Was haben ein mittelalterliches Heilmittelrezept und ein neues Raumfahrttriebwerk gemeinsam? oder: Wissenschaftliches Arbeiten Teil I

Warum genau weiß ich nicht, aber vor einigen Tagen habe ich einen Artikel zum Lesen vorgeschlagen bekommen: Es ging um ein aus dem Mittelalter stammendes Heilmittel, das wohl zu diesem Zeitpunkt Anwendung gegen so ziemlich alles fand und als Antibiotikum und auch antiviral und antifungal wirkt. Da ich mich auch für das Mittelalter interessiere, fand ich das spannend und habe den Artikel gelesen, dabei allerdings bemerkt, dass er vor allem eine Art Werbung darstellte und wenig mit Fakten oder Belegen gearbeitet wurde. Das Rezept für dieses Mittel kursiert übrigens seit langem durch das Internet und scheint ursprünglich von einer englischen Webseite zu stammen.

Ebenfalls seit einiger Zeit geht ein besonderes Triebwerk durch die Berichterstattung auf Wissenschaftsseiten. Das sogenannte „EmDrive„. Dieses Triebwerk, das Ihr im Artikelbild sehen könnt, ist eigentlich einfach nur ein konisches Metallgehäuse in dem Mikrowellen reflektiert werden. Dadurch soll angeblich Schub generiert werden. Dies ist deswegen so bemerkenswert, weil dafür kein Treibstoff verwendet wird, was allerdings eine Verletzung des dritten Newton’schon Axioms darstellt: Actio gleich Reactio. Jede Kraft bewirkt eine entsprechende Gegenkraft. In Kombination mit dem zweiten Axiom, dass die zeitliche Änderung eines Impulses eine Kraft ist, spricht man auch von Impulserhaltung.

Aber was haben diese beiden Dinge gemeinsam? Die Frage lässt sich leicht beantworten: Man sollte ihnen mit Skepsis begegnen. Wenn etwas behauptet wird, sollte es durch Fakten belegt werden – eine Sache, die leider in jüngerer Zeit zu kurz kommt. Belege liefern, die überprüfbar sind, ist eines der wichtigsten Prinzipien beim wissenschaftlichen Arbeiten. Dies kann man z.B. durch Experimente oder Literaturhinweise tun.

Als ich das Rezept für das vermeintliche Antibiotikum gelesen habe, bin ich schon bei den Zutaten stutzig geworden. Dazu gehören unter anderem Ingwer, Kurkuma und Chili. Das spannende daran ist, dass die ersten beiden aus Südasien stammen, Chili hingegen aus Amerika. Zwar hatte man auch im Mittelalter bereits Kontakt mit Asien und ebenso Handelsbeziehungen, allerdings waren Gewürze so wertvoll, dass sie mit Gold aufgewogen wurden, sie waren also keineswegs weit verbreitet. Die Entdeckung Amerikas ist hingegen eines der Ereignisse, die das Ende des Mittelalters markieren – es ist also nicht sehr glaubhaft, dass es sich um ein mittelalterliches Rezept handelt, zumindest nicht in dieser Form. Bedenkt man die niedrige Lebenserwartung des Mittelalters im Vergleich zu unserer, scheint es sich auch um kein besonders gutes Mittel handeln zu können. Setzt man sich mit den Zutaten des Rezepts auseinander stellt man fest, dass die heilenden Wirkungen der meisten zumindest nicht unumstritten, in keinem Fall aber so universal sind, wie sie im Artikel beschrieben werden.

Aber zurück zum EmDrive. Erfunden wurde es vor ca. 20 Jahren, im Jahr 2002 wurde eine Firma gegründet, die sich mit der Vermarktung und Entwicklung des Triebwerks beschäftigt. Bisher hat dies nur zu begrenztem Erfolg geführt.

Das Triebwerk besteht im Grunde aus einem konischen Hohlraum, in welchem Mikrowellenstrahlung reflektiert wird. Der Hohlraum selbst ist allerdings komplett verschlossen, so dass keine Strahlung herausdringen kann.

Nach Meinung des Erfinders, Roger Shawyer, wird durch die konische Form des Triebwerks ein Kraftunterschied erzeugt. Er bezieht sich dabei auf einen Artikel von Cullen, aus dem Jahre 1959 – leider ist dieser Artikel nicht frei erhältlich, so dass ich ihn mir nicht ansehen kann – welcher seiner Meinung nach besagt, dass diese Form einen Unterschied in der Gruppengeschwindigkeit der Strahlung verursacht, was in einer Kraft resultiert, dem gewünschten Schub.

