viernes, 15 de agosto de 2014

La NASA planea ir al espacio en máquinas de movimiento perpetuo

¿Será un fraude la propulsión sin reacción que estudia la NASA?


Científicos del Laboratorio de Propulsión Avanzada del Centro Espacial Johnson, de la NASA, afirmaron haber construido y probado con éxito una serie de dispositivos de propulsión sin reacción, un concepto que viola leyes fundamentales de la física.


Hace algunos años, un inventor británico dijo haber ideado un dispositivo de propulsión sin reacción que, a diferencia de los cohetes clásicos, podía generar empuje sin necesidad de expulsar producto alguno por sus extremos. Tal creación significaría un gran avance en todas las formas de propulsión, desde el transporte terrestre, los viajes marítimos y submarinos, hasta los vuelos espaciales. Aunque, tal unidad parece violar leyes fundamentales de la física, a principios de agosto de este año, un grupo de científicos de la NASA aseguró haber probado con éxito un concepto similar al propuesto una década antes.




La historia

En el año 2000 el ingeniero aeroespacial Roger J. Shawyer, propuso un novedoso y controversial método de propulsión de naves espaciales: el EmDrive. Su concepción teórica se puede ver en la publicación A Theory of Microwave Propulsion for Spacecraft



Diagrama esquemático del concepto de Shawyer.
La misma consiste de una cavidad resonante metálica con forma de cono truncado, cerrada por arriba y por abajo y con de alto factor de selectividad Q . La cavidad es excitada mediante microondas que produce un magnetrón, éste último alimentado con el aporte de energía eléctrica del exterior.


Según las explicaciones de Shawyer, la radiación ejerce presión sobre las paredes de la cavidad, la cavidad experimenta una fuerza mayor en la cara más grande, dando como resultado un empuje neto sin la necesidad que propelente de alguno salga del sistema. En otras palabras, Shawyer dice que el EmDrive convierte la energía eléctrica de las microondas en empuje por el rebote de las microondas dentro del la cavidad cerrada, sin que nada salga de la misma.





En 2001, Shawyer funda la compañía Satellite Propulsion Research (SPR) para estudiar la factibilidad de su idea. Desde entonces ha estado tratando de interesar a la gente en su dispositivo. 

Prototipo de la cavidad resonante
de microondas EmDrive (SPR). 

En 2002 logra la financiación del gobierno británico, lo que le permite construir el primer prototipo en el año siguiente. Según él, en los ensayos con su dispositivo consiguió una fuerza de empuje neto de 16mN (miliNewtons), con el aporte de 850W (watts) de potencia.







Vista lateral del EmDrive montado sobre 
un banco de pruebas (SPR).
Modelo construido del EmDrive 
de Shawyer (SPR).

En septiembre de 2006, la revista New Scientist publicó el artículo Relativity drive: The end of wings and wheels?, donde –con poco espíritu crítico– se hace eco de los experimentos de Shawyer con el EmDrive (un mes más tarde se excusaron en su blog con la entrada EmDive on trial por no haber cubierto más a fondo las críticas hacia la unidad).


Vídeo donde, supuestamente, se muestra el EmDrive en acción.





Diagrama esquemático de la versión
china del motor de propulsión de
microondas tipo EmDrive 
desarrollado por la Prof. Yang.
En 2008, un grupo de investigadores chinos de la Universidad Politécnica del Noroeste (NWPU) de  Xi'an,  bajo la supervisión de la profesora Yang Juan, aseguró haber confirmado la teoría detrás del EmDrive  y publicó sus hallazgos en la en la revista Acta Physica Sinica en el paper titulado Net thrust measurement of propellantless microwave thruster de 2012 (versión en inglés aquí) y emprendió la construcción de un modelo propio. 



En 2010 se convirtieron en los primeros en replicar los resultados de Shawyer con un EmDrive de alta potencia en un banco de pruebas. El equipo chino construyó su propia versión y confirmó que fueron capaces de obtener una fuerza de 720mN de empuje (el peso de unos 72 gramos), con 2500W de potencia de entrada. Tal empuje, señalaron, sería suficiente para propulsar un satélite en la práctica.

