NASA 工程師設計出不用燃料就能達到 99% 光速的推進器

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。

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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。」

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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。」

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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