Painovoiman manipulointi: Tieteiskirjallisuutta vai todellisuutta?

Työntövoimaa ilman ajoainetta?

Rakettien toiminta perustuu liikemäärän säilymiseen: raketti saa työntövoimaa kiihdyttämällä ajoainetta vastakkaiseen suuntaan. Tätä periaatetta käytettiin jo ennen toisen maailmansodan V2-raketteja.

Kemialliset raketit tuottavat edelleen Maasta laukaisuun tarvittavan suuren työntövoiman. Avaruudessa käytetään myös esimerkiksi sähköistä propulsiota ja aurinkopurjeita.

Rakettiyhtälö yhdistää saavutettavan nopeudenmuutoksen pakokaasun nopeuteen ja alku- ja loppumassan suhteeseen. Suuren ajoainemäärän kuljettaminen vaatii lisää ajoainetta. Tästä puhutaan joskus rakettiyhtälön tyranniana.

Monissa kantoraketeissa ajoaine muodostaa noin 90 prosenttia lähtömassasta, mutta osuus riippuu raketin rakenteesta ja tehtävästä. Jäljelle jäävään massaan kuuluvat rakenteet, laitteet ja hyötykuorma. Luku ei takaa, että yksivaiheinen raketti pääsisi kiertoradalle.

Voisiko vaihtoehto toimia ilman mukana kuljetettavaa ajoainetta? Aurinkopurje on tunnettu esimerkki: se vaihtaa liikemäärää ulkopuolisen valon kanssa. Suljetun järjestelmän väite työntövoimasta ilman liikemäärän vaihtoa on eri asia.

Jotkut tutkijat ovat esittäneet poikkeavia mittaustuloksia ja teorioita. Niiden arviointi edellyttää virhelähteiden hallintaa ja riippumatonta toistoa.

Yksi esimerkki on tohtori John Brandenburgin APEC-propulsiokonferenssissa 31. elokuuta 2024 pitämä esitys «Gravitaation muokkauskokeen kuvaus ja tulokset».

Onko antigravitaatio mahdollista?

Tutkijan tausta ja väitteen näyttö

Antigravitaatiolla tarkoitetaan tässä ajatusta painovoiman kumoamisesta tai muuttamisesta laitteella. Vakiintunut fysiikka ei tarjoa esityksessä kuvattua toimivaa menetelmää.

John Brandenburgin tutkijatausta tekee hänen esityksestään kiinnostavan, mutta pätevyys ei yksin todista kokeen tulkintaa oikeaksi.

Hänen elämäkertansa mukaan hän on plasmafyysikko, joka on työskennellyt fuusiotutkimuksessa sekä yhteensä noin 9,5 vuotta laboratorioissa Lawrence Livermore National Laboratory ja Sandia Labs Albuquerquessa. Laboratoriokokemus ei merkitse, että nämä laitokset hyväksyisivät hänen antigravitaatioväitteensä.

Hän on osallistunut myös mikroaaltosähkötermisen MET-työntölaitteenkehitykseen. MET lämmittää ajoainetta mikroaalloilla ja tuottaa työntövoimaa purkautuvasta kaasusta tai plasmasta; se ei ole ajoaineeton laite.

Lähde: URA Thrusters

Tämä tausta erottaa tutkijan esimerkiksi nimettömästä verkkoväitteestä. Kokeen luotettavuus ratkaistaan silti menetelmillä ja toistettavalla näytöllä.

Gravity Electro-Magnetism eli GEM

Perusvoