EMdrive: il motore che va contro i principi della fisica

11 Set

Dopo qualche giorno di pausa, purtroppo non per svago, eccoci di nuovo qui. Per iniziare alla grande, torniamo a parlare di scienza, o almeno di qualcosa che gli somiglia. Come ci ha segnalato un nostro lettore nella sezione:

Hai domande o dubbi?

in questi giorni si è molto parlato di un’invenzione davvero particolare. Di cosa si tratta? Detto “poco chiaramente”, stiamo parlando del “motore quantistico”.

Cosa sarebbe questo motore quantistico?

Cerchiamo di andare con ordine, capendo l’origine di questa storia. Partendo da parole più semplici , il motore quantistico è, appunto, un motore che produrrebbe una spinta senza propellente ma solo usando elettricità.

Una soluzione del genere, potrebbe essere utilizzata come thruster nello spazio, cioè come sistema per far muovere i satelliti o altri veivoli spaziali. Cosa c’è di strano in tutto questo? La risposta è semplice, sapete perchè ci vuole così tanto tempo per girovagare nello spazio? Perchè i velivoli che mandiamo si muovono per inerzia. Praticamente, vengono messi in moto tramite propulsori, poi questi vengono spenti e il mezzo continua a procedere lungo la sua direzione. Tutto questo è frutto di una delle leggi fondamentali della meccanica, cioè il principio di inerzia.

Perchè questo motore quantistico sarebbe così rivoluzionario? Detto semplicemente, per far andare qualcosa nello spazio, abbiamo bisogno di avere una spinta in senso contrario. Questo è noto come principio di conservazione della quantità di moto.

Facciamo un esempio per capire meglio.

Supponete di essere al centro di un lago ghiacciato. La superficie del lago è talmente liscia che, idealmente, non c’è nessun attrito tra voi e il ghiaccio. In questa condizione limite, non potete camminare. Sapete perchè? Il semplice camminare è possibile proprio grazie all’attrito tra i nostri piedi, o le nostre scarpe, e il terreno. Praticamente, camminando, il vostro piede è fermo grazie all’attrito statico tra voi e il terreno.

Se ora vi trovate al centro di questo lago, non potete quindi riuscire a camminare. Come fate a mettervi in salvo e raggiungere la riva?

Una buona soluzione potrebbe essere quella di togliervi un indumento e lanciarlo in una direzione. Come per magia, ma in realtà è fisica, voi vi muovete per reazione nella direzione opposta a quella del lancio.

Bene, nello spazio succede esattamente la stessa cosa. Questo è noto, appunto, come principio di conservazione della quantità di moto. Altra legge fondamentale della fisica. Dunque, se questo motore non spinge nulla, per la fisica non può andare avanti.

Come è possibile?

Per provare a rispondere a questa domanda, vediamo prima di tutto come è fatto questo motore. Ecco a voi una foto di quello che viene chiamato EMdrive:

EM drive

EM drive

Questo motore è stato inventato dallo scienziato inglese Roger Shawyer alcuni anni fa. Come funziona? Il principio di funzionamento, secondo il suo inventore, sarebbe il seguente: si tratta di una cavità asimettrica in cui la radiazione a microonde viene fatta rimbalzare sulle pareti producendo effetti di risonanza. A causa di effetti relativistici, si creerebbe una differenza di pressione tra i due estremi del motore con una conseguente spinta, appunto quella di cui parlavamo per far andare i razzi nello spazio.

A distanza di qualche anno, alcuni ricercatori cinesi decidono di costruire un loro proprio motore quantistico per verificare che quanto detto da Roger Shawyer fosse vero. Cosa riescono ad ottenere? Un motore che funziona secondo lo stesso principio e conferma quanto scoperto anni prima.

Di che spinte parliamo? Più o meno 720 milli Newton secondo i cinesi.

Cosa significa 720 milli Newton? Immaginate di prendere in mano un peso da 1 Kg e di tenerlo fermo. Come sapete questo oggetto è dotato di massa ed esercita una spinta sulla nostra mano, chiamata forza peso, risultato dell’attrazione della Terra verso l’oggetto (e mutuamente dell’oggetto verso la Terra). Con un peso da 1 Kg, la spinta è di circa 10 Newton. Dunque, qui abbiamo una spinta di 720 mN, cioè equivalente a quella che produrrebbe un oggetto da 72 grammi tenuto in mano.

