NASA 工程師設計出不用燃料就能達到 99% 光速的推進器

EM drive 的概念設計圖(圖:luismmolina/iStock / Getty Images Plus)

每一個作用力都會有一個反作用力,所有的火箭都是以此種原理運行:朝一個方向噴射燃料以向另一個方向前進。但是美國太空總署(NASA)一位工程師認為,他可以不靠燃料就帶我們上太空。

螺旋推進器

NASA 馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)的工程師大衛·伯恩斯(David Burns)設計出「螺旋推進器」(helical engine),利用了已知在近光速運動時產生的質量改變效應。伯恩斯在 NASA 的技術報告伺服器上發布了一篇描述該概念的論文。

伯恩斯的推進器原理可以這樣解釋。假設在無摩擦的表面上有一個盒子,盒子裡面有一根桿與可以沿著桿滑動的環。如果盒子內的環被推了一下,則環將沿著桿滑動,而盒子會向後退。當環到達桿的末端時,它將撞上盒子向後反彈,箱子的移動方向也將反向。這就是牛頓第三運動定律,在正常情況下,它會將​​盒子限制為來回擺動。

不過伯恩斯質疑,當環的質量向一個方向移動比另一方向大得多時,會如何?如此一來,盒子一端的受力將比另一端更大,箱子將加速前進。

火箭中不斷變化的質量所引起的反作用力,會讓火箭向前移動(圖:David Burns)

相對論

愛因斯坦(Albert Einstein)的狹義相對論指出,物體加速至接近光速時會增加質量,在粒子加速器中必須要考慮這點。實際上,將伯恩斯概念實現的一個簡單作法,是將其上述例子的環替換為環形粒子加速器。在這種粒子加速器中,離子在一個行程中迅速加速到相對論速度,而在另一個行程中減速。

但是伯恩斯認為,拋開盒子和桿子,使用粒子加速器進行橫向和圓周運動會更合理,此時加速器的形狀必須像螺旋狀一樣,此外尺寸也必須很大,長約 200 公尺,直徑 12 公尺,但 165 百萬瓦的功率才能產生 1 牛頓的推力,這大約是敲鍵盤的力道。伯恩斯表示:「如果有足夠的時間和動力,推進器本身將能達到 99% 光速。」

前車之鑑

不靠燃料的想法並非新鮮事。1970年代後期,美國發明家羅伯特·庫克(Robert Cook)發明了一種推進器,據稱可將離心力轉換為線性運動。2000 年代初期,英國發明家羅格·舍耶爾(Roger Shawyer)提出了電磁推進器(EM Drive),宣稱可以將微波轉換成推力。由於違反了動量守恆,這兩個概念都沒有被成功證明,並且都被認為是不可能實現的概念。

德國德勒斯登工業大學(Dresden University of Technology)馬丁·泰馬教授(Martin Tajmar)曾對電磁推進器進行測試,在 2018 年發表的結果判定量測到的推力不是來自電磁推進器,他認為螺旋推進器可能會遇到同樣的問題。他表示:「據我所知,所有慣性推進系統從未在無摩擦的環境下工作。與其他機器不同,這台機器利用了相對論,這使情況變得更加複雜。」

但伯恩斯認為他的概念值得追求,他私下試著實現了他的設計,沒有得到 NASA 的任何資助,他承認自己的概念效率極低。但是他表示,也許可以回收加速器以熱和輻射損失的大部分能量。他還提出動量守恆的方法,例如加速離子的自旋。他表示:「很樂意把它公開討論。如果有人說這行不通,那麼我將是第一個說這值得一試的人,你必須準備好出糗。公開透明地發明出一種新的而且確實有效的東西非常困難。」

參考資料:

  1. Cartwright, J. (2019, October 11). NASA engineer’s ‘helical engine’ may violate the laws of physics. Retrieved October 25, 2019, from https://www.newscientist.com/article/2218685-nasa-engineers-helical-engine-may-violate-the-laws-of-physics/.
  2. Burns, D. M., & NASA Marshall Space. (2019, August 16). Helical Engine. Retrieved October 29, 2019, from https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.2019-4395.
  3. https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20190029294
EA
實習編輯,初出茅廬的社會新鮮人,在生活的庸碌中探索理想、生活還有理想的生活的模樣。

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