Check the new version here

Popular channels

Un horno de microondas troncocónico autopropulsado


Imagina que acoplas un horno de microondas con forma de tronco de cono a una nave espacial. Imagina que enciendes el horno y que la nave empieza a moverse de forma espontánea en dirección a la cara pequeña del troncocono. Como es obvio, se viola la ley de la inercia, la ley de conservación del momento lineal e incluso la ley de conservación de la energía. Todos los físicos saben que es imposible. La ley de la inercia no ha sido violada por ningún experimento riguroso desde que Galileo la formuló en el siglo XVII. Por supuesto, la violan todos los experimentos con móviles perpetuos, pero todo físico sabe que perpetuum mobile es sinónimo de magufo.

Los hornos de microondas son un invento del siglo XX. Quizás pienses que un horno de microondas troncocónico puede actuar como móvil perpetuo. Quizás ignores que todos los experimentos con microondas resonantes en cavidades con diferentes geometrías realizados en el último siglo indican que la tecnología EmDrive no funciona. Quizás pienses que Francis es un pedante aguafiestas. Quizás pienses que los medios sensacionalistas se han hecho eco de las ideas del ingeniero aeronáutico Roger J. Shawyer son mucho más fiables que este blog. Quizás tengas razón. O quizás olvides que sólo se pueden violar las leyes de la Naturaleza con la imaginación.

Te recomiendo leer a Daniel Marín, “El motor EmDrive sigue violando las leyes de la física,” Eureka, 05 May 2015. Aquí, en tono jocoso, me voy a inventar la historia apócrifa de la tecnología EmDrive. Si no te ríes, será que mi humor es pobre. Pero al menos tendrás enlaces a todos los artículos relevantes (en mi opinión) sobre EmDrive.

En el año 2000 Roger J. Shawyer era un ingeniero aeronáutico con más de 20 años de experiencia en el sector. Estaba cansado de trabajar para otros y quería montar su propia empresa. Necesitaba algo revolucionario, algo que copara titulares en los medios y que convenciera a los inversores privados para financiarle. Pensó en la propulsión mediante velas solares. La radiación del Sol incide sobre la vela solar y propulsa la nave espacial. ¿Podría un láser instalado en la propia nave incidir sobre la vela y propulsarla? Sería un ejemplo perfecto del principio del bootstrap, que afirma que uno podría levantarse del suelo y levitar por el aire tirándose de sus propios cordones de los zapatos. La ley de la inercia de Galileo lo prohíbe. Inténtalo si no te lo crees (y si tienes cordones en tus zapatos).

La idea no le dejaba dormir. ¿Podría un láser instalado en el vértice de un cono incidir sobre su base y propulsarlo como una vela solar? La ley de la inercia de Galileo lo prohíbe. ¿Y si Galileo estaba equivocado? Los inversores de alto riesgo no suelen conocer las leyes de la física. Shawyer decidió crear su propia empresa Satellite Propulsion Research (SPR Ltd) en 2001 y aprovechando las ayudas para emprendedores del gobierno británico poner a prueba su idea. En lugar de un láser usaría un máser, bueno un magnetrón. En lugar de un cono usaría un troncocono. El experimento era fácil de ejecutar (bastaba destripar un horno de microondas casero y construir un troncocono metálico). ¿Podría funcionar? ¿Por qué no?

La idea original de Shawyer es simple. En una cavidad con forma de tronco de cono un gas a presión constante golpea las dos paredes planas de arriba y de abajo. La fuerza en la cara más grande debe ser mayor que en la cara más pequeña, luego el gas debe empujar dicha cara. Ya tenemos un móvil perpetuo. ¿Sencillo, no? Ya lo sé, ya lo sé, tú sabes que esto viola las leyes de la física y nunca se te ocurriría hacer semejante experimento. Pero…

Los genios como Shawyer no se creen las leyes de la física así por que sí. Tienen que comprobarlas con sus propios experimentos. Por ello tomó una cavidad métalica con forma de tronco de cono y le acopló el magnetrón de un horno de microondas. Las microondas resonarían en la cavidad generando una presión de radiación sobre las caras. Esperaba que el empuje sobre la cara más grande hiciera que el tronco de cono se desplazara en forma de móvil perpetuo. ¿Sencillo, no? Ya lo sé, ya lo sé, tú sabes que no tiene sentido hacer este experimento porque ya sabes la respuesta que vas a obtener.