Un motor de este tipo podría ser alimentado por energía solar o nuclear, lo que eliminaría la necesidad de suministro de propelente –que puede llegar a ocupar hasta la mitad de la masa total de lanzamiento–. 


Prototipo del motor de propulsión tipo EmDrive desarrollado
por la Prof. Yang. 


Diagrama esquemático del Cannae Drive,
según los planos de Fetta.
En 2012, Guido P. Fetta, un ejecutivo de ventas estadounidense devenido en inventor, propuso un dispositivo de propulsión de microondas sin reacción, muy similar al EmDrive, al que llamó Cannae Drive (también conocido como Q-drive) y fundó la empresa Cannae LLC para explotar su investigación. Casualmente, su dispositivo también consta de un recipiente metálico y una fuente de microondas, pero éste pretendía operar bajo principios diferentes al EmDrive. El Cannae Drive es una cavidad resonante en forma de disco, con ranuras radiales en una cara interior que producen, según describe el inventor, un desequilibrio interno que conduce al empuje externo.

Fetta presentó su concepto en una publicación Numerical and Experimental Results for a Novel Propulsion Technology Requiring no On-Board Propellant en la AIAA, su teoría parece diferir de la del EmDrive, a pesar de ser básicamente el mismo concepto.

Prototipo del Cannae Drive desarrollado
por Fetta y ensayado en la NASA.
En 2013 Fetta logró convencer a un grupo de investigadores del Laboratorio de Física de Propulsión Avanzada del Centro Espacial Johnson, de la NASA, para que probara su aparato. El equipo Eagleworks dirigido por el físico Harold G. de White, decidió poner a prueba la propulsión sin reacción. Eagleworks normalmente se dedica al estudio y desarrollo de sistemas de propulsión avanzados, investigando una amplia gama de propuestas poco ortodoxas.
Los investigadores pusieron a prueba al EmDrive y al Cannae Drive, con derivaciones que parecieron prometedoras.

En enero de 2014, el equipo de la NASA testeó una unidad de cavidad cónica similar al diseño EmDrive de Shawyer y un Cannae Drive de Fetta. Los resultados de la pruebas para estos propulsores fueron positivos. David Brady, Harold White, Paul March, James Lawrence y Frank Davies describen que fueron capaces de generar entre 30 y 50μN de empuje, medido con un péndulo de torsión muy sensible, con el aporte de 30W de potencia, aislando el experimento dentro de una cámara de vacío de acero inoxidable.

En otra prueba con un dispositivo de cavidad cónica, encontraron que "la presencia de algún tipo dieléctrico en el resonador" era esencial para observar un empuje en el dispositivo, obteniendo 91,2μN con una potencia de entrada de 17W, en comparación con los 40μN de empuje con 28W para el Cannae Drive.

Los resultados fueron publicados en el paper Anomalous Thrust Production from an RF Test Device Measured on a Low-Thrust Torsion Pendulum (versión gratuita aquí) y presentados durante la 50ma Conferencia Conjunta de Propulsión celebrada en Cleveland, el 30 de julio de este año.

Luego de finalizar las pruebas, el equipo concluye:
 "Los resultados de las pruebas indican que el diseño de propulsor de cavidad resonante RF, único como dispositivo de propulsión eléctrico, produce una fuerza que no es atribuible a ningún fenómeno electromagnético clásico y, por tanto, potencialmente demuestra una interacción con el plasma virtual del vacío cuántico”.
El artículo termina con una discusión sobre potenciales misiones espaciales tripuladas a las lunas de Marte y Saturno con una versión mejorada y ampliada de alguna de las unidades sin reacción estudiadas. Proyectan una misión a Marte, de 8 meses, con una nave espacial de 90 toneladas impulsada por esta nueva tecnología; estiman que, mediante el uso de una fuente de energía nuclear de 2MW se podrían desarrollar 800N de empuje. 


La NASA es una entidad de mucho prestigio en ciencia espacial. Cuando un equipo de esa agencia presenta evidencia de propulsores imposibles, algo extraño está sucediendo. O bien los resultados están completamente errados, o bien la NASA ha descubierto una falla en los cimientos de la física.


Los problemas de los propulsores sin reacción

El EmDrive de Shawyer
El principio de funcionamiento del EmDrive es sumamente endeble. Según Shawyer, la radiación ejerce presión sobre las paredes de la cavidad y, debido a “efectos relativistas”, la cavidad experimenta una fuerza mayor en la cara más grande, debido a que la velocidad de grupo de la onda cambia a medida que el diámetro local de la cavidad varía.
La justificación teórica suena absurda, motivo por el cual, la comunidad científica desconfía de sus afirmaciones. El inventor sostiene que su dispositivo es capaz de generar empuje, aún cuando no haya nada saliendo de la cavidad resonante que haga las veces de masa de reacción. Los fotones de microondas se encuentran atrapados en su dispositivo, no pueden escapar, por lo que no podría crear propulsión.

Pero, la principal objeción al concepto de Shawyer es que, en concreto, cualquier unidad "sin reacción" violaría la ley de conservación de la cantidad de movimiento. Si obtiene empuje en una dirección, sin nada que lo propulse en la otra, ¿qué pasa con la conservación del momento lineal? 

Para propulsar una nave en una dirección se requiere que algo sea lanzado en el sentido opuesto. En la disposición que propone Shawyer, el sistema es cerrado y parece violar la conservación del momento lineal. Es algo así como pretender hacer rodar el automóvil únicamente empujando el volante, o como querer hacer volar un recipiente cerrado metiendo dentro un helicóptero de juguete.

En la física, la cantidad de movimiento se obtiene multiplicando la masa de un cuerpo por su vector velocidad. Tanto la teoría como los experimentos indican que la cantidad de movimiento se conserva. Que algo se conserve significa que no se crea ni se destruye. Esto es lo que pasa en una nave espacial que está flotando en el espacio vacío. Cuando se encienden los propulsores de la nave, se alimenta con hidrógeno y oxígeno líquido, que son quemados en la cámara de combustión. Esto genera gases calientes que salen a muy alta velocidad por la parte posterior, empujando la nave espacial hacia adelante. Aquí podemos verificar cómo se conserva la cantidad de movimiento: una masa pequeña de gas escapa a alta velocidad de la parte trasera de la nave. Si multiplicamos esa masa pequeña por una velocidad grande, obtenemos una cantidad de movimiento significativa apuntando hacia atrás. Para compensar esto, la nave (con una masa muy grande) comenzará a moverse hacia adelante a una baja velocidad.

En un sistema cerrado, la cantidad de movimiento no puede ser creada ni destruida, de acuerdo con uno de los principios básicos de la física. En un cohete convencional, se logra el empuje sin romper esta ley porque el impulso combinado del cohete y los gases de escape de la nave del se anulan entre sí a medida que avanzan en direcciones opuestas. En el caso del EmDrive, podríamos instalarlo en una nave espacial y, al encender el dispositivo, la nave comenzará a acelerarse. Al ganar velocidad, estará modificando su cantidad de movimiento sin ningún otro cambio externo, algo que es imposible.

Otra crítica es que Shawyer afirma que su EmDrive funciona gracias a la relatividad especial y que por eso no viola la conservación de la cantidad de movimiento. Sin embargo, el principio de conservación del momento lineal es cierto tanto para la mecánica newtoniana, la relatividad o la mecánica cuántica y sirve en todos los marcos de referencia.

Además, su teoría no parece tener coherencia consigo misma, dado que Shawyer afirma que el aumento en el impulso de la unidad se equilibra con una pérdida de impulso de la onda. Como el momento lineal de un fotón p es igual a su frecuencia f multiplicada por h/c (una constante), la única forma de que esto suceda es que la frecuencia de las microondas disminuyan. Pero, en ese caso, las microondas no podrían permanecer en resonancia con la cavidad.

Otro alegato post hoc de Shawyer contra los detractores del EmDrive es que, como funciona según la relatividad especial, hay que considerar que tanto la onda electromagnética como a la guía de ondas tienen marcos de referencia separados, lo que permite considerarlo como un sistema abierto. El problema es que, en ese caso, tampoco tendría sentido la cavidad resonante.

Como señala John Costella, se puede observar un error grave en el artículo de Shawyer en la figura siguiente. Allí asume que la presión de radiación en las paredes laterales de la cavidad cónica tiene componente axial, lo cual produciría el empuje neto (la diferencia entre las fuerzas F₁ y F₂). 


Cuando un fotón rebota contra la pared del cono, el aumento en el momento lineal de la partícula en la dirección axial queda equilibrado con el impulso impartido al cono en la dirección opuesta. Las componentes Fs₁ y Fs₂ representan las fuerzas (debido al impulso) que ejercen los fotones que golpean la pared de la cavidad. Cuando una partícula choca elásticamente contra la cavidad, la pared siente una reacción en la dirección perpendicular a la pared. En el  diagrama de Shawyer, están dibujadas de forma perpendicular al eje horizontal del cono, cuando deberían ser perpendiculares a la pared del cono, ese es el error fundamental. Si se analiza correctamente la geometría y se incluye la componente axial del momento transferido a las paredes laterales en cada reflexión, resulta que el impulso neto transferido a la cavidad por la radiación es cero y, por ende, la fuerza neta debe ser nula.

Por otra parte, en una de sus publicaciones Shawyer analiza el funcionamiento dinámico de sus propulsores con alto Q. Allí afirma que es posible construir un EmDrive de segunda generación (2G) de alta potencia con un recubrimiento superconductor que son capaces de producir un empuje de 1Ton/kW, con una aceleración máxima de 0,05G (aproximadamente 0,5ms⁻²). Sin embargo, un cálculo rápido parece conducir a un resultado absurdo. 

Supongamos que una nave de 1 tonelada de masa total usara el hipotético propulsor, consumiría 1kW de potencia eléctrica para lograr la aceleración límite de 0,5m/s². Si el propulsor se enciende en el instante t=0seg y parte del reposo, es fácil ver que a los 8 segundos (t=8seg) su velocidad será:
v = a · t = 0,5m/s² · 8seg = 4m/s

Y la energía cinética desarrollada es:
K =  ½ · m · v² =  ½ · 1000kg · (4m/s)² = 8000J

La potencia mecánica resulta:
P = W/Δt = ΔK/Δt= 8000J/8seg =1kW




Es decir que, al cabo de 8 segundos, la potencia eléctrica consumida (1kW) igualaría a la potencia mecánica y el propulsor tendría un rendimiento del 100%. ¿Qué pasa un instante después, por ejemplo a los 8,2 segundos a los 9 segundos o a los 10 segundos?



En t=10seg la velocidad será de 5m/s y la energía cinética desarrollada es de 12,5kJ. Por lo que la potencia mecánica debería ser de 1,25kW, consumiendo tan solo 1kW de la alimentación. En tal caso, tendríamos un rendimiento de:

η=Pₒ/P=1,25kW /1kW=1,25



Es decir, en el hipotético caso planteado y con los datos proporcionado del propulsor, después de los 8 segundos la unidad tendría un rendimiento superior al 100%. ¿De dónde sale esa energía extra? ¿Habrá sido creada de la nada, como en un móvil perpetuo?


El propulsor de Yang
En cuanto al paper de Yang et al.,  puede hacerse un análisis similar al de Shawyer porque se trata del mismo dispositivo, salvo que hacen uso de la electrodinámica clásica para su explicación. El artículo Prediction and experimental measurement of the electromagnetic thrust generated by a microwave thruster system parece un poco más técnico que el de Shawyer. 
Sin embargo, hay quienes señalaron un posible error en el mismo. En la figura 1 del Sistema Propulsor de Microondas muestran el detalle de las presiones y fuerzas actuantes en cada una de las caras de la cavidad. En la figura 1(a) el sistema está abierto –en estado de no resonancia– y las microondas reflejadas son radiadas a la atmósfera o espacio exterior. En ese caso, obtienen una cantidad muy pequeña de empuje. Entonces, objetan el esquema de la figura 1(a) porque las microondas se escapan, lo que impide la onda estacionaria y, por ende, la resonancia –que según Shawyer era lo que permitía la amplificación del pequeño empuje por un factor Q–. Para evitar ese inconveniente, se decantan por una solución como la mostrada en la figura 1(b), la cual consiste en colocar una carga adaptada en el extremo abierto (la guía de onda 3), según dicen, de modo de absorber el calor de las microondas reflejadas:
“la carga adaptada convierte  la microondas reflejadas en calor radiado a la atmósfera”.
El problema es que las si las microondas fuesen reflejadas en el extremo de la carga no transferirían calor, como aducen allí,  sino su impulso –impulso que ignoraron en los cálculos–.  Pero, por otro lado, si la carga disipara la energía de las microondas, el sistema tampoco sería completamente cerrado, dado que estaría emitiendo energía en forma de calor hacia el exterior.

