TEIL C

Alternative Antriebe in der Raumfahrt (3)

Im September 2008 berichtet die Presse, daß chinesische Forscher der Northwestern Polytechnical University (NPU) in Xi’an um die Professorin Juan Yang behaupten, die elektromagnetische Theorie hinter einem ,unmöglichen’ Raumfahrt-Antrieb bestätigt zu haben und nun eine Demo-Version davon bauen zu wollen.

Dabei handelt es um den EmDrive (Electromagnetic Drive; auch: Radio Frequency Resonant Cavity Thruster) des britischen Raumfahrtingenieurs Roger J. Shawyer und seiner 2001 gegründeten Firma Satellite Propulsion Research Ltd. (SPR), den Yang seit Juni 2007 untersucht. Im Jahr 2008 kann laut Yang mit einem Input von 2,5 kW ein maximaler Schub von 720 mN erreicht werden.

Das Patent dahinter trägt den Namen ,Digitally controlled beam former for a spacecraft’ und stammt noch aus der Zeit, als Shawyer Mitarbeiter der britischen Firma Matra Marconi Space UK Ltd. war (US-Nr. 5543801, angemeldet 1994, erteilt 1996). Der EmDrive soll elektrische Energie in Schubkraft umwandeln, ohne hierfür irgendeine Form von Treibmittel zu benötigen, indem sich Mikrowellen innerhalb eines geschlossenen Containers bewegen.

In einem verspiegelten Hohlraum, der die Form eines abgeschnittenen Kegels hat, breiten sich die elektromagnetische Wellen im Mikrowellenbereich aus. Da es sich um dieselbe ,Menge’ an Strahlung handelt, aber die gegenüberliegenden Flächen verschieden groß sind, soll sich an der kleineren Fläche ein höherer Strahlungsdruck aufbauen als an der größeren. Das Ergebnis ist eine (geringe) Nettokraft, die das komplette Gerät nach vorn bewegt, wie es in der nachstehenden vereinfachten schematischen Darstellung eines EmDrive-Prototyps nach Shawyer abgebildet ist. Allgemein könnte man von einem Hohlraum-Strahlungs-Resonanz-Antrieb sprechen.

Die These ruft allerdings eine ganze Phalanx von Skeptikern auf den Plan, denn einen rückstoßfreien Antrieb darf es einfach nicht geben. Wenn es denn so einer sein sollte, was Shawyer jedoch dementiert.

Da die SPR vom damaligen britischen Ministeriums für Handel und Industrie einen auf drei Jahre verteilten Zuschuß in Höhe von 250.000 £ erhält, kann das Unternehmen schon im Dezember 2002 einen funktionierenden Prototypen demonstrieren, der von einem 850 W Magnetron angetrieben einen Schub von etwa 0,02 Newton liefert. Später wird berichtet, daß das Gerät aber nur für ein paar Dutzend Sekunden betrieben werden konnte, bevor das Magnetron wegen Überhitzung ausfiel.

Im Rahmen seiner Veröffentlichungen und Präsentationen zur Funktionsweise des EmDrive im September 2006 behauptet Shawyer, daß die zweite Generation seiner Schubdüsen, die auf der Verwendung von supraleitenden Resonanzkammern basieren, in der Lage sein wird, einen spezifischen Schub von 30 kN pro kW eingesetzter Energie zu erzeugen. Den theoretischen Berechnungen zufolge kann mit 1 kW ein Standschub von 3,3 Tonnen erzielt werden, was ausreicht, um ein großes Auto schweben zu lassen. Es wäre somit ausreichend für terrestrische Transportanwendungen.

Im Oktober 2006 wird bei Tests mit einem neuen wassergekühlten Prototyp und 300 W Mikrowellenleistung ein Schub von 0,1 Newton erreicht, worauf Shawyer plant, bis Mai 2009 ein Gerät in den Raum zu bringen, dessen Resonanzhohlraum aus einem Supraleiter bestehen soll. Bei angemessener Finanzierung betrachtet er kommerzielle terrestrische Luftfahrzeuge mit dem neuen Antrieb als Hebe-Motoren bis zum Jahr 2020 als realistisch.

Der erzeugte Schub ist klein, aber signifikant, und Shawyer vergleicht seinen C-Band EmDrive mit dem bestehenden NSTAR-Ionentriebwerk (s.o.). Der EmDrive produziert 85 mN Schub im Vergleich zu den 92 mN des NSTAR, verbraucht aber nur ein Viertel der Menge an Energie und wiegt weniger als 7 kg im Vergleich zu den mehr als 30 kg des NSTAR-Antriebs. Der größte Unterschied ist jedoch der Treibstoff, von dem NSTAR pro Stunde 10 g verbraucht, während der EmDrive überhaupt keinen benötigt. Was bedeutet: Der Transport von Treibmitteln ist überflüssig, und solange eine Stromversorgung sichergestellt ist, macht der elektromagnetische Antrieb endlos weiter.

Die Möglichkeiten sind phänomenal: Anstatt auszufallen, sobald ihnen der Treibstoff ausgeht, hätten Satelliten eine stark erweitert Lebensdauer und wären in der Lage, sich nach Belieben zu bewegen. Indem das System viel leichter ist als derzeitige Triebwerke, könnte es das Startgewicht von Satelliten mehr als halbieren, und indem das Mikrowellentriebwerk Strom aus PV-Paneelen bezieht, könnten Raumsonden weiter und schneller fliegen und auch stoppen, wenn sie ankommen. Und eine bemannte Mission zum Mars würde mit einem praktikablen EmDrive nur 41 Tage dauern.

Im Dezember 2008 wird Shawyer ins Pentagon eingeladen, um sinen EmDrive zu präsentieren, und im Jahr 2009 bestätigt Boeing, daß man die Technologie lizenzieren wollte. Das britische Verteidigungsministerium stimmt dem Technologietransfer zu, und die SPR entwirft, baut und testet ein Triebwerk mit 18 g Schub für den Einsatz auf einem Test-Satelliten. Laut Shawyer wird der 10-Monats-Vertrag im Juli 2010 abgeschlossen und das Triebwerk Boeing übergeben. Tatsächlich lizenziert das Unternehmen die Technik dann doch nicht, und die Kommunikation wird unterbrochen.