Interessa a qualcuno il valore della spinta? L’importante è che questa ci sia e sia in grado di far andare i nostri satelliti.

In realtà, come vedremo, il valore della spinta non è trascurabile.

A questo punto, potremmo essere di fronte alla solita teoria rivoluzionaria che la scienza cerca di insabbiare perché mette in crisi le basi su cui abbiamo costruito tutti i nostri castelli di carte. Attenzione però, questa storia è leggermente diversa dalle solite. Sapete perché? Vista la possibile applicazione di questo motore, la NASA ha deciso di analizzarlo e di provare a verificare se i risultati sono corretti.

Cosa accade a questo punto?

La NASA fa le sue prove e ottiene un risultato in cui si ha una spinta che per la fisica non dovrebbe esserci! Dunque funziona tutto? Aspettiamo prima di dirlo.

Come visto, la spinta misurata era di 720 mN. I tecnici della NASA hanno ottenuto una spinta tra 30 e 50 micro Newton, dunque, circa un fattore 10000 in meno.

Come detto prima, ma chi se ne frega, l’importante è che la spinta ci sia!

Come potete immaginare, molti giornali internazionali hanno dato ampio risalto alla notizia, salvo però non dire tutto fino in fondo.

Cosa significa?

La NASA, dopo aver effettuato questi test, ha pubblicato un conference paper sulla questione. Ecco a voi il link dove leggere il lavoro:

NASA, EMdrive test

Come potete vedere, l’articolo sembra confermare quanto affermato. Attenzione però, leggete tutto fino in fondo. Verso la fine, gli autori scrivono una frase che tanti hanno fatto finta di non leggere. Questa:

Thrust was observed on both test articles, even though one of the test articles was designed with the expectation that it would not produce thrust. Specifically, one test article contained internal physical modifications that were designed to produce thrust, while the other did not (with the latter being referred to as the “null” test article).
Cosa significa? Nel test i tecnici hanno utilizzato anche un motore di controllo realizzato per non avere nessuna spinta. Durante il test però, quando hanno utilizzato questo motore, hanno osservato nuovamente questa spinta. Cioè? Dovete fare un test che porterà valori misurati molto piccoli. Come normale, costruite qualcosa che non dovrebbe invece funzionare. Poi ottenete che tutti e due misurano qualcosa paragonabile. Come concludere? E’ sbagliata la misura su quello buono o su quello che non dovrebbe funzionare?
Personalmente, come mia natura, voglio essere propositivo e, come si dice, “open mind”. Ad oggi, i risultati mostrano valori discordanti. Molto probabilmene, i valori della spinta che si vuole misurare sono troppo bassi per le incertezze derivanti dal metodo di misura stesso. Detto in modo statistico, il risultato ottenuto è compatibile con zero Newton di spinta ma anche con qualcosa diverso da zero.
Ovviamente, non voglio precludere nulla ma, allo stato attuale, questo motore non ha dato risultati che confermano quanto affermato. Visto l’interesse sulla cosa, sono sicuro che ci saranno ulteriori sviluppi nei prossimi mesi. Se così fosse, torneremo sull’argomento proprio per vedere se quanto affermato corrisponde al vero e, in tal caso, ragioneremo su effetti non considerati dalla fisica.
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8 Risposte to “EMdrive: il motore che va contro i principi della fisica”

  1. Renato settembre 12, 2014 a 7:37 am #

    Ciao Matteo,
    Il tema é affascinante, speriamo di avere presto notizie più precise.
    In ogni caso penso che il principio su cui si basa vada studiato a fondo, quanto meno per capire se vale la pena investire riorse in questa ricerca.

    • psicosi2012 settembre 12, 2014 a 7:45 am #

      Buongiorno Renato,
      Assolutamente d’accordo con te.

      Per far capire meglio a tutti lo stato della sperimentazione fatta dalla NASA, faccio un esempio pratico. Dobbiamo testare l’efficacia di un farmaco. Prendiamo 100 persone, a 50 diamo il farmaco e a 50 acqua fresca. Troviamo che nei due campioni, test e controllo, abbiamo lo stesso risultato. Cosa concludiamo?