Sabrás mucha física, pero tú no eres un genio. Shawyer está por encima de las leyes de la física. Por ello decidió llevar a cabo el experimento. Usando una balanza para pesar midió el empuje en la cara grande del troncocono con el magnetrón encendido y apagado. El resultado fue el que tú esperarías. Nada. No midió ningún empuje. Tú me dirás que ya lo sabías. ¡Qué listo eres querido lector! Pero Shawyer decidió recurrir a un retruque técnico que sólo los genios como él son capaces de ejecutar. Colocó la balanza en la cara pequeña del troncocono. ¡Eureka! Para su sorpresa, de forma inexplicable (según sus propias palabras), la balanza midió un empuje cuando el magnetrón estaba encendido y ninguno cuando estaba apagado.

Tú sabes que es imposible. Tuvo que cometer algún error en su experimento. Pero tú no eres Shawyer, lo siento. Repitió su experimento varias veces y siempre obtuvo el mismo resultado. Había descubierto un móvil perpetuo. El sistema ideal para la propulsión de naves espaciales. Ya soñaba con la gloria. Había descubierto el motor electromagnético (electromagnetic drive o EmDrive). Raudo y veloz decidió escribir una solicitud de patente (ya tenía experiencia en estas lides). ¿Cómo convencer a los inversores? El efecto era pequeño (un fuerza de milinewtons), luego necesitaba un artículo científico publicado en una revista de prestigio que apoyara su logro.

Hay gente con suerte. Shawyer sabía que no podría publicar su descubrimiento en una revista científica sin una teoría física que le apoyara. Galileo y Newton estaban en su contra, así que buscó apoyo en Einstein. Estudió teoría de la relatividad especial. Gracias a ella demostró que podía violar la ley de la inercia y de la conservación del momento lineal. Envió su artículo a la prestigiosa revista científica New Scientist. Lo sé, lo sé, New Scientist no es una revista científica con índice de impacto y evaluación por pares. Sólo es una revista de divulgación científica con cierta tendencia al sensacionalismo. Pero Shawyer quería atraer a los inversores y publicar en New Scientist era más que suficiente para sus propósitos.

Jeremy Webb, editor jefe de New Scientist en 2006, recibió el artículo de Roger Shawyer, “A Theory of Microwave Propulsion for Spacecraft,” SPR Ltd, 2006; [PDF] http://goo.gl/mWFxRq. En su lugar yo lo hubiera tirado a la basura. El artículo contiene un grave error que indica que el autor no domina la teoría de la relatividad especial (siendo ingeniero aeronáutico no es descabellado). Recomiendo a todos los estudiantes de física que lean esto que se lean dicho artículo y como ejercicio encuentren dicho error. Recomiendo a todos los profesores de física que lean esto que les pongan como ejercicio a sus alumnos encontrar el error en este artículo de Shawyer. La explicación teórica del funcionamiento del motor EmDrive concluye con una verificación experimental.

El artículo nunca hubiera superado la revisión por pares en una revista científica. Pero Webb es un tipo con un don especial para el sensacionalismo. Decidió enviar al periodista Justin Mullins a Gran Bretaña para visitar a Shawyer y verificar con sus propios ojos que el experimento funcionaba. Como todo el mundo sabe los periodistas científicos son expertos en hornos de microondas y pueden ratificar la validez de un resultado científico tan revolucionario como el motor EmDrive. La experiencia y una entrevista aparecen en el artículo de Justin Mullins, “Relativity drive: The end of wings and wheels?,” New Scientist 08 Sep 2006; http://goo.gl/FfEUlC, que para más inri acabó siendo portada de la revista.

