Funktioniert der «unmögliche» Quantenantrieb EmDrive? Das sagt die Forschung
Es war eine Sensation, als Wissenschaftler der amerikanischen Weltraumbehörde Nasa 2014 einen Testbericht über ein revolutionäres Antriebssystem veröffentlichten, das anscheinend fundamentalen Grundsätzen der Physik widerspricht. EmDrive heisst der «unmögliche» Antrieb, den der britische Ingenieur Roger J. Shawyer konstruiert hatte.
Shawyers Triebwerk besteht aus einem kegelförmigen Hohlraum aus Kupfer. Die Innenwände des Hohlraums reflektieren Mikrowellen, die das Gehäuse nicht verlassen können. Dennoch resultiert am Ende ein – allerdings nur geringer – Strahlungsdruck. Gerichtet erzeugt der Druck einen Schub, der das Triebwerk bewegt. Wie genau diese Kraft erzeugt wird, ist ungeklärt. Die Nasa-Forscher vermuteten eine Interaktion mit einem «virtuellen Plasma im Quantenvakuum».
Die Lösung für ein grundlegendes Problem?
Der Nasa-Bericht über das EmDrive-Konzept versetzte Astronomen vor allem deshalb in Erregung, weil dieser Antrieb ein grundlegendes Problem der Raumfahrt lösen könnte. Die Entfernungen zwischen den Himmelskörpern sind nämlich enorm und mit den heutigen technischen Mitteln nahezu nicht zu überbrücken. Die Raumsonde «Voyager 1» zum Beispiel, die mit 17 km/s durchs All rast und das schnellste je von Menschen gebaute Objekt ist, würde für eine Reise zum Nachbarstern Proxima Centauri mehr als 75'000 Jahre benötigen.
Abgesehen davon, dass unsere Raumschiffe für solche Distanzen viel zu langsam sind, benötigen sie grosse Mengen an Treibstoff. Und der muss zuerst mit grossem Aufwand ins All gebracht werden.
Der EmDrive dagegen – und das macht ihn so revolutionär – würde lediglich Strom für die Erzeugung von Mikrowellen benötigen. Die dafür notwendige Energie liesse sich im Weltraum zum Beispiel über Solarzellen gewinnen. Treibstoff, um Schub zu produzieren, wäre nicht notwendig.
Physikalische Gesetze verletzt
Nun widerspricht das Konzept des EmDrive freilich dem Gesetz der Impulserhaltung oder dem Wechselwirkungsprinzip, Newtons drittem Gesetz. Herkömmliche Triebwerke funktionieren nämlich vereinfacht gesagt so, dass sie hinten etwas ausstossen und sich dadurch nach vorn bewegen. Dies ist eben der Treibstoff, der mit hoher Geschwindigkeit ausgestossen wird und so die Rakete in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Wenn der EmDrive ohne Treibstoff auskommt, dann ist das etwa so, als würde man ein Auto dadurch vorwärts bewegen, dass man von innen gegen die Windschutzscheibe drückt.
Kein Wunder also, dass die etablierte Wissenschaftsgemeinde Shawyers Entwurf mit grosser Skepsis begutachtete – zumal der gemessene Effekt eher vage war. Man vermutete, dass es hier um einen fehlerhaften Versuchsaufbau ging. Immerhin bestätigte aber ein Peer-Review im November 2016, dass die Durchführung des EmDrive-Experiments wissenschaftlichen Anforderungen genügte und fehlerfrei war.
Doch ein Messfehler
Dass es sich beim spektakulären Resultat des EmDrive gleichwohl um einen Messfehler handelt, hat nun der österreichische Physiker Martin Tajmar gezeigt. Mit seiner Arbeitsgruppe am Institut für Luft- und Raumfahrttechnik der Technischen Universität Dresden reproduzierte er die Versuchsanordnung des EmDrive-Experiments exakt und mass die Schubkräfte mit einer extrem genauen Torsionswaage.
Den Versuchsaufbau stellten die Physiker in eine Vakuumkammer, um äussere Einflüsse möglichst ausschliessen zu können. Zahlreiche möglicherweise störende Faktoren wurden berücksichtigt und eliminiert, so Veränderungen in der Umgebungstemperatur, Geräte-Vibrationen oder elektromagnetische Felder.
An sich konnten die Wissenschaftler die Schubkraft tatsächlich feststellen: Wurden im Inneren des Hohlkegels Mikrowellen reflektiert, war eine geringe Schubkraft messbar. Die liess sich auch nachweisen, wenn das Triebwerk gedreht wurde. Sie war aber auch dann messbar, wenn das Triebwerk so eingestellt wurde, dass in Bezug auf das Messgerät keine Kraft hätte nachweisbar sein dürfen. Zudem blieb die gemessene Schubkraft auch dann ähnlich stark, wenn beim Experiment weniger Leistung zugeführt wurde. Auch dies sprach für einen Messfehler als Ursprung der Schubkraft.
Nicht abgeschirmtes Kabel
Schliesslich gelang es den Physikern, die Fehlerquelle zu eruieren: Es handelte sich um einige Zentimeter Kabel, die nicht gegen das Magnetfeld der Erde abgeschirmt waren. Der Strom, der darin floss, erzeugte eine Kraft, die gemäss den Berechnungen genügend gross war, um die gemessene Schubkraft zu erklären. Ihre Ergebnisse veröffentlichten Tajmar und sein Team im Mai dieses Jahres.
Damit dürfte sich der «unmögliche» EmDrive tatsächlich als unmöglich erweisen. Wir werden somit noch länger auf einen Durchbruch in der Antriebstechnik warten müssen. Oder wir greifen gleich auf den «Unendlichen Unwahrscheinlichkeitsantrieb» zurück, den Douglas Adams in seinem Bestseller «Per Anhalter durch die Galaxis» beschreibt.
(dhr)