Im Jahr 2010 wird ein weiterer Demonstrator des Antriebs gebaut und mit verschiedenen Hohlraumformen sowie höheren Leistungsstufen getestet, wobei auf einem Teststand, der üblicherweise verwendet wird, um präzise Tests an Raumfahrzeug-Motoren wie Ionenantriebe durchzuführen, bei 2.500 W Eingangsleistung eine maximale Schubkraft von 720 mN gemessen werden kann. Dieser Versuch wird im November 2012 von dem o.e. chinesischen Forscherteam mit einem 2,45 GHz EmDrive wiederholt und bestätigt. Daneben liegen laut Shawyer seit 2004 bereits sieben unabhängige positive Bewertungen von Experten der Firmen BAE Systems, EADS Astrium, Siemens sowie der britischen Institution of Electrical Engineers (IEE) vor.

Dazu muß allerdings angemerkt werden daß Alvin Wilby, der damalige technische Direktor von EADS Astrium (Shawyers ehemaliger Arbeitgeber) in einem Brief an das US-Magazin New Scientist schon im Oktober 2006 schrieb, daß er „Arbeit überprüft und zu dem Schluß gekommen sei, daß sowohl Theorie als auch das Experiment fatal fehlerbehaftet waren. Roger wurde darauf hingewiesen, daß das Unternehmen kein Interesse am dem Gerät habe, keine Patentabdeckung dafür anstrebt und in keiner Weise damit in Verbindung gebracht werden will.“

In Bezug auf die NPU ist zu ergänzen, daß hier 2010 eine Demoversion des  Mikrowellen-Resonanztriebwerks gebaut und mit verschiedenen Hohlraumformen und bei höheren Leistungen getestet wird. Unter Verwendung eines Triebwerksprüfstands für die Luft- und Raumfahrt, der normalerweise für die präzise Vermessung von Raumfahrtantrieben wie Ionenantrieben verwendet wird, wird als vorläufiges Ergebnis ein maximaler Schub von 720 mN bei einer Eingangsleistung von 2,5 kW gemeldet.

In einem Folgeexperiment mit verfeinertem Versuchsaufbau im Jahr 2014 kann Yang ihre früheren Ergebnisse aber nicht reproduzieren und vermutet, daß es sich um einen experimentellen Fehler handelte. Trotzdem gibt es später Medienberichte, die darauf hindeuten, daß sich die chinesischen Forscher darauf vorbereiten, ihren Antrieb im Jahr 2016 im Weltraum zu testen, aber seitdem ist es still geworden.

Hinweis: Auf der Seite emdrive.com finden sich diverse Daten und Veröffentlichungen zur Entwicklungsgeschichte dieser Antriebsart, die von 2010 bis zum Tode von Shawyer im November 2025 reichen.

Interessanterweise beginnt um etwa 2010 auch die Untersuchung einer Parallelentwicklung: Unter der Leitung des Physikers Harold G. ,Sonny’ White wird an dem Cannae-Antrieb (vormals Q-drive) gearbeitet, den der US-Wissenschaftler Guido Paul Fetta im Jahr 2006 erfundenen hatte (,Resonating cavity propulsion system’, WO-Nr. 2007089284, veröffentlicht 2007).

Im Vergleich zum EmDrive ist der Hohlraum dieses Geräts zwar ebenfalls asymmetrisch, aber flacher, und auch hier prallen die Mikrowellen von den Wänden ab, um Schub zu erzeugen. Die Umbenennung bezieht sich laut Fetta auf die Schlacht von Cannae im August 216 v. Chr., als der karthagische Feldherr Hannibal mit einem verhältnismäßig winzigem Heer 16 Legionen der Römer besiegte.

Fetta, Chef der 2011 gegründeten und in Pennsylvania beheimateten Firma Cannae LLC, hat bereits zwei Patentanmeldungen eingereicht: 2006 ein ,Resonating cavity propulsion system’ (WO-Nr. 2007089284), und 2012 einen ,Electromagnetic thruster’ (US-Nr. 20140013724). Eigenen Angaben zufolge habe er schon Anfang 2011 eine supraleitende Version des Cannae Drive getestet, wobei er durch das Senden von 10,5 W HF-Leistungsimpulsen (bei 1047,335 MHz) eine Schubkraft von 8 - 10 mN erzeugen konnte. NASA-Forscher bestätigen, daß die Düse im Testverlauf, sobald ihre Resonanzkammer durch das Senden von Leistungsimpulsen von 50 W (bei rund 935 MHz) erregt wird, eine Schubkraft von 30 - 50 mN erzeugt.

Auf der 50. Joint Propulsion Conference der American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) in Cleveland, Ohio, Ende Juli 2014 legen White, March und weitere Kollegen der Eagleworks Laboratories ein offizielles wissenschaftliches Konferenzpapier vor, das unter dem Titel ,An Anomalous Thrust Production from an RF [Radio Frequency] Resonant Cavity Thruster’ zu dem Schluß kommt, daß der Cannae-Antrieb geringe Mengen an Schubkraft ohne Verwendung von Treibstoff erzeugen kann.

Die Studie versucht nicht, das Phänomen zu erklären, das viele Ähnlichkeiten mit dem EmDrive von Shawyer aufweist, sondern begnügt sich mit der Feststellung, daß das System tatsächlich eine Schubkraft erzeugt, die zwischen 30 und 50 µN liegt: „Die Testergebnisse deuten darauf hin, daß das Design des HF-Resonanztriebwerks als elektrisches Antriebsgerät eine Kraft erzeugt, die nicht auf ein klassisches elektromagnetisches Phänomen zurückgeht und daher möglicherweise eine Wechselwirkung mit dem virtuellen Quantenvakuumplasma zeigt.“

Eine weitere Patentanmeldung unter dem Titel ,Electromagnetic thrusting system’ meldet die Cannae LLC im Januar 2015 an (WO-Nr. 2016004044, veröffentlicht 2016).

