radiazione sconosciuta che tuttavia obbedisca alle leggi di propogazione ondulatoria, si potrebbe provare a costruirne due o piu’ , metterli in funzione, e vedere se si notano effetti di interferenza (costruttiva/distruttiva) di qualche tipo tra queste eventuali onde misteriose emesse.

    Sarebbe un esperimento da fare, non troppo costoso (non stiamo cercando di trovare micronewton di spinta, ma qualcos’altro) e magari pure divertente. Potrebbe farlo perfino un laboratorio universitario.

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  • 27 Luglio 2018 in 09:35
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    Ammesso che funzioni, faccio un appunto sul confronto tra questo sistema di propulsione e la vela solare. La vela solare può spingere solo verso il lato opposto al sole, mentre questo sarebbe orientabile.
    E inoltre aprirebbe lo scenario alla scoperta di nuove teorie fisiche che ne dovrebbero spiegare il funzionamento. E dopo la sistemazione della parte teorica si lavorerebbe a renderlo più efficiente.
    Ma per adesso parliamo di fantascienza

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