El curioso vínculo entre la anomalía de sobrevuelo y el imposible propulsor EmDrive

Hace unos 10 años, un ingeniero aeroespacial poco conocido llamado Roger Shawyer hizo una afirmación extraordinaria. Tome un cono truncado, dijo, haga rebotar microondas de un lado a otro dentro de él y el resultado será un empuje hacia el extremo angosto del cono. Voila... un propulsor revolucionario capaz de enviar naves espaciales a los planetas y más allá. Shawyer lo llamó EmDrive.

El anuncio de Shawyer fue muy controvertido. El sistema convierte un tipo de energía en energía cinética y hay muchos otros sistemas que hacen algo similar. En ese aspecto es insignificante.

Los problemas conceptuales surgen con el impulso. El impulso total del sistema aumenta a medida que comienza a moverse. Pero, ¿de dónde viene este impulso? Shawyer no tenía una explicación convincente y los críticos dijeron que esto era una violación obvia de la ley de conservación del impulso.

Shawyer respondió con resultados experimentales que mostraban que el dispositivo funcionaba como él afirmaba. Pero sus críticos no quedaron impresionados. El EmDrive, dijeron, era equivalente a generar un empuje parándose dentro de una caja y empujando por los lados. En otras palabras, era aceite de serpiente.

Desde entonces, algo interesante ha sucedido. Varios equipos de todo el mundo han comenzado a crear sus propias versiones de EmDrive y las han puesto a prueba. Y para sorpresa de todos, han comenzado a reproducir los resultados de Shawyer. El EmDrive, al parecer, realmente produce empuje.

En 2012, un equipo chino dijo que había medido un empuje producido por su propia versión de EmDrive. En 2014, un científico estadounidense construyó un EmDrive y persuadió a la NASA para que lo probara con resultados positivos.

Y el año pasado, la NASA realizó sus propias pruebas en el vacío para descartar el movimiento del aire como origen de la fuerza. La NASA también confirmó que el EmDrive produce un empuje. En total, seis experimentos independientes han respaldado las afirmaciones originales de Shawyer.

Eso deja un rompecabezas importante: cómo explicar la aparente violación de la conservación del impulso.

Hoy recibimos una especie de respuesta gracias al trabajo de Mike McCulloch en la Universidad de Plymouth en el Reino Unido. La explicación de McCulloch se basa en una nueva teoría de la inercia que hace predicciones sorprendentes sobre la forma en que los objetos se mueven bajo aceleraciones muy pequeñas.

Primero algunos antecedentes. La inercia es la resistencia de todos los objetos masivos a los cambios de movimiento o aceleraciones. En la física moderna, la inercia se trata como una propiedad fundamental de los objetos masivos sujetos a una aceleración. De hecho, la masa se puede considerar como una medida de la inercia. Pero por qué existe la inercia ha intrigado a los científicos durante siglos.

La idea de McCulloch es que la inercia surge de un efecto predicho por la relatividad general llamado radiación Unruh. Esta es la noción de que un objeto acelerado experimenta radiación de cuerpo negro. En otras palabras, el universo se calienta cuando aceleras.

Según McCulloch, la inercia es simplemente la presión que ejerce la radiación de Unruh sobre un cuerpo en aceleración.

Eso es difícil de probar con las aceleraciones que normalmente observamos en la Tierra. Pero las cosas se ponen interesantes cuando las aceleraciones involucradas son más pequeñas y la longitud de onda de la radiación Unruh se hace más grande.

Con aceleraciones muy pequeñas, las longitudes de onda se vuelven tan grandes que ya no caben en el universo observable. Cuando esto sucede, la inercia puede tomar solo ciertos valores de longitud de onda completa y, por lo tanto, salta de un valor al siguiente. En otras palabras, la inercia debe cuantificarse en pequeñas aceleraciones.

McCulloch dice que hay evidencia observacional de esto en la forma de las famosas anomalías de vuelo. Estos son los extraños saltos en el impulso que se observan en algunas naves espaciales cuando vuelan más allá de la Tierra hacia otros planetas. Ese es exactamente lo que predice su teoría .

Probar este efecto con más cuidado en la Tierra es difícil porque las aceleraciones involucradas son muy pequeñas. Pero una forma de hacerlo más fácil sería reducir el tamaño de las longitudes de onda permitidas de la radiación Unruh. Esto es lo que puede estar haciendo EmDrive, dice McCulloch.

La idea es que si los fotones tienen una masa inercial, deben experimentar inercia cuando se reflejan. Pero la radiación Unruh en este caso es diminuta. De hecho, es tan pequeño que puede interactuar con su entorno inmediato. En el caso de EmDrive, este es el cono truncado.

El cono permite la radiación de Unruh de cierto tamaño en el extremo más grande, pero solo una longitud de onda más pequeña en el otro extremo. Entonces, la inercia de los fotones dentro de la cavidad debe cambiar a medida que rebotan de un lado a otro. Y para conservar el impulso, esto debe generar un impulso.

McCulloch pone a prueba esta teoría usándola para predecir las fuerzas que debe generar. Los cálculos precisos son complejos debido a la naturaleza tridimensional del problema, pero sus resultados aproximados coinciden con el orden de magnitud del empuje en todos los experimentos realizados hasta el momento.

Crucialmente, la teoría de McCulloch hace dos predicciones comprobables. La primera es que colocar un dieléctrico dentro de la cavidad debería mejorar la efectividad del propulsor.

La segunda es que cambiando las dimensiones de la cavidad se puede invertir la dirección del empuje. Eso sucedería cuando la radiación de Unruh coincida mejor con el tamaño del extremo angosto que con el extremo grande. Cambiar la frecuencia de los fotones dentro de la cavidad podría lograr un efecto similar.

McCulloch dice que hay alguna evidencia de que esto sucede exactamente. Esta inversión de empuje puede haberse visto en experimentos recientes de la NASA, dice.

Esa es una idea interesante. EmDrive de Shawyer tiene el potencial de revolucionar los vuelos espaciales porque no requiere propulsor, el mayor factor limitante en los sistemas de propulsión actuales. Pero en ausencia de una explicación convincente de cómo funciona, los científicos e ingenieros son comprensiblemente cautelosos.

La teoría de McCulloch podría ayudar a cambiar eso, aunque no es una idea convencional. Hace dos suposiciones desafiantes. La primera es que los fotones tienen masa inercial. La segunda es que la velocidad de la luz debe cambiar dentro de la cavidad. Eso no será fácil de digerir para muchos teóricos.

Pero a medida que surgen más confirmaciones experimentales del EmDrive de Shawyer, los teóricos se ven obligados a adoptar una posición difícil. Si no es la explicación de McCulloch, ¿entonces qué?

Ref: arxiv.org/abs/1604.03449 : Probando la inercia cuantificada en el EmDrive

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