Fetta kündigt im August 2016 zudem an, einen 6U CubeSat starten zu wollen, der mit einer Version des Cannae Drive ausgestattet ist. Dieser soll mindestens sechs Monate lang in einer Höhe von 240 km laufen (anstatt nur sechs Wochen, wie gleichartige Modelle ohne den Antrieb) um zu beobachten, wie die Technologie im Raum tatsächlich funktioniert.

Um den Satelliten zu starten, gründet Fetta zusammen mit den Industriepartnern LAI International aus Tempe, Arizona, und SpaceQuest Ltd. aus Fairfax, Virginia, eine Schwesterfirma namens Theseus Space Inc., welcher der Cannae Drive lizensiert wird. Ein Starttermin ist noch nicht bekannt, könnte aber noch im Jahr 2017 liegen.

Nachdem White zusammen mit anderen Kollegen des NASA-Programms Eagleworks im November 2016 seine Erkenntnisse über den EmDrive veröffentlicht hat, denen zufolge bislang keine plausible Theorie für den Betrieb solcher Antriebe gefunden wurde, verläßt er die NASA im Dezember 2019, um sich einer neuen gemeinnützigen Organisation anzuschließen, die sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Antriebskonzepte konzentriert, die Menschen in das äußere Sonnensystem und darüber hinaus bringen sollen, wie den überlichtschnellen Alcubierre-Antrieb Warp-Antriebe oder Triebwerkskonzepte, die durch die Nutzung von Effekten funktionieren, die von der Quantenmechanik vorhergesagt werden.

Das o.e. chinesische Team um Yang, das im Jahr 2012 an seinem Prototypen einen Schub gemessen hat, muß 2014 eingestehen, daß es sich dabei wohl um einen experimentellen Fehler gehandelt habe. Einem 2016 veröffentlichten Bericht zufolge habe ein zweiter, verbesserter Prototyp gar keinen meßbaren Schub produziert, was natürlich Wasser auf die Mühlen der Skeptiker ist. Doch ausgestanden ist die Kontroverse damit noch lange nicht.

2013 und 2014 präsentiert Shawyer neue Ideen für EmDrive-Designs und -Anwendungen der zweiten Generation – und im Juli 2014 berichtet ein NASA-Team des Advanced Propulsion Physics Laboratory am Johnson Space Center (JSC) um Harold C. White, das auch als Eagleworks Laboratories bekannt ist, über positive Ergebnisse bei einem im August 2013 durchgeführten achttägigen Test eines ähnlichen Antriebssystems, das ebenfalls Schubkraft per Mikrowellen erzeugt.

White testet und bewertet im Jahr 2014 auch zwei Prototypen des Cannae Drive. Einer besitzt radiale Schlitze, die entlang des unteren Randes des Resonanz-Innenhohlraums eingraviert sind, wie es laut Fettas Theorie erforderlich ist, um Schub zu erzeugen, während bei dem anderen diese Schlitze fehlen. Beide Antriebe werden mit einem internen Dielektrikum ausgestattet. Ein drittes Testgerät, zur experimentellen Kontrolle, hat gar keinen Resonanz-Innenhohlraum. Die Tests finden bei atmosphärischem Druck statt.

Bei dem Experiment wird festgestellt, daß beide Geräte – mit radialen Schlitzen und ohne – den gleich Netto-Schub erzielen, während bei dem Kontrollgerät gar kein Schub gemessen werden kann. Das Eagleworks-Team kommt daher zu dem Schluß, daß die Schubproduktion nicht von Schlitzen abhängig ist.

Im April 2015 macht Paul March von den Eagleworks neue Ergebnisse öffentlich, denen zufolge mit einem Torsions-Pendel in einem harten Vakuum und bei einer Eingangsleistung von 50 W eine Schub von 30 – 50 μN gemessen worden sei. Das erste Peer-Review-Papier zu diesem Thema veröffentlicht das Team dann im November 2016 im Journal of Propulsion and Power.

Ebenfalls im Jahr 2015 veröffentlicht Shawyer einen Artikel, in dem er die Ergebnisse der Tests am EmDrive zusammenfaßt: Bei sieben Versuchen produzierten vier eine gemessene Kraft in die beabsichtigte Richtung, während drei einen Schub in die entgegengesetzte Richtung produzierten. Darüber hinaus konnte bei einem Test der Schub in beide Richtungen erzeugt werden – durch Veränderung der Federkonstanten in der Meßvorrichtung.

Einen weiteren Beitrag liefern im Juli 2015 Forscher der Technischen Universität Dresden (TU Dresden) um Prof. Martin Tajmar, die eine Schubkraft von 20 µN messen – allerdings auch in Richtungen, in die eigentlich gar keine Kraft wirken sollte.

Im Rahmen der Meßgenauigkeit interpretieren die Forscher dies als Nullmessung, also weder als Bestätigung noch als Widerlegung des Konzepts. Tajmar vermutet, daß magnetische Kräfte von den Kabeln den Effekt verursachen und wird weitere Messungen machen, um diese oder andere mögliche Ursachen zu klären.

Tatsächlich legt das SpaceDrive-Team auf der Space Propulsion Conference in Sevilla im Mai 2018 die im Netz einsehbare Studie ,The SpaceDrive Project - First Results on EMDrive and Mach-Effect Thrusters’ vor, an der auch Maxime Monette vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) mitgewirkt hat.

Demnach sind Meßfehler für die falschen positiven Ergebnisse verantwortlich, die bei einigen der früheren Experimente erzielt wurden. Zwar wird bei dem Aufbau aus Dresden einen Vortrieb von etwa 4 µN gemessen, doch ist diese Kraft unabhängig von der Stärke und sogar der Richtung der eingesetzten Mikrowellen, was auf einen anderen, äußeren Einfluß hindeutet. Dieser wird in ein paar Zentimetern Kabel gefunden, die nicht gegen das Magnetfeld der Erde abgeschirmt sind. Der darin fließende Strom erzeugt eine Kraft, die den Berechnungen zufolge die komplette gemessene Schubkraft erklären könnte.