Roger J. Shawyer se podía dar con un canto en los dientes. Nunca pudo soñar que acabaría logrando la portada de una revista tan prestigiosa como New Scientist. No sé si lo sabes, pero pocos científicos logran ser portada en esta revista. La gloria y Shawyer se daban la mano. No había publicado su logro. Hubiera sido moco de pavo. Ni mucho menos. Había logrado que la prestigiosa revista New Scientist le entrevistara y glosara su logro. Los inversores le apoyarían financieramente sin dudarlo. Les prometió un motor funcionando para el año 2009. ¿Quién iba a dudar de todas las garantías científicas que ofrece una portada en New Scientist?

Webb recibió cientos de correos electrónicos criticando el artículo de Mullins. Muchos lectores no entendían cómo era posible que New Scientist publicara basura sensacionalista. Un móvil perpetuo en portada. ¿Cómo rectificar? Jeremy Webb publicó una disculpa por lo bajini titulada “EmDrive on trial” en el blog de New Scientist. El artículo de Mullins debería haber aclarado que EmDrive viola las leyes de la Naturaleza. Sin embargo, ¿debería haber sido publicado? Por supuesto que sí, Webb no se arrepiente, la misión de New Scientist es hacerse eco de todas las hipótesis, teorías y maguferías que se publiquen para satisfacer la curiosidad de sus lectores. Si EmDrive tiene éxito lo sabremos en pocos años y ningún lector de New Scientist podrá decir que no lo sabía. Si no tiene éxito, no pasa nada. Así es la ciencia [sensacionalista] según Webb.

Empuje versus frecuencia para dos potencias (300 y 600 W) en el experimento de Yang Juan.

Dicen que no eres nadie en ciencia si no hay un chino que siga tus pasos. Y como no hay nadie sin su media naranja, un grupo de chinos de la Facultad de Aeronáutica de la Universidad Politécnica del Noroeste, Xi’an, China, dirigidos por Yang Juan decidió repetir el experimento de Roger Shawyer. Su experimento de 2003 midió un empuje de 16 mN (milinewton) en un EmDrive con una cavidad troncocónica cuyos caras planas tenían un diámetro de 16 cm y 12 cm, en la que resonaban microondas a 2,45 GHz con una potencia de 850 W. En su experimento de 2006 midió un empuje entre 80 y 214 mN en un EmDrive troncocónico con caras planas de 28 cm y 13 cm de diámetro, con una potencia de 1000 W de microondas a 2,45 GHz.

Los chinos decidieron repetir el logro usando un tronco de pirámide cuadrada (un frustum) y lo publicaron en un artículo en una revista con revisión por pares: Yang Juan et al., “Net thrust measurement of propellantless microwave thrusters,” Acta Physica Sinica 61: 110301-110301, 2012, doi: 10.7498/aps.61.110301 (PDF en inglés). Con un magnetrón a 2,45 GHz y una potencia entre 80 y 2500 W lograron medir empujes entre 70 y 720 mN, supuestamente con errores de medida inferiores al 12%. Sus resultados confirmaron las fórmulas teóricas de Shawyer (recuerda que su derivación contiene errores obvios). Muchos medios se hicieron eco. Se confirmaba que el editor de New Scientist tuvo razón cuando publicó la portada en 2006. Un grupo independiente ha confirmado que EmDrive funciona.

Yang Juan y sus colegas realizaron 6 series de experimentos. En los dos primeros (figura izquierda) varían la potencia entre 300 y 2500 W. La medida de la fuerza dirigida hacia la cara pequeña del frustum muestra un primer máximo local a 300 W de unos 310 mN. Conforme la potencia crece el empuje decrece hasta que a 800 W alcanza un mínimo local de 160 mN. Para potencias mayores el empuje crece hasta que para unos 2500 W se alcanza un máximo de 750 mN.