      Matteo

      • Davide B. settembre 29, 2014 a 9:58 am #

        Ciao Matteo! Per arricchire la discussione porto questo contributo. Ho trovato su internet l’articolo completo della nasa in cui viene descritta tutta la ricerca. Da come capisco l’inglese, mi sembra che il motore di controllo avesse solo una diversa conformazione interna rispetto a quello messo in test. Alias con slot e senza slot sono i due tipi di “motore” testati, che avevano le stesse caratteristiche eccetto per il fatto di avere o no degli slot (che traduco come scanalature interne) . Riporto qui il testo originale preso da pag 6: Prior to testing, Cannae theorized that the asymmetric engraved slots would result in a force imbalance (thrust). As a result, a second (control) test article was fabricated without the internal slotting (a.k.a. the null test article). In addition, both test articles (slotted and unslotted) were tested in both the forward thrust and the reverse thrust (beam pipe central axis rotated 180 degrees) orientation. Dalla tabella di pag 11 si vede che entrambi i tipi di “motore”,slot e unslotted, hanno fornito una spinta: tipo Slotted con direzione forward spinta media in μN 40.00; tipo Slotted con direzione reverse spinta media in μN 48.5; tipo Unslotted con direzione forward spinta media in μN 40.7; tipo Unslotted con direzione reverse spinta media in μN 22.5. Complessivamente comprendo che la “spinta anomala” è stata trovata, e che non c’era un vero e proprio motore come test nullo. Naturalmente posso aver capito male tutto l’articolo, dato che non sono un esperto nè di inglese nè di meccanica. Infatti scrivo qui le mie osservazioni per confrontarmi e capire meglio. In privato posso fornire l’articolo in questione o indicare dove reperirlo. Cosa ne pensate?

      • psicosi2012 settembre 29, 2014 a 11:31 pm #

        Ciao Davide,
        grazie mille per il tuo commento, davvero molto interessante.

        Per chi legge, il paper completo può essere letto senza vincoli a questo link:

        http://www.libertariannews.org/wp-content/uploads/2014/07/AnomalousThrustProductionFromanRFTestDevice-BradyEtAl.pdf

        Venendo a noi, continuo ad essere scettico. Come riportato nell’articolo, ci sono 3 oggetti testati. Il primo sarebbe l’EMdrive, il secondo una cavità RF come quella degli acceleratori di particelle e il terzo è un resistore da 50 Ohm.

        Partiamo da quest’ultimo. Il resistore serve per controllare, indirettamente, la calibrazione del pendolo di torsione e per verificare che non ci siano errori sistematici nella misura a vuoto. Come si vede infatti dalla tabella a pg. 11 in questo caso la spinta misurata è zero.

        Ora, capito questo, restano i primi 2 oggetti. Questi sono ovviamente simili in dimensioni, forma e materiali ma il secondo è liscio all’interno, senza scanalature, così come si realizza una cavità RF. La frase di pg.6 che hai riportata è, anche secondo me, il punto da tenere a mente:

        Prior to testing, Cannae theorized that the asymmetric engraved slots would result in a
        force imbalance (thrust).
        As a result, a second (control) test article was fabricated without the internal slotting
        (a.k.a. the null test article)
        .

        Dunque, quello che darebbe la spinta, sia secondo la ditta che secondo i cinesi, è la scanalatura asimmetrica interna che farebbe moltiplicare la spinta grazie a fenomeni fisici non direttamente legati all’elettromagnetismo che conosciamo.

        Detto questo, facciamo sempre riferimento alla tabella a pg.11. In configurazione forward i due sistemi danno risultati compatibili tra loro: 40.0 vs 40.7. In configurazione reverse 48 vs 22.

        Ora, partendo dal presupposto che la scanalatura sia la chiave di volta del sistema, se “provo a fare il fisico” (battuta 🙂 ) cosa posso concludere? Semplice, poiché il secondo oggetto dovrebbe fare 0 e invece fa 40 mentre il secondo dovrebbe fare X e fa 40 …. posso dedurre che la misura condotta è affetta da un errore di circa 40 microN. Perchè? Ti aspetti 0 e trovi 40. Significa che stai commentendo un errore sperimentale, di qualche forma, che ti falsa la misura di quello che misuri in media. Ora, se il secondo fa un valore compatibile con la tua incertezza, significa che questo risultato è paragonabile a zero.