Da das Experiment aber nicht beweist, daß der EmDrive nicht funktioniert, soll die Anlage nun besser magnetisch abgeschirmt und der Antrieb mit stärkeren Feldern und Frequenzen getestet werden.

Chen Yue, Direktor für kommerzielle Satellitentechnologie an der China Academy of Space Technology (CAST), reicht im im März und Juni 2016 zwei Patentanmeldungen ein, in denen verschiedene Designs von HF-Resonanzhohlraum-Triebwerke beschrieben werden. Dazu gehören eine Methode zum Stapeln mehrerer kurzer Resonanzhohlräume zur Verbesserung des Schubs (CN-Nr. 105781921), sowie ein Entwurf mit einem Halbzylinder-Hohlraum anstelle eines Kegelstumpfes (CN-Nr. 105947224).

Im Dezember gibt Yue auf einer Pressekonferenz bekannt, daß die chinesische Regierung die EmDrive-Forschung seit 2010 finanziert und an ihre Vorteile glaubt. Nach erfolgreichen Tests im Labor würde derzeit auf der kurz zuvor gestarteten Raumstation Tiangong-2 ein null-G-Test in der Umlaufbahn stattfinden. Gerüchte darüber gab es schon längere Zeit.

Das Tiangong 2 Raumlabor im niedrigen Erdorbit dient zum Testen der Schlüsseltechnologien, die China in seiner großen modularen Raumstation verwenden möchte, die 2023 starten soll. Yue zufolge habe man im Laufe mehrerer Jahre der Forschung erfolgreich mehrere Prototypen sowie eine experimentelle Forschungsplattform entwickelt, um den Minimalschub zu bestimmen, wobei wiederholte Experimente bestätigen, daß diese Form des Antriebs tatsächlich Schub entwickelt.

Der CAST-Chefdesigner Li Feng zeigt auf der Pressekonferenz eine detaillierte Präsentation der verschiedenen ingenieurtechnischen Probleme, die noch zu lösen sind, bevor die EmDrive-Technologie in der Raumfahrt praktisch eingesetzt werden kann. Zum einen generiere der Prototyp erst Schübe im Millinewton-Bereich, was auf Größenordnungen von 100 mN bis 1 N gesteigert werden soll, um die Höhe von Satelliten im Erdorbit kontrollieren und halten zu können.

Um dies zu erreichen, arbeitet man an einer Verbesserung des Designs, um so elektrische Verluste aufgrund des verwendeten Materials zu reduzieren. Zudem besteht auch noch die Fragestellung, wo das Antriebsmodul am besten plaziert werden soll, da sich dies auf die Temperaturentwicklung der Schubkammer und damit auch auf die Menge des von ihr erzeugten Schubs auswirken könnte. Allerdings befinde man sich schon in der Endphase der Entwicklung und Ausarbeitung, und das Ziel ist die baldmöglichste Nutzung der EmDrive-Technologie für die Satellitenraumfahrt.

Im September 2017 zeigt Chen einige Tests mit einem flachen zylindrischen Gerät, das dem Patent entspricht, in dem gestapelte kurze Hohlräume mit internen Membranen beschrieben sind, wobei er erklärt, daß die Schubkraft des Prototyps im Mikronewton- bis Millinewton-Bereich liegen würde, diese aber auf mindestens 100 - 1.000 Millinewton erhöht werden muß, um schlüssige experimentelle Ergebnisse zu erzielen. Weiteren Aktualisierungen sind nicht zu finden.

Im April 2016 berichten die Fachblogs über die Arbeiten des Physikers Mike E. McCulloch von der britischen Plymouth University, der das System des EmDrive mit Hilfe des sogenannten Unruh-Effekts der Quantenfeldtheorie erklärt. Der Effekt bewirkt, daß sich ein beschleunigter Körper erwärmt. Bei sehr kleinen Wellenlängen, so die Idee, könnte dieser Effekt quantisiert auftreten, so daß man gewissermaßen einen Impuls aus dem Vakuum gewinnt.

Allerdings ist der Unruh-Effekt generell sehr klein – und McCullochs Begründung enthält auch die mit aktueller Physik schwer vereinbare Idee, daß Photonen durch den Unruh-Effekt Ruhemasse gewinnen. Immerhin berechnet der Brite auch Prognosen, die sich nachmessen lassen: Bei veränderter Konfiguration des Antriebs (Länge = Durchmesser des kleineren Endes) müßte sich die Schubkraft umkehren.

Beobachtbare Indizien für diesen Vorgang sieht McCulloch in Form der sogenannten Fly-by-Anomalien, die Raumschiffe beim Vorbeiflug an der Erde und anderen Planeten zeigen, wenn es zu rätselhaften Anstiegen in der Bewegung der Raumschiffe und Sonden kommt. Während es schwer ist, den Unruh-Effekt auf der Erde aufgrund der hierzu notwendigen extrem geringen Beschleunigung zu überprüfen, könne man statt dessen die Größe der Wellenlänge der Unruh-Strahlung reduzieren: „Möglicherweise ist es genau das, was die EmDrive-Apparatur macht.“

Darüber hinaus macht McCullochs Theorie zwei überprüfbare Vorhersagen: Zum einen sollte ein im EmDrive-Kegel plaziertes Dielektrikum die Effektivität des Antrieb erhöhen – und zum anderen könnte sich einhergehend mit der Veränderungen der Ausmaße des Kegels die Schubausrichtung umkehren, wenn die Wellenlänge der Unruh-Strahlung besser mit der Größe des kleinen Endes des Kegels übereinstimmt, als mit der des größeren Endes.

Ein ähnlicher Effekt könne durch die Veränderung der Photonenfrequenz im Innern des EmDrives erzielt werden – und laut McCulloch gibt es Indizien dafür, daß genau dieses in den von der NASA durchgeführten EmDrive-Experimenten passiert ist.

Im Mai 2016 startet der Ingenieur Paul Koclya aus Aachen, welcher bereits einen Miniatur-EmDrive gebaut hat, der in einen PocketQube paßt, zusammen mit seinem Partner Jo Hinchliffe aus Wales eine Crowdfunding-Kampagne, um einen kommerziellen Start zu finanzieren. Von den anvisierten 24.200 € werden in den ersten 12 Monaten aber nur gut 10 % gespendet.

Die PocketQubes (PocketQub o. Pocket Cube) sind übrigens würfelförmige Raumfahrzeuge mit einer Kantenlänge von 5 cm, die auf Prof. Bob Twiggs von der Morehead State University zurückgehen und die es erstmals im November 2013 in die Umlaufbahn geschafft haben.

Koclya verfolgt die Sache jedenfalls weiter, und läßt daran auch detailliert teilhaben (EMDrive/satellite auf hackaday.io), wo man z.B. erfährt, daß der Baby-EMDrive V6 im Februar 2017 bei Prof. Tajmar an der Technischen Universität Dresden geprüft wurde – ohne daß bislang aber Details über die Ergebnisse bekannt gegeben worden sind.

Eine weitere mögliche Erklärung, wie der Antrieb funktioniert, veröffentlichen im Juni 2016 Prof. Arto Annila von der Universität Helsinki, der Physiker Erkki Kolehmainen von der Universität Jyväskylä und der Multiphysiker Patrick Grahn von der Ingenieur-Software-Firma COMSOL – die mit ihrer These, daß der Antrieb einen ,Auspuff’ hat, eine Erklärung liefern, warum sich der EmDrive nicht wirklich dem dritten Gesetz von Newton entzieht – wobei es sich bislang aber nur um eine Hypothese auf der Grundlage theoretischer Berechnungen handelt.

Den Forschern zufolge sind die ,Abgase’, die abgestrahlt werden, tatsächlich Licht, oder genauer gesagt, Photonen, die mit anderen phasenverschobenen Photon zusammengedrückt worden sind, um aus dem Metallhohlraum zu schießen und Schub zu erzeugen. Demnach ist Licht in Mikrowellenlängen der Treibstoff, der in den Hohlraum eingespeist wird – während der EmDrive gepaarte Photonen nach hinten ausstößt.

Annila erklärt: „Wenn zwei Photonen zusammen reisen, aber entgegengesetzte Phasen haben, dann hat das Paar netto gerechnet kein elektromagnetisches Feld und wird daher nicht von den Metallwänden reflektiert, sondern durchdringt diese“. Mit anderen Worten, die Abgas-Photonen werden aus elektromagnetischer Sicht unsichtbar, weil sie von ihrem andersphasigen Partner maskiert werden. Diese entkommenen Photonen bilden die gleiche und entgegengesetzte Reaktion, die den Schub des EmDrive hervorbringt.

Die Finnen hoffen nun, daß Ingenieure die Herausforderung annehmen, ihre Photonenpaar-Theorie praktisch zu überprüfen. Dies wird aber nicht so einfach sein – ohne eine elektromagnetische Signatur.

Im Oktober 2016 wird eine britische Patentanmeldung veröffentlicht, die einen neuen EmDrive beschreibt, der an einem Ende eine einzelne, flache supraleitende Platte aufweist, während das andere Ende eine besonders geformte, nicht supraleitende Platte ist (GB-Nr. 2016/050974). Beantragt wird das Patent von Shawyers Firma SPR, als Erfinder wird neben ihm noch Gilo Cardozo angegeben.

Außerdem bestätigt Shawyer gegenüber der Presse, daß sowohl das britische als auch das US-Verteidigungsministerium daran interessiert seien, den EmDrive für ihre Raumsatelliten zu nutzen. Ein treibstoffloser Raketenmotor würde es dem Militär ermöglichen, sich einem Ziel zu nähern, ohne daß es jemand bemerken würde.

Kurz darauf stellt Shawyer die Neugründung Universal Propulsion Ltd. vor, die sich als Joint Venture mit dem kleinen britischen Luft- und Raumfahrtunternehmen Gilo Industries Group von Giles ,Gilo’ Cardozo ganz auf die Entwicklung und Vermarktung dieser EmDrive-Triebwerke konzentrieren wird. Es ist geplant, Tausende dieser Geräte zu produzieren.

Im November 2016 berichtet die Presse, daß die US-Regierung eine Version des EmDrive an Bord der Boeing X-37B testen würde, einem experimentellen, unbemannten und wiederverwendbaren Raumgleiter der U.S. Air Force. Eine offizielle Bestätigung dafür habe ich bislang aber nicht finden können.

Dafür spielt in der SF-Serie Salvation aus dem Jahr 2017 ein funktionierender EmDrive die Hauptrolle, der am Ende der 4. Folge der 1. Staffel ,Der menschliche Faktor’ einen Asteroiden aus seiner Kollisionsflugbahn mit der Erde schiebt und die Welt rettet.

Zwischen 2016 und 2019 reicht der Raumfahrt- und Elektroingenieur Salvatore Cesar Pais als Angestellter der Naval Air Warfare Center Aircraft Division (NAWCAD) eine Reihe von Patenten für die U.S. Navy ein. Das Patent mit dem Titel ,Craft using an inertial mass reduction device’ (US-Nr. 10.144.532, erteilt 2018) beschreibt ein Hybrid-Raumfahrzeug, das sich gleichermaßen durch das Weltall, die Luft und unter Wasser bewegen kann und dazu - genau wie der EmDrive - einen geschlossenen, konischen Resonanzraum nutzt, in den Mikrowellen im Bereich von 300 MHz bis 30 GHz gestrahlt werden.

Allerdings geht Pais theoretisch viel weiter, denn er behauptet, daß die Mikrowellen die Wände des Resonanzraums in eine extrem hochfrequente Vibration versetzen. Durch diese Beschleunigung elektrischer Ladungen soll der sogenannte ,Pais-Effekt’ entstehen: Die Manipulation von Quantenvakuum-Fluktuationen direkt außerhalb der Schiffswand. Dadurch würde die träge Masse des Schiffes massiv reduziert, was theoretisch extreme Geschwindigkeiten ohne sichtbaren Antrieb erlauben würde.

Nachdem das US-Patentamt den Antrag anfangs ablehnt, weil die Behauptungen den bekannten Gesetzen der Physik widersprechen, wird es doch erteilt, als sich der technologische Leiter der NAWCAD, James Sheehy, persönlich einschaltet und dem Patentamt schriftlich versichert, daß die Erfindung ,funktionsfähig’ sei.

Die US-Navy finanziert bis September 2019 eine dreijährige Machbarkeitsstudie mit 508.000 $, um den Pais-Effekt experimentell nachzuweisen, doch das offizielle Ergebnis lautet, daß der Effekt nicht nachgewiesen werden konnte. Es wurde auch nie ein funktionierender Prototyp gebaut, und das Patent ist im Januar 2023 offiziell ausgelaufen, weil die US-Navy die Verlängerungsgebühren nicht mehr zahlen wollte. Dies hält Pais aber nicht davon ab, weitere Patente anzumelden, wie z.B. ,Propulsion System, Inertia Attenuator and Force Field Generator’ (US-Nr. US20260100660, veröffentlicht 2026).

Im November 2018 stellt die DARPA, die schon seit etwa einem Jahrzehnt im Stillen aktiv ist und auch an dem o.e. EmDrive-Treffen im Pentagon im Jahr 2008 teilgenommen hat, Mittel in Höhe von 1,3 Mio. $ zur Verfügung, um die Entwicklung von Theorien voranzutreiben, die den EmDrive mit der bekannten Physik in Einklang bringen. Die Grundlagen dafür stammen von Mike E. McCulloch an de britischen r University of Plymouth, der seit 2007 mehr als 20 Arbeiten zu seiner Theorie der Quantisierten Trägheit (QI) veröffentlicht hat. Darin deutet er auch an, wie QI den EmDrive mit der bestehenden Physik unter einen Hut bringen könnte.

Shawyer hatte zuvor Gespräche mit Mike Fiddy geführt, dem Leiter der neuen DARPA-Initiative Nascent Light Matter Interactions (NLM), die sich auf die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie konzentriert, wobei ,Licht’ elektromagnetische Wellen und nicht nur sichtbares Licht bedeutet. Im Rahmen dieser Initiative soll nun auch die Schubkraft erforscht werden, die vom EmDrive erzeugt wird.

Die radikale QI-Theorie, die auch als ,modifizierte Trägheit durch einen Casimir-Effekt im Hubble-Maßstab (MiHsC)’ bezeichnet wird, hat weitreichende Auswirkungen, die alles von der galaktischen Rotation bis zur Dunklen Energie betrifft. Um den Schubeffekt zu verstehen und dann auch verstärken zu können, wird McCulloch die Wechselwirkung von Licht mit stark resonanten Hohlräumen modellieren und testen. Dabei stützt er sich auf eine Vorhersage der Quantentheorie, wonach beschleunigte Objekte einen als Unruh-Strahlung bezeichneten thermischen Hintergrund erfahren. Wobei die Unruh-Strahlung selbst auch eine Theorie ist, die im Labor noch nicht schlüssig nachgewiesen werden konnte.

Anstelle von Mikrowellen wird bei den Experimenten zur Validierung von McCullochs Theorie Licht verwendet, wobei ein Experiment in einer Schleife durchgeführt wird und ein anderes mit einem Laser, der von asymmetrischen Spiegeln abprallt. Niemand hat diese Art von EmDrive bisher gebaut, aber es gibt keinen Grund, warum er nicht auch bei optischen Frequenzen funktionieren sollte, was zu kleinen EmDrive-Triebwerken mit hoher spezifischer Schubleistung führen würde.

Nachdem McCulloch einen Großteil der vergangenen 18 Monate damit verbracht hat, seine QI-Theorie zu verfeinern und zu überprüfen, ob ihre Vorhersagen mit den Ergebnissen im Labor übereinstimmen, und nachdem theoretische, modellbasierte Leistungsvorhersagen zu neuen Triebwerkskonstruktionen geführt haben, die bei zukünftigen Entwicklungs- und Testaktivitäten helfen sollen, erhält das EmDrive-Projekt der DARPA im Februar 2020 grünes Licht für Phase II, um in zwei laufenden Studien die ,Unmöglichkeit’ des Antriebs rigoros zu untersuchen.

Der experimentelle Teil des Projekts wird von Tajmar in Dresden, sowie von Jose Luis Perez Diaz in Madrid durchgeführt. Tajmar und sein Team, das noch daran arbeitet, alle möglichen Fehlerquellen zu beseitigen, die Waagen zu verbessern und weitere Tests zu veranstalten, legen auf der online stattfindenden Space Propulsion Conference 2020 +1 im März 2021 drei Arbeiten vor, in denen sie zum einen über die normalen Mikrowellen-EmDrives, und zum anderen über die laserbasierten EmDrives berichten.

Die Veröffentlichungen tragen die Titel ,High-Accuracy Thrust Measurements of the EMDrive and Elimination of False-Positive Effects’, ,Thrust Measurements and Evaluation of Asymmetric Infrared Laser Resonators for Space Propulsion’ sowie ,The SpaceDrive Project – Mach-Effect Thruster Experiments on High-Precision Balances in Vacuum’ und sind alle im Netz einsehbar. Tajmar faßt das Ergebnis zusammen: „Wir fanden heraus, daß die Ursache für den Schub ein thermischer Effekt war. (...) Leider konnten wir keines der Antriebskonzepte verifizieren, aber wir konnten unsere Meßtechnik dadurch stark verbessern, so daß wir in diesem Wissenschaftsbereich weiter forschen und vielleicht etwas Neues entdecken werden.“

Diaz wiederum führt Experimente durch, in denen er die Vorhersage von McCulloch, daß der Schub sowohl mit Mikrowellen als auch mit Licht erreicht werden kann, mit einer asymmetrischen Schleife aus 2.000-fach gewickelten Glasfasern nachprüft, die er Photon Loop nennt. Wie bei der Mikrowellenversion ist die Asymmetrie entscheidend. Diaz zufolge erzeugt das Durchleiten von Laserimpulsen durch die Photonenschleife genug Nettokraft, um sie zu bewegen.