En los cuatro experimentos restantes (figura derecha) se varía la potencia entre 80 y 1200 W. La medida de la fuerza (dirigida hacia la cara pequeña del tronco de pirámide) muestra un máximo local a 300 W de unos 270 mN. Seguido por un mínimo a unos 600 W de 180 mN, un máximo más o menos claro a unos 800 W, y un comportamiento creciente hasta 1200 W donde se alcanzan unos 250 mN.

Los cálculos teóricos de Shawyer predicen un comportamiento monótono creciente (similar al observado para potencias entre 1000 y 2500 W). Yang Juan y sus colegas no tienen explicación para el comportamiento observado para potencias entre 80 y 1000 W. Pero afirman (quizás a la ligera) que sus resultados confirman la teoría de Shawyer. Muchos medios se hicieron eco mediático de estos resultados. Quienes gustan de lo magufo veían un monte lleno de orégano. Un experimento fácil de realizar que conduce a titulares sensacionalistas en muchos medios. ¡Qué más de puede pedir! Querido lector, a qué estás esperando para montar tu propio EmDrive en tu garaje. Coparás titulares y tu foto se hará popular como la de las estrellas de la tele.

Como no puede haber dos sin tres. Y como la explicación relativista de Shawyer no convence ni al propio Shawyer, el genial Harold G. White decidió proponer su propia teoría y realizar sus propios experimentos. Una de las críticas más fuertes a los resultados sobre EmDrive es que no se habían realizado en una cámara de vacío y el aire podía tener algún efecto colateral. White y sus colegas usaron una cámara de vacío en el verano de 2014. Su artículo David A. Brady et al., “Anomalous thrust production from an RF test device measured on a low-thrust torsion pendulum,” 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion conference, Actas 2014, [PDF gratis], recibió un enorme eco mediático.

Si la NASA confirma que EmDrive funciona, entonces EmDrive funciona. Como te conté en “Harold White afirma que su motor EmDrive viola las leyes de la física,” LCMF, 01 Ago 2014, no se trata de un logro de la NASA. El logro es de una persona que trabaja en un instituto adscrito a la NASA. Oficialmente la NASA desmintió tener algo que ver con estos desvaríos de White. Pero ya se sabe, si la NASA confirma que EmDrive funciona, Shawyer recibe más financiación de sus inversores. Prometió éxitos en 2009. No los logró. El apoyo chino y el apoyo desde la NASA le ha permitido recabar más financiación. Mucha gente acusa a Shawyer de fraude. Pero, claro, él sólo pide financiación y si se la dan, pues olé sus huevos, como decimos en Andalucía.

Cannae en la cámara de vacío conectado a la balanza de torsión en el experimento de White.

White no quiere apoyar de forma explícita a Shawyer (como representa a la NASA…), por lo que además de EmDrive también ha estudiado en sus experimentos otro dispositivo similar llamado Cannae (o Q-drive), que se supone que funciona por el mismo efecto y fue inventado por Guido P. Fetta. Además, no quiere repetir lo que ya se han hecho antes. Por ello White usa muy poca potencia de microondas y mide el empuje usando una balanza de torsión en una cámara de vacío.
Para Cannae (ver la foto anterior) obtuvo un empuje de unos 40 μN (micronewtons) para una potencia de 28 W de microondas a 0,935 GHz. También han obtenido simulaciones por ordenador usando COMSOL que según su artículo confirma estas predicciones (asumiendo que el empuje es debido a la presión de radiación producida por las microondas que resuenan en la cavidad). Como es obvio, integrando para todas las caras el empuje es cero (lo que confirma la ley de inercia). Pero si sólo tomamos una cara, aparece el resultado mágico (más bien mal interpretado) de un empuje finito.