An der Stelle noch einmal ein kurzer Stop. Elektromagnetische Strahlung? Was, wie soll Strahlung eine Kraft erzeugen?

Elektromagnetische Strahlung ist eine besondere Form von Phänomen. Sie verhält sich wie eine Welle, kann sich aber anders als z.B. eine Welle im Wasser, ohne Medium ausbreiten. Es verknüpft eine magnetische mit einer elektrischen Schwingung. Beschreiben kann man diese Welle auch als Ansammlung von Teilchen, sogenannten Photonen. Das ist das Besondere an elektromagnetischer Strahlung. Sie ist eben nicht nur Welle, sondern auch Teilchen. Ein Photon hat zwar keine Masse an sich, aber es kann trotzdem ähnlich einer Masse agieren. So kann Masse zum Beispiel beim Zerfall von radioaktivem Material über das Auftreten von radioaktiver Strahlung, die auch elektromagnetisch ist, abgebaut werden. Klingt kompliziert? Ist es eigentlich nicht. Jeder kennt die Formel E = m · c². Die besagt genau das. Gleicheit von Energie und Masse, verknüpft über die Lichtgeschwindigkeit c. Die Geschwindigkeit, die ein Photon besitzt, denn es ist die kleinste mögliche Einheit, das Quant, des Lichts.

Viel komplizierter wird es erst einmal nicht. Wenn man sich also elektromagnetische Strahlung als Photon, bzw. viele Photonen, vorstellt, also als Teilchen, kann man sich auch vorstellen, dass dieses Teilchen, wenn es auf einen Gegenstand trifft, auf diesen eine Kraft ausübt – als wenn ich einen Tennisball gegen eine Wand werfe oder z.B. gegen eine Dose und sie dadurch umfällt. Diese Kraftwirkung von auftreffender Strahlung macht man sich mit sogenannten Solarsegeln zu nutze, wie z.B. bei der japanischen Mission IKAROS.

1024px-ikaros_solar_sail
IKAROS in der Nähe der Venus, angetrieben von einem Solarsegel. Bild: Andrzej Mirecki, CC BY-SA 3.0 Lizenz

Zurück zum EmDrive. In dem Hohlraum sind also im Grunde viele Tennisbälle, die gegen die Wand auf der einen und der anderen Seite treffen. In „Photonen“ ausgedrückt, sagt Shawyer, dass die Form des Hohlraums bewirkt, dass die Geschwindigkeiten verschieden sind, wodurch unterschiedliche Wellenlängen erzeugt werden und das wiederum erzeugt einen Kraftunterschied.

test_chamber
Vereinfachte Darstellung des Innenlebens eines EmDrive.

In seiner Herleitung, deren Basis, nämlich Cullens Paper, mir nicht zur Verfügung steht, macht Shawyer drei Annahmen, die ich nicht nachvollziehen kann. Zur Bestimmung der Kraftgröße zieht er nicht etwas die Geschwindigkeit des Photons (also die Lichtgeschwindigkeit) heran, sondern die Gruppengeschwindigkeit. Dies ist eine Größe ebenfalls aus der Wellenphysik. Wenn sich eine Welle überlagert, dann wird quasi eine Welle in der Welle erzeugt. Verwirrend? Einfach mal zwei unterschiedlich schwere Dinge in ein Wasserbecken fallen lassen. Die Wasserwellen überlagern sich dann und die Fortbewegung dieser Überlagerung ist die Gruppengeschwindigkeit. Auf Wikipedia gibt es eine schöne Animation dazu.

Ich kann jedenfalls nicht nachvollziehen, warum er diese für die Impulsübertragung heranzieht, da er mit dem Strahlungsdruck argumentiert und dieser errechnet sich aus der Lichtgeschwindigkeit – welche ja bekanntlich innerhalb eines Mediums konstant ist und ihr Maximum im Vakuum hat. Vielleicht liegt es daran, dass in dem Hohlraum eben insgesamt verschiedene Mikrowellen existieren, die sich gegenseitig überlagern und die resultierende Geschwindigkeit ist dann die Gruppengeschwindigkeit. In seiner Beschreibung wechselt Shawyer außerdem zwischen den Begriffen der Phasengeschwindigkeit (die Geschwindigkeit mit der sich z.B. ein Wellental durch den Raum bewegt) und Gruppengeschwindigkeit, zwei genau gegensätzliche Begriffe. Weiter spricht er davon, dass sich die elektromagnetische Welle mit einer Phasengeschwindigkeit ungleich der Lichtgeschwindigkeit, nämlich kleiner, bewegt. Per Definition kann dies nicht sein. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts, also von Elektromagnetischer Strahlung ist ja gerade die Lichtgeschwindigkeit c. Und diese ist immer konstant für ein bestimmtes Medium.