Der Vorteil dieses Geräts ist, daß Glasfasern viel billiger und einfacher einzurichten und zu testen sind als Kupferhohlräume, die eine präzise Bearbeitung erfordern. Sobald das Design perfektioniert ist, sollte es Physiklabors auf der ganzen Welt möglich sein, ihre eigenen Photonenschleifen zu bauen und die Wirkung selbst zu beobachten.

Die große Herausforderung besteht in der genauen Messung eines so geringen Schubs, weshalb Diaz seinen Apparat zur Überprüfung an Tajmars Labor schickt, wo in diesem Sommer eine genaue Messung der Schubkraft erfolgen soll, die McCullochs Theorie zufolge zwischen einem und vier Mikronewton liegen sollte. Die derzeitige Phase des DARPA-Projekts läuft noch bis Mai 2021, doch es ist möglich, daß das Projekt ausläuft, wenn es keine greifbaren Ergebnisse gibt.

Wie im September 2020 zu erfahren ist, hat McCulloch selbst derweil durch die Eingabe der Schubgleichungen in eine Optimierungssoftware einen Antrieb entwickelt, der tausendmal effizienter sein soll als das Shawyers Original. Da dieser Entwurf an einem Ende eine Reihe von Spitzen aufweist, wird er in Anlehnung an Bart Simpsons spitz zulaufendes Haar BART Drive genannt. Das derzeitige Design soll einen Schub von etwa 0,012 Newton bei einer Leistung von 1 kW erzeugen, laut McCulloch letztlich aber mindestens ein Vielfaches davon leisten können.

Die schematische Skizze des BART-Antriebs im Schnitt (rotationssymmetrisch um die Mittelachse) soll den Unterschied im Bereich A1 <  A2 veranschaulichen. Sollte es dem Antrieb tatsächlich gelingen, 0,1 N/kW zu liefern, und das ohne den Treibstoffbedarf von Ionenantrieben, werden die Satellitenunternehmen vermutlich sehr interessiert sein.

Darüber hinaus arbeitet McCulloch mit einem Konsortium zusammen, zu dem u.a. die University of Southern California und ein namentlich nicht genanntes großes Luft- und Raumfahrtunternehmen gehören, das sein eigenes, Horizon Drive genanntes Experiment durchführt. Dabei geht es darum, den Effekt des EmDrive ,visuell’ zu demonstrieren, so daß - anders als bei der Demonstration von Mikro-Schubkraft - jeder, der es sieht, daran glauben wird. Die Ergebnisse sollten noch diesen September veröffentlicht werden, tatsächlich scheint das visuelle Demonstrationsexperiment in dieser Form aber nie stattgefunden zu haben.

Im April 2022 meldet die Universität Plymouth, daß McCullochs QI-Theorie nun von dem in Virginia ansässigen und 2018 von Richard Mansell gegründeten US-Unternehmen IVO Ltd. zum ersten Mal kommerziell umgesetzt werden soll. Im Zusammenarbeit mit dem britischen Wissenschaftler hat das Unternehmen das erste rein elektrische Triebwerk für Satelliten entwickelt, das ohne Treibstoff auskommt, indem - einfach gesagt - Quantenenergie in Schubkraft umgewandelt wird. Die Konstruktion kann vergrößert oder verkleinert werden, um den Erfordernissen jedes Raumfahrzeugs unabhängig von seinem Schubbedarf gerecht zu werden.

Der Quantum Drive, der im Vormonat seine Premiere auf der SATELLITE 2022 hatte, wäre damit die erste kommerziell nutzbare und verfügbare rein elektrische Antriebstechnologie der Welt, die durch thermische Vakuumtests ihre Legitimität erlangt hat. Das Triebwerk wurde unter den strengen Bedingungen, denen es im Weltraum ausgesetzt sein wird, validiert, wobei die fast 100 Stunden dauernden Tests in einer Vakuumkammer auch dazu dienten, die durch die quantisierte Trägheit entwickelte Schubkraft zu bestätigen. Der IVO Quantum Drive erreicht 45 mN Schubkraft und verbraucht dabei nur ein einziges Watt Strom.

Das IVO-Forschungsteam ist bereit, die Antriebstechnologie mit einem geplanten Satellitenstart an Bord einer SpaceX-Rakete auf die Probe zu stellen, um zu sehen, ob der Quantum Drive den treibstofflosen Schub erzeugen und den Satelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn manövrieren kann.

Der erste Versuch erfolgt an Bord des Satelliten BARRY-1 von Rogue Space Systems, der im November 2023 mit dem SpaceX Transporter-9 startet, doch Probleme mit dem Stromversorgungssystem und der Kommunikation an Bord des Trägerraumschiffs verhindern die Aktivierung der Quantenantriebe. Ein zweiter Versuch findet an Bord des Rogue-Satelliten OTP-2 statt, der im März 2025 mit SpaceX Transporter-13 gestartet wird.

In diesem Fall meldet das Team später eine scheinbare Schubreaktion, doch ein Problem mit der Testhardware und dem Steuerungssystem beschränkte den Antriebsbetrieb auf weniger als etwa eine Minute, wodurch ein großes, unmißverständliches Bahnmanöver verhindert wird, das demonstriert werden sollte. Eine eindeutige Bestätigung des Schubs kann daher nicht erbracht werden. Eine 66-minütige Dokumentation, die im August 2026 auf YouTube erscheint, trägt den Titel ,Der IVO-Antrieb & Quantisierte Trägheit | Mike McCulloch’.