El Cannae Drive de Fetta
También al dispositivo de Fetta le valen las críticas del EmDrive por tratarse del mismo tipo de propulsor sin reacción, aunque en este caso, la explicación de su funcionamiento no sea para nada clara:
“El Cannae Drive es una cavidad resonante con características de diseño que redirigen la presión de radiación ejercida en la cavidad para crear un desequilibrio de presión de radiación en la cavidad. Este diferencial en la presión de radiación genera un desequilibrio de fuerza que crea empuje. La cavidad se acelera sin el uso de propelente”.
Básicamente, consiste de una cavidad metálica de unos 30cm de dámetro alimentada por microondas a la frecuencia de resonancia. Para diferenciarlo del EmDrive, a Fetta se le ocurrió que su Cannae Drive debía llevar unas ranuras en un lado para funcionar. Así, por las extrañas razones anteriores se supone que debería generar empuje neto.

Las pruebas de Eagleworks
Para empezar, cabe señalar que el artículo con los ensayos del equipo Eagleworks de la NASA es un documento preliminar para ser presentado en una conferencia. No se trata de una publicación revisada por pares.  

Por otra parte, los investigadores de la NASA sacan conclusiones más cercanas a la ciencia ficción que a la ciencia real. Para explicar la diminuta fuerza “anómala” (50μN) generada conjeturan: 
"Los resultados de las pruebas indican que el diseño de propulsor de cavidad resonante RF, único como dispositivo de propulsión eléctrico, produce una fuerza que no es atribuible a ningún fenómeno electromagnético clásico y, por tanto, potencialmente demuestra una  interacción con el plasma virtual del vacío cuántico”. 
Probablemente querían decir que su motor funciona empujando las fugaces partículas virtuales del vacío cuántico. El problema es que las partículas virtuales no son algo contra lo que se pueda empujar y, peor aún, el "plasma virtual del vacío cuántico" del que habla Harold White es algo irreal, no un verdadero término físico . 

El cosmólogo del Caltech, Sean Carroll, dijo al respecto: 
No existe tal cosa como un “plasma virtual del vacío cuántico”. Existe el vacío cuántico, pero no tiene nada de plasma en él. En particular, no posee un marco en resposo, por lo que no hay nada contra lo cual empujar, luego no puede usarse para la propulsión. Todo esto es absurdo. Afirman haber medido un efecto increíblemente pequeño que fácilmente podría ser ruido”.
En ese sentido, las fuentes de posibles errores pueden ser muy variadas. Una masa relativamente pequeña puede afectar a una balanza de torsión tan sensible como la utilizada. De hecho, en el mismo artículo de la NASA aseguran:
“Sin embargo, un efecto visible al ambiente sísmico es la perturbación periódica (entre un tercio y un cuarto de Hertz) creada por las olas del Golfo de México (a unos 40 kilómetros al sureste de Johnson Space Center), especialmente en días de viento. Según los geólogos locales, estas ondas de baja frecuencia se propagan tierra adentro hasta los 160 kilómetros. Perturbaciones sísmicas menos previsibles y de más alto impacto representan el equipamiento y la actividad en las zonas adyacentes al área de pruebas del Eagleworks Lab, incluyendo el equipo de ventilación del edificio, un ascensor y el tráfico peatonal de los empleados. A fin de minimizar los impactos de todas las fuentes de vibración, la mesa flota en muelles de aislamiento de vibración neumáticos.”
O sea, que admiten que la fuerza que pretenden medir es tan pequeña que unas olas a 40 kilómetros de distancia o los pasos de un empleado podrían arruinar el experimento.

Otro problema –más evidente– es que las pruebas que se debían hacer en vacío (extrayendo todo el aire del contenedor de acero inoxidable) se terminaron haciendo a presión atmosférica –porque los dieléctricos utilizados no sirven en ese ambiente–. Esta podría ser una posible causa del impulso “anómalo”, una ligera brisa de aire podría modificar los resultados, más teniendo en cuenta que la corriente eléctrica que alimenta los dispositivos genera calor y éste, a la vez, puede producir corrientes de convección de aire dentro del contenedor.
Dr. Harold White.
Más sospechas apuntan al hecho que en las pruebas se ensayaron dos versiones distintas del Cannae: una con ranuras y otra sin las ranuras a modo de control (llamada allí Null). Las dos lograron un empuje de entre 22 a 48μN con 28W de potencia, aún cuando se esperaba que la versión sin ranuras no produjese resultado positivo, lo cual habla por sí solo.

Para completar el panorama, el líder del equipo Eagleworks, el Dr. Harold “Sonny” White es un entusiasta de ideas acerca de viajes más rápidos que la luz y en los últimos años, entre sus investigaciones, ha estado trabajando en conceptos exóticos como el interferómetro de campo warp White–Juday, basado en el hipotético motor de Alcubierre.
Por último, los experimentos que presumen romper leyes de la física basados en resultados sumamente pequeños y más que dudosos, deben hacer un esfuerzo mayor en considerar antes todas las posibles fuentes de error, tales como efectos electromagnéticos externos, fricción, ionización, interferencias, calentamiento, etc.
No se puede pretender desmoronar la física actual sin estar seguros de haber estudiado cuidadosamente y descartado cada una de las posibles fuentes de error experimental.


Conclusiones
A pesar de que, esencialmente, los tipos de propulsores presentados se basan todos en el mismo concepto, sus principios de funcionamiento parecen ser elegidos arbitrariamente según sea el proponente. Shawyer explica el EmDrive mediante la teoría especial de la relatividad, mientras que el grupo de Yang Juan hace uso de la teoría electromagnética clásica. Por su parte, el Cannae Drive funciona, según sus proponentes, gracias a un inexistente “plasma virtual del vacío cuántico”. En resumen, ni los propios inventores se ponen de acuerdo sobre el principio de funcionamiento de sus creaciones. Estar comparando teorías diferentes –algunas ni siquiera científicas– sólo agrega más confusión y hace más difícil aún la validación de los experimentos.

Es muy probable que los resultados “anómalos” se deban a alguna causa que no han tenido en cuenta como fuente de error. Más aún, dado lo increíblemente pequeñas que son las fuerzas medidas –equivalentes al peso de un grano de arena– el ruido propio del medio ambiente pudiera contaminar las observaciones, como admiten los investigadores. Descartar qué cosa es la responsable de esos efectos observados en los experimentos puede ser una tarea difícil. Como vimos, el empuje a medir es tan pequeño que cualquier cosa (como una ola de mar a 40km de distancia) podría afectarlo. Es casi imposible dar cuenta de todas las posibles fuentes de error para semejante arreglo experimental. Sin embargo, si se pretende revolucionar la física, se deben considerar todos y cada uno de esos aspectos antes de hacer cualquier declaración rimbombante.

Los propulsores sin reacción son máquinas de movimiento perpetuo porque violan una de las leyes fundamentales de la física: la conservación de la energía-momento. Dado que toda la física se basa en estas leyes de conservación, cualquier creación que pretenda violarlas o bien contiene un error, o bien toda la física está mal (la clásica, la relatividad, la nuclear, la cuántica) y debería ser descartada –en cuyo caso, sería uno de los descubrimientos más grandes de la historia–. La ciencia siempre está abierta al cuestionamiento, pero teniendo en cuenta que hasta la fecha nadie ha podido construir una máquina de movimiento perpetuo, podemos asumir que los resultados obtenidos son poco probables.




Fuentes y lectura adicional:


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