Nun sind wir aber immer noch nicht weiter, aber fast. Nun stelle man sich vor, man sitzt in einem Container und wirft gleichzeitig, aber mit unterschiedlicher Geschwindigkeit einen Ball gegen die gegenüberliegenden Wände. Was wird passieren? Wird sicher der Container bewegen (nehmen wir mal an, er ist seeeehhhr leicht)? Oder anderes Beispiel. Wenn ich auf einem Segelboot stehe und ich puste gegen das Segel, werde ich dann das Schiff bewegen? Was ist, wenn mein SUV liegen bleibt und ich steige auf die Ladefläche und drücke gegen das Fahrerhaus – kann ich es so anschieben?

Die Antwort ist in allen Fällen, nein. Es wird nichts passieren, denn das dritte Axiom von Newton sagt ja, dass es immer eine entsprechende Gegenkraft gibt. Puste ich, werde ich – als Teil des Systems Boot – nach hinten gedrückt, während die austretende Luft das Segel berührt und das Boot nach vorne drückt. Die Kräfte heben sich auf, es passiert nichts. Deswegen braucht es immer eine äußere Kraft, um etwas zu bewegen. Ich muss also aus dem SUV steigen, mich am Boden abstützen und kann dann mein Fahrzeug anschieben.

Shawyer hat auch dafür eine Antwort parat: Er ist der Meinung, dass dadurch, dass man verschiedene Geschwindigkeiten an den Wänden hat, die nahe der Lichtgeschwindigkeit liegen, nach Einsteins Relativitätstheorie auch verschiedene Koordinatensysteme verwendet werden müssen, was diesen Umstand aushebelt, also grob gesagt, der Hohlraum wird verzerrt und dann wieder zusammengezogen. Ich bin kein Experte für die Relativitätstheorie, allerdings basiert diese Idee in jedem Fall auf den unterschiedlichen Geschwindigkeiten, da ich diese ihm nicht abkaufe, kann ich das mit seinen Koordinatensystemen ebenfalls nicht. Diese Erklärung wird von Physikern ebenfalls nicht akzeptiert, also bin ich zumindest in guter Gesellschaft.

Nun ist ja Wissenschaft kein „Glaube“, sondern es geht darum, etwas zu beweisen, mit Fakten zu belegen. Ansonsten wäre auch die Aussage, dass wir alle im Auge eines großen Riesen leben und der Himmel deswegen blau ist, weil der Riese blauäugig ist, ja auch Wissenschaft. Ist sie aber nicht.

Und jetzt wird es in meinen Augen sehr spannend. Es hat verschiedene Leute gegeben, die das Triebwerk getestet haben, nach den Informationen, die Shawyer veröffentlicht hat. Dabei haben sie auch tatsächlich sehr kleine Kräfte gemessen und zwar die Kraft von 1,2 Milinewton pro kW. Was bedeutet das nun wieder? Auf der Erde erzeugen einhundert Gramm Masse eine Kraft von einem Newton (durch die Gravitation der Erde). Also hebe ich z.B. die Menge von einem halben Glas Wasser hoch dann ist das Gewicht, das ich spüre das 833-fache von dem, was dieses Triebwerk bei einer Leistung gleich der eines starken Mikrowellenherds, erzeugen kann. Die gemessene Kraft ist also sehr wenig. Gemessen wurde dies von verschiedenen, allerdings bei den meisten lag die Messung unterhalb der Messgenauigkeit – so dass die Aussagen im Grunde wertlos sind.

Kürzlich hat allerdings die NASA die oben genannten Testergebnisse veröffentlicht und sie haben sehr genau gemessen (Genauigkeit von 0,1 mN). Dabei haben unabhängige Gutachter ihren Artikel bewertet und konnten keine formellen Fehler feststellen (allerdings eben nur auf dem Papier, sie haben das Experiment nicht wiederholt). Die Begutachtung durch unabhängige Experten ist übrigens ein weiteres Prinzip wissenschaftlicher Veröffentlichung.

Die NASA-Ingenieure selbst geben keine Erklärung für die gemessene Kraft, diskutieren aber mögliche Fehlerquellen, die sie aber als Ursachen ausschließen. Unumstritten sind ihre Ergebnisse dennoch nicht.

Es gibt Erklärungen von anderen Forschern, die aber alle nicht unproblematisch sind, da sie z.B. entweder schlecht oder gar nicht nachweißbar sind oder aber auf Thesen beruhen, die selbst nicht bewiesen sind, wie z.B. der Unruh-Strahlung. Es besteht also ein recht lebhafter Diskurs über die Gründe für die gemessene Kraft und auch das ist gelebte Wissenschaft: Diskussion, bis man der Wahrheit auf den Grund gekommen ist. Eine Erklärung, die ich besonders sexy finde, stammt aus Finnland und ist ebenfalls in einem begutachteten Journal erschienen.