Hiweis: Ein Edward Von Bargen meldet im September 2019 das Patent ,EdDrive Propellantless Propulsion System’ an, das ihm im Oktober 2021 auch erteilt wird (US-Nr. 11.149.719). Ich erwähne den Antrieb hier nur, um Mißverständnisse wegen den Namensähnlichkeit zu vermeiden, da der EdDrive ansonsten ein rein mechanisches System ist, das auf völlig anderen technischen und physikalischen Ansätzen als der EmDrive beruht.

 

Doch nun soll ein Blick auf andere elektrische Antriebe geworfen werden, deren Chronologie an dieser Stelle im Jahr 2010 einsetzt.

Im Januar stellt Prof. Kimiya Komurasaki von der Universität Tokio ein System vor, mit welchem er eine kleine Modellrakete aus Metall mittels Mikrowellen-Energieübertragung zum Starten bringt. Die Idee hierzu soll auf den russischen Raketenwissenschaftler Konstantin Tsiolkovsky zu Beginn des 20. Jahrhunderts zurückgehen.

Andere Quellen sehen den eingangs erwähnten US-Ingenieur Arthur Kantrowitz als ursprünglichen Innovator, der im Jahr 1972 den Vorschlag gemacht hat, Raketen mittels Lasern oder Masern (also Mikrowellen-Lasern) aus dem Schwerkraftschacht, in dem wir alle hocken, hinauszubefördern. Auch die Antriebsmethode mittels Laserabtragung (Laser ablation prupulsion, LAP) soll von ihm stammen.

Um die Idee zu verwirklichen, wird das Gyrotron des Naka Fusion Institute der japanischen Atombehörde JAEA genutzt, ein Super-Hochleistungs-Mikrowellen-Strahlemitter, der ursprünglich als Teilbeitrag Japans im Rahmen der internationalen Bemühungen um einen praktikablen Fusionsreaktor (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) entwickelt wurde.

Mit diesem Strahl (170 GHz) sind die Wissenschaftler in der Lage, Mikrowellen-Energieimpulse in den Boden eines hohlen, 126 g schweren Raketenmodells zu schicken, was die darin befindliche Luft fast sofort auf 10.000°C erhitzt, was zu ihrer sehr raschen Expansion führt. Das Ergebnis ist ein Knall, der sich ein wenig wie Donner anhört - während die Rakete abhebt und etwa 120 cm hoch fliegt. Zum Einsatz kommt dabei ein 600 kW starker Strahl, dessen Pulse bei einer Frequenz von 100 Hz jeweils 1 Millisekunde daueren. Stetiger Schub kann durch eine wiederholte gepulste Mikrowellen-Bestrahlungen erzeugt werden.

Bei einem früheren Versuch im Jahr 2003 konnte ein 9,5 g schweres Kunststoff-Modell durch einen Einzelpuls-Mikrowellenstrahl (930 kW / 0,4 Millisekunden) auf eine Höhe von 2 m gebracht werden. Langfristig soll durch Verbesserung des Gyrotrons und der optischen Übertragungssysteme schrittweise schwerere Raketen auf größere Höhen gebracht werden - bis man in der Lage ist, mit dieser Methode 100 kg wiegende Nutzlasten in den Orbit zu befördern. Die Wissenschaftler rechnen damit, im Jahr 2030 mit der Technologie einen 20.000 Tonnen schweren Solar-Satelliten in den GEO  transportieren zu können.

2011 wird mit einem 1 MW Mikrowellen-Strahl des Gyrotron ein Schub von 30 N erreicht. Als nächstes soll ein Raketenmodell im Kilogrammbereich auf 10 m Höhe gestartet werden. Über weitere Entwicklungsschritte ist bislang nichts bekannt.

2016 veröffentlichen Komurasaki und seine Kollegen dann den Vorschlag für ein zweistufiges Transportsystem, das aus der Kombination einer Mikrowellen-Rakete mit einer Mikrowellen-Thermal-Rakete besteht, um kleine Satelliten in den Orbit zu bringen.

Im September 2011 wählt die NASA zwei bahnbrechende Weltraumtechnologie-Projekte für die Weiterentwicklung aus. Dabei wird betont, daß diese beiden neuen Projekte nur der Anfang der Bemühungen der Agentur sind, an revolutionäre Technologien zu kommen, wie sie für zukünftige Missionen erforderlich sind. Zum einen geht es dabei um die Entwicklung einer Lithium-Ionen-Batterie durch die Firma Amprius Inc., bei der man sich auf die Materialoptimierung von Silizium-Anoden und Elektrolytformeln konzentriert, um den Anforderungen der extrem niedrigen Temperaturen im Raum zu entsprechen.

Das zweite Projekt unter dem Namen Ride the Light soll neue Methoden zur Energieübertragung über große Distanzen erforschen und Wege aufzeigen, wie sich weit entfernte Raumschiffe oder Sonden mittels Licht- oder Mikrowellenstrahlen von der Erde oder von Satelliten aus mit Energie versorgen lassen. Unter dem Titel LightForce wird zudem eine Umsetzung zur Vermeidung von Kollisionen in der Umlaufbahn verfolgt, bei der alleine der Photonendruck eines Boden-Lasers zum Einsatz kommen soll. Indem Trümmer aus dem Weg einer Kollision ,geschubst’ werden, lassen sich diese verlangsamen oder daran hindern, Satelliten zu gefährden, denen ein On-Board-Antrieb fehlt. Im Gegensatz zu anderen Raummüll-Sanierungskonzepte sei LightForce viel billiger. Allerdings ist später nichts mehr darüber zu hören.

Seit Ende 2011 betreibt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen einen Teststand für  Elektroantriebe, auf dem hauptsächlich ein RIT-Triebwerk untersucht wird (s.o.). Die Vakuumkammer des DLR ist mehr als 12m lang und hat einen Durchmesser von 5 m.

Ab 2015 wird hier ein weiteres ähnliches, aber größeres Triebwerk getestet.

 

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