Para el EmDrive (foto que abre esta entrada) se obtuvo un empuje de 91 μN para una potencia de 17 W de microondas a 1,933 GHz. ¡Increíble! Las orejas de Shawyer deben estar haciendo palmas. White, aficionado al motor warp de Miguel Alcubierre, ha afirmado ante los medios que la explicación de Shawyer es incorrecta. Pero que tiene una explicación basada en las ideas de Alcubierre. En el vacío dentro del troncocono se producen burbujas warp que explican el efecto observado. Ni White ni nadie con dos dedos de frente se cree esta explicación. Pero a los medios sensacionalistas les encanta. Star Trek, White, Star Trek, White, qué maravilla.
Modelo en COMSOL (izda.) y modelo real (dcha.) del troncocono de White.
Modos normales de las microondas en el troncocono calculados con COMSOL.

Por supuesto, White y su grupo también han realizado simulaciones con COMSOL de su EmDrive. Y por supuesto confirman sus resultados experimentales. De nuevo, si integras en todas las caras no hay empuje. Pero si te olvidas de que estás confirmando la ley de inercia y te concentras (César Tomé diría que debido a un sesgo cognitivo) en obtener lo que quieres obtener. Pues lo obtienes. Los resultados (obtenidos con una simulación numérica basada en el electromagnetismo clásico de Maxwell) confirman las ideas de White sobre motores warp (se supone que Alcubierre usa la relatividad general de Einstein pero COMSOL no es capaz de simular cosas tan exóticas como el vacío QED y el efecto de su presión negativa sobre la métrica del espaciotiempo).

El lector que haya llegado hasta aquí me dirá: Francis, tienes envidia. ¡Qué envidioso eres! Ya te gustaría a ti tener una portada en New Scientist, ya te gustaría a ti que haya miles de noticias sobre tus investigaciones. Si la ciencia funcionara a base de críticas como las tuyas nunca avanzaría. ¡Tío, ya te vale!

Por fortuna no soy el único que critica el trabajo sobre EmDrive. Cualquier físico que haya leído esta entrada ya tendrá argumentos más que suficientes para criticar dicho trabajo. En cualquier caso recomiendo leer a Ethan Siegel, “No, NASA Did Not Accidentally Invent Warp Drive,” Forbes, Tech, 04 May 2015, y “How to fool the world with bad science,” Starts with a Bang!, 06 Aug 2014. Bueno, y cientos de críticas más que hay por la web.
Resumen de los experimentos de Shawyer (S1 y S2) y del grupo de White (B1-B3).

Por supuesto, ni la explicación de Shawyer (obviamente incorrecta), ni la de White (obviamente sensacionalista), explican los resultados experimentales observados. Muchos físicos aficionados a explicar lo inexplicable están proponiendo ideas sugerentes. Por ejemplo, Michael Edward McCulloch, “Can the EmDrive be explained by quantized inertia?,” Progress in Physics 11: 78-81, Jan 2015; open access PDF, http://goo.gl/vBcMsI, nos propone una teoría tipo MOND (dinámica newtoniana modificada). Ya propuso su idea para explicar la anomalía de las Pioneer y la materia oscura galáctica (Michael Edward McCulloch, “Testing quantized inertia on galactic scales,” Astrophysics and Space Science 342: 575-578, 2012; doi: 10.1007/s10509-012-1197-0; arXiv:1207.7007 [physics.gen-ph]).

McCulloch obtiene una fórmula similar a la de Shawyer, pero deja claro que viola la ley de la inercia y la de conservación del momento. ¿Importa? Obviamente no. ¿Su teoría explica los experimentos? Pues entonces está validada por los resultados experimentales. Y a la inversa. ¿Los experimentos sobre EmDrive tienen una teoría que los explica? Qué más se puede pedir. Experimentos confirmados. EmDrive funciona, Shawyer merece la fama y junto a McCulloch merecen el Premio Nobel de Física.

Lo sé, lo sé, querido lector. Ni McCulloch puede publicar su teoría en una revista con revisión por pares rigurosa. Ni Shawyer tampoco puede publicar sus experimentos. Ni White, tampoco este genio de la NASA puede publicarlos… Pero para eso está la web. Para publicar cualquier cosa de cualquier persona. Hasta las críticas de Francis. Espero que hayas echado unas risas…
0
0
0
0
0No comments yet