Dazu brauchen wir wieder das Wellenmodel. Stellt man sich vor, dass zwei Wellen aufeinandertreffen, so interagieren sie miteinander. Nun gibt es zwei extreme Fälle. Sie treffen in genau gleicher Phase aufeinander, d.h. die Wellentäler fallen genau auf die Täler und die Wellenberge genau auf die Berge. Dann verdoppelt sich die Amplitude, d.h. die Auslenkung der Welle, wie man in der Skizze erkennen kann. Gleichsam ist der andere Extremfall, dass die Wellen genau versetzt, d.h. 180°, aufeinandertreffen. In diesem Fall heben die Täler der einen Welle, die Berge der anderen auf. Man merkt überhaupt nicht, dass es zwei Wellen gibt.

welle
Zwei Wellen gleicher Phase verstärken sich, zwei Wellen, exakt um 180 Grad phasenversetzt, löschen sich aus.

Genau das gleiche kann auch mit Photonen passieren und nach Erklärung des Papers, würden sie dann eben doch die Wände durchdringen und würden als Teilchen den Hohlraum verlassen können. Damit wäre das System nicht mehr geschlossen und würde nicht länger die Impulserhaltung verletzen, sondern sich an das Rückstoßprinzip anlehnen, wie jede Rakete. Die Tatsache, dass die Photonen sich in ihren Wellen auslöschen, macht es auch unmöglich sie zu detektieren.

Eines ist aber ganz besonders spannend. Die unabhängigen Tests konnten nie auch nur im Ansatz Schubkräfte replizieren, wie sie Shawyer selbst vorgibt. In seinem Machbarkeitsversuch, hat er eine Kraft von 214 mN/ kW gemessen, in einer Weiterentwicklung hat er einen Durchschnittswert von 326 mN/ kW gemessen. Für die Zukunft sagt er einen Schub von 30.000.000 mN/ kW voraus.  Seine Messungen sind also im schlechtesten Fall ca. Faktor 180 besser als das, was die NASA gemessen hat.

Und da liegt der Hase für mich im Pfeffer. Seine Vorhersagen, bzw. Messungen lassen sich eben nicht reproduzieren, wenn man es unabhängig probiert. Zwar kann man eine Kraft messen, aber diese ließe sich z.B. auch durch erhitzte Materialien erklären, wie andere Wissenschaftler meinen. Die beste Möglichkeit nun Gewissheit, Wissen, zu schaffen (Wissenschaft, gemerkt? 😉 ), wäre, ein solches Triebwerk im Weltraum zu testen – und genau das wird geplant. China behauptet sogar, ein solches Triebwerk bereits auf seiner Raumstation Tiangong 2 im Einsatz zu haben. Allerdings wurden noch keine belastbaren Ergebnisse veröffentlicht.

Sollte sich das EmDrive als Tatsache herausstellen, wären die Möglichkeiten immens. Man könnte sehr viel leichtere Raumfahrzeuge bauen, da man keinen Treibstoff mehr mittransportieren müsste. Dies würde sogar die Tür zur interstellaren Raumfahrt öffnen. Der Treibstoff, der mitgenommen werden kann, begrenzt üblicherweise, welche Missionen machbar, welche Ziele erreichbar sind. Wenn man dann eine potente Energiequelle hat, z.B. einen Nuklearreaktor oder sogar einen Fusionsreaktor (hey man wird ja noch mal träumen dürfen), dann wäre die Energieversorgung gesichert und könnte ein solches Triebwerk, das Energie direkt in Schub umsetzen kann, sehr nützlich werden lassen.

Da aber noch immer keine Einigkeit über die Funktionsweise des Triebwerks besteht und vor allem die Messergebnisse sehr unterschiedlich sind, halte ich mich zunächst an ein weiteres wissenschaftliches Prinzip: das Sparsamkeitsprinzip. Üblicherweise ist die einfachste Erklärung die richtige, in diesem Fall wäre das, dass es sich um einen Messfehler handelt.

 

 

2 Gedanken zu “Was haben ein mittelalterliches Heilmittelrezept und ein neues Raumfahrttriebwerk gemeinsam? oder: Wissenschaftliches Arbeiten Teil I

Kommentar verfassen

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden /  Ändern )

Google Foto

Du kommentierst mit Deinem Google-Konto. Abmelden /  Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden /  Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden /  Ändern )

Verbinde mit %s