        Spero che il ragionamneto statistico sia chiaro.

        In alternativa, posso pensare che, al contrario di quello che pensano i costruttori del motore, la scanalatura non serva a nulla ma quello che conta è il materiale, la forma, la risonanza o altro. In tal caso, diventa normale che trovo un valore compatibile in entrambi i casi. Dunque, mi dovrei aspettare un valore non nullo, come trovo, sia per la versione slotted che per quella unslotted.

        Perchè non credo a questa ipotesi? Semplice, la versione slotted è asimmetrica per costruzione. In questo caso, dunque, mi sarei aspettato valori diversi in configurazione forward e reverse. Invece trovo valori quasi identici. Al contrario, per la cavità unslotted, che è simmetrica, trovo valori diversi, uno la metà dell’altro, nelle due configurazioni.

        Alla luce di questa incongruenza e di quanto asserito sopra, il mio pensiero va direttamente all’incertezza che sta falsando la misura.

        E’ la mia risposta definitiva?

        Non può esserlo. Per poter capire se la spinta c’è, perché c’è e come avviene, si dovranno necessariamente fare altri test, come annunciato, e cercare di interpretare i risultati. Ripeto, alla luce del mio ragionamento, che spero sia chiaro e non necessariamente condivisibile, non mi sento di parlare di effetto evidente.

        Grazie ancora dell’ottimo commento!

        Matteo

  2. Davide B. ottobre 4, 2014 a 2:33 pm #

    Ciao Bis Matteo! E’ bello avere a che fare con un esperto del settore 🙂 . Io sono un laureato in psicologia clinica, con l’interesse per lo spazio e l’astronautica… Mi sembra di aver capito il tuo ragionamento statistico. La differenza tra i due prototipi è risultata non statisticamente significativa, e visto che il secondo prototipo (unslotted) può essere considerato come una base per le nostre misure, si può dedurre che: ”stai commettendo un errore sperimentale, di qualche forma, che ti falsa la misura di quello che misuri”, se non trovi differenze con il primo prototipo (slotted). Rifacendomi al tuo esempio di ricerca sull’efficacia di un farmaco, se tra i due campioni (test e controllo) troviamo lo stesso risultato, o meglio non vediamo risultati diversi statisticamente significativi, possiamo concludere che il farmaco testato non è diverso da un placebo. Anche per me è opportuno andare cauti su tutta la faccenda, per evitare che cercando una “spinta” si finisca per trovare una cantonata 🙂 . Faccio però notare che sempre nello stesso articolo, da pag 11 in avanti, viene testata una Cavità Conica (Tapered Cavity) e anche per questo prototipo viene rilevata una spinta anomala. Riporto i risultati raggruppati nella tabella di pag 18: Modalità TM211 con frequenza MHz 1932,6 e Q factor 7320; spinta media μN 91,2 per 5 test. : Modalità TM211 con frequenza MHz 1932,7 e Q factor 18,100; spinta media μN 50,1 per 2 test. Modalità TE012 con frequenza MHz 1880,4 e Q factor 22,000; spinta media μN 55,4 per 1 test. Inoltre gli autori nel commento dei risultati (sempre a pag18) indicano che: There appears to be a clear dependency between thrust magnitude and the presence of some sort of dielectric RF resonator in the thrust chamber (questa differenza capisco che è riportata con il Q factor). The geometry, location, and material properties of this resonator must be evaluated using numerous COMSOL® iterations to arrive at a viable thruster solution. We performed some very early evaluations without the dielectric resonator (TE012 mode at 2168 MHz, with power levels up to ~30 watts) and measured no significant net thrust. In conclusione quindi, parafrasando un celebre e antico scienziato, a questo punto mi vien da dire:” Eppur il pendolo di torsione con bassa spinta si muove!”. Sarebbe come vincere una bella sfida il capire perché ciò avviene, alias per un qualche errore di misura o per un qualche nuovo aspetto della fisica, che non è ancora stato identificato. Le ripercussioni sul nostro sviluppo tecnologico e sulla nostra conoscenza scientifica sarebbero notevoli.

    • psicosi2012 ottobre 5, 2014 a 3:16 pm #

      Caro Davide,
      hai capito perfettamente il mio ragionamento statistico! Come ho scritto sopra, ci sono degli aspetti di questa misura che mi lasciano un po’ dubbioso. Ci tengo però a sottolineare nuovamente come questa mia perplessità non sia assolutamente una chiusura anche perchè, ho scritto questo articolo per farla conoscere ai frequentatori del blog e ne discuto tranquillamente cercando di capire i dettagli più intimi.

      Questo, scusami la digressione, solo per rispondere a coloro, e non è assolutamente il tuo caso, che pensano che la scienza ufficiale, se posso definirmi parte di questa, tenda a screditare questo genere di misure.

      Detto questo, le tue osservazioni sono molto acute e aggiungono un tassello all’esistenza della spinta. Vedi, che ci sia una spinta la scienza ufficiale ne è certa, anche perchè l’esistenza di una pressione di radiazione, espressa mediante il vettore di Poynting è qualcosa di conosciuto e incluso nelle equazioni di Maxwell. Questo solo per dire che l’elettromagnetismo che conosciamo è in grado di prevedere una qualche spinta. La differenza sostanziale da questo caso è che la spinta che ci si aspetterebbe dall’elettromagnetismo è molto più bassa di quella misurata. E’ proprio per questo motivo che quando si parla di questo effetto si fa riferimento a qualche fenomeno, se verificato, ancora sconosciuto alla teoria.

      Detto questo, l’evidenza del risultato della misura è chiaro e io per primo non voglio assolutamente screditare quanto ottenuto ne chi ha fatto la misura stessa. Vedi, ti faccio un esempio conosciuto a tutti e, per certi versi, molto simile a questo di cui stiamo discutendo, la celebre misura della velocità dei neutrini di Opera. Te la ricordi? Scommetto di si. In quel caso, si misurò una velocità dei neutrini maggiore di quella della luce Evidenza che avrebbe messo in discussione la relatività di Einstein e tutta una serie di “certezze” poco note ai non addetti ai lavori ma ben salde nelle menti dei fisici. Personalmente, all’annuncio di questa misura fui subito scettico. Sai perchè? Come in questo caso, credo che prima di parlare di scoperte fantastiche in grado di minare teorie che hanno resistito a decine di anni di sperimentazione, si deve andare sempre cauti. Questo non significa, ripeto, screditare la misura, ma essere certi di aver considerato tutte le possibili fonti di incertezza o di errore nella sperimentazione.

      Detto questo, così come te, aspetto con ansia le nuove misure ma, soprattutto, un’analisi approfondita di queste per poter valutare eventuali effetti secondari e discutere, magari, il nuovo effetto evidenziato e non conosciuto in precedenza.

      Ti prometto fin da ora, e ti chiedo anche aiuto in questo, di seguire ogni eventuale sviluppo, pronti a discutere quello che accadrà in futuro.

      Grazie mille di questa interessante discussione che sarà utilissima anche per tutti quelli che la leggeranno.

      Buona domenica,
      Matteo

  3. Davide B. ottobre 6, 2014 a 8:56 am #

    Caro Matteo, grazie a te per la diffusione e l’approfondimento di questo argomento, e più in generale per il tuo blog molto interessante. Se in futuro avremo altre notizie sull’EM drive e sul Cannae driver, verrò volentieri a commentarle qui con voi. A questo proposito permettimi una domanda: ma all’INFN non c’è un pendolo di torsione con bassa spinta che si possa usare? 🙂 Anche in Italia si potrebbe fare qualche esperimento a riguardo. Sarebbero soldi ben spesi.

  4. Davide B. ottobre 6, 2014 a 2:50 pm #

    Ps mi permetto di segnalare anche un link esterno, dove si possono trovare altri dettagli interessanti sull’esperimento. Occhio però che è in inglese.

    http://www.wired.co.uk/news/archive/2014-08/07/10-qs-about-nasa-impossible-drive

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