Cosa c'è di vero nel leak sul propulsore della NASA che può portarci su Marte

Se l'umanità volesse davvero esplorare i confini più remoti del nostro sistema solare o viaggiare verso stelle sconosciute, dovremmo costruire un motore migliore per la nostra astronave. Infatti, questo motore dovrebbe essere così potente da generare una spinta tale da non consumare propellente. Proprio così: se desiderassimo raggiungere la luna in quattro ore o arrivare su Marte in due mesi, avremmo bisogno di un motore che non richiede carburante.

Questa è l'idea posta alla base del propulsore elettromagnetico—altrimenti conosciuto come EmDrive—in teoria, un reactionless drive alimentato dalla conversione dell'elettricità in microonde che rimbalzano in un imbuto metallico chiuso.

In più d'un occasione, l'EmDrive è stato archiviato come "impossibile" perché il suo funzionamento viola la terza legge del moto di Newton, secondo cui per ogni azione esiste una reazione uguale e contraria. Tuttavia, se vogliamo credere al leak di una relazione della NASA, trapelato online qualche tempo fa, a quanto pare non solo gli scienziati della NASA intendono realizzare un EmDrive, ma ne hanno già costruito uno che funziona.

Come spiega in modo dettagliato la relazione, un team di fisici della NASA, guidati da Harold "Sonny" White e Paul March—due figure di spicco nell'ambito dei sistemi di propulsione controversi—è stato in grado di generare una spinta in un "tapered RF test article" (leggi: un prototipo dell'EmDrive) durante una serie di test condotti nell'autunno del 2015 nel laboratorio Eagleworks della NASA.

In pratica, nella relazione, l'EmDrive della NASA è descritto come un cono chiuso di metallo, il cui interno è bombardato con microonde. Per testare l'EmDrive i ricercatori l'hanno alimentato con 40, 60 e 80 watt e hanno riscontrato che ha generato, rispettivamente, fino a 58, 128, e 119 micronewton di spinta. Poiché questa "anomalia" è stata osservata da White e dai suoi colleghi dopo aver posto nel resoconto l'errore, gli esiti dell'esperimento dimostrano che è ancora possibile realizzare un EmDrive.

Basandosi sui risultati ottenuti, i ricercatori hanno calcolato che il loro congegno sarebbe capace di generare circa 1,2 millinewton di spinta per kilowatt, nel caso in cui si aumentasse la potenza fornita. Ponendo la scoperta in prospettiva, basti pensare che la spinta di Hull—una delle più potenti per l'intensità e l'espulsione di plasma—genera circa 60 millinewton per kilowatt.

"Il problema, implicato in questo punto, è se l'esperimento stia mostrando qualcosa di reale oppure no," ha detto Jim Woodward, un fisico della California State-Fullerton, a Motherboard. "So che Paul [March] lavora in modo limpido e onesto, credo che ci sia qualcosa di vero. Tuttavia, il risultato non può davvero essere spiegato nei termini della teoria che stanno proponendo. La domanda che sorge è: quindi da cosa è causato?"

Seguendo il principio di Newton, se volete causare la spinta necessaria affinché un'astronave si muova nello spazio, dovreste espellere del materiale nella direzione opposta rispetto al suo percorso. Ma un EmDrive sembra in grado di generare una reazione senza nessuna azione—com'è possibile?

Sono state suggerite delle teorie che si sforzano di spiegare quest'apparente violazione della colonna portante della fisica. White è stato un sostenitore della spiegazione del quantum vacuum, secondo cui l'EmDrive sarebbe capace di produrre la spinta agendo sulle coppie di particelle virtuali generate dalle fluttuazioni nel quantum vacuum (in questa teoria, le fluttuazioni vacuum sono create dal campo elettromagnetico realizzato con l'EmDrive). In pratica, le microonde dovrebbero 'spingere giù' queste particelle virtuali nella cavità dell'EmDrive per provocare la spinta che è stata osservata da White e dai suoi colleghi durante gli esperimenti.

Un'altra spiegazione degna di nota è che la spinta sia causata dalla pressione di radioazione, seguendo la posizione di Roger Shawyer, inventore dell'EmDrive. Secondo questa prospettiva, quando la radiazione di microonde entra nella cavità metallica, la radiazione rimbalza contro le pareti dell'EmDrive e produce la spinta.

In ogni caso, secondo Woodward, entrambe queste teorie sono infondate per una semplice ragione: la fisica non le permette.

Ad esempio, Woodward ha paragonato la spiegazione dei risultati visti alla NASA semplicemente nei termini di spinta delle microonde per sostenere che si può accelerare una macchina salendo sul sedile anteriore e spingendo sul parabrezza.

"Ogni microonda disposta all'interno della cavità può produrre una spinta?" ha detto Woodward. "La risposta è semplice: No, non può. La legge della conservazione della quantità di moto detta che nessun sistema elettromagnetico chiuso può produrre una spinta. Il principio vale sia per la quantum theory che per l'elettrodinamica classica. È fisicamente impossibile."

Questo è ciò che porta White alla sua teoria del quantum-vacuum: se le microonde non possono rimbalzare contro le pareti nel cono metallico per generare la spinta, allora devono rimbalzare contro qualcos'altro—come le coppie di particelle/anti-particelle che esistono nel quantum vacuum. Il problema è che nonostante l'esistenza del quantum vacuum sia stata provata in modo sperimentale, i fisici concordano, in modo unanime, nell'affermare che non può essere usato come strumento per generare la spinta.

Nonostante la teoria del quantum vacuum di White sia la spiegazione teorica della spinta osservata sia nel recente leak della NASA che nella prima relazione della NASA sull'EmDrive del 2014, è stata confutata più e più volte da fisici che occupano un posto di rilievo all'interno della comunità scientifica.

Roger Shawyer, inventore dell'EmDrive, dimostra perché pensa che la pressione delle radiazioni spieghi la spinta di EmDrive

"Un costrutto teorico relativo al quantum vacuum è senza senso," ha detto Woodward. Un modo ragionevole di approcciarsi al vacuum è pensare che non ci sia nessuna prova sperimentale che suggerisca niente di vagamente simile [alla teoria di White]. Che io sappia, nessun fisico importante, nell'ambito della teoria quantistica dei campi, prende seriamente questa teoria."

Woodward pensa che i risultati degli esperimenti della NASA sull'EmDrive possano essere spiegati senza dover sovvertire le leggi basilari della fisica.

"L'unico modo possibile per spiegarlo è l'effetto Mach," ha detto Woodward. "Se stanno esaminando un segnale davvero anonimo, e volete provare a spiegare con la fisica che non è senza senso, allora questo è l'unico modo possibile per approcciarsi al problema."

Come prima persona a teorizzare l'effetto Mach nel 1990, Woodward dovrebbe saperlo. Secondo la teoria dell'effetto Mach di Woodward, quando la massa di un corpo è sottoposta ad accelerazione, non tutta la forza che si applica sul corpo risulta come energia cinetica ma è conservata come energia potenziale nel corpo. Nel momento in cui cambia l'accelerazione muta anche l'energia interna del corpo, che si manifesta come alterazione della restante massa del corpo.

"Un costrutto teorico relativo al quantum vacuum è senza senso," ha detto Woodward. Un modo ragionevole di approcciarsi al vacuum è pensare che non ci sia nessuna prova sperimentale che suggerisca niente di vagamente simile [alla teoria di White]. Che io sappia, nessun fisico importante, nell'ambito della teoria quantistica dei campi, prende seriamente questa teoria."

Woodward pensa che i risultati degli esperimenti della NASA sull'EmDrive possano essere spiegati senza dover sovvertire le leggi basilari della fisica.

"L'unico modo possibile per spiegarlo è l'effetto Mach," ha detto Woodward. "Se stanno esaminando un segnale davvero anonimo, e volete provare a spiegare con la fisica che non è senza senso, allora questo è l'unico modo possibile per approcciarsi al problema."

Come prima persona a teorizzare l'effetto Mach nel 1990, Woodward dovrebbe saperlo. Secondo la teoria dell'effetto Mach di Woodward, quando la massa di un corpo è sottoposta ad accelerazione, non tutta la forza che si applica sul corpo risulta come energia cinetica ma è conservata come energia potenziale nel corpo. Nel momento in cui cambia l'accelerazione muta anche l'energia interna del corpo, che si manifesta come alterazione della restante massa del corpo.

Woodward ha impiegato gli ultimi due decenni a costruire dei device che, in seguito, hanno dimostrato l'effetto Mach, anche se la sua teoria è ancora lontana dalle correnti tradizionali della comunità fisica. Tuttavia, sta guadagnando terreno grazie a esperimenti che hanno sempre più risultati positivi. March, per esempio, ha lavorato con Woodward nella scorsa decade su un certo numero di esperimenti, basati sull'effetto Mach, con esito positivo e, in una conferenza di Exotic Propulsion, organizzata a settembre a Estes Park (Colorado), tre fisici vicino Woodward hanno dichiarato di aver riprodotto, per via sperimentale, i risultati dell'effetto Mach di Woodward.

"A mio parere, si tratta dell'unica fisica che conosco di cui ho fiducia, che non genera illusioni confortevoli e che non sfocia nella magia," ha detto Woodward.

Per ora, tutto ciò che sappiamo è che il leak sia legittimo—è stato sottoposto a peer review e accettato per una pubblicazione nel Journal of Propulsion and Power dell'AIAA, dove è in programma di apparire nell'edizione di dicembre. Non è chiaro quanto il processo di peer review abbia cambiato la versione precedente che circolava online.

Secondo Woodward, per chi ha visto una copia della relazione subito dopo esser stato accettata per la peer review, la differenza principale tra la copia accettata e il leak della versione precedente è che quella successiva contiene molta più teoria che tenta di spiegare i risultati ottenuti. Probabilmente, la AIAA avrebbe accettato la relazione originaria solo se White e i suoi colleghi avessero abbandonato la quantum vacuum theory e mirassero alla pubblicazione dei risultati ottenuti e non alla spiegazione della loro ricerca.

Ciò che resta da capire è se altri possano usare la teoria dell'effetto Mach di Woodward per riprodurre i risultati osservati al laboratorio Eagleworks della NASA e, in questo modo, offrire una spiegazione convincente di ciò che White e i suoi colleghi hanno riscontrato.

"Poiché manca una spiegazione fisica convincente che non infranga noti principi della fisica, dovreste sospendere il giudizio per stabilire se [i risultati della NASA] siano reali o no," ha detto Woodward. "Questa storia è così difficile da provare che la maggior parte delle persone non riesce ad apprezzarla davvero. In questo business, le probabilità contro la sua autenticità sono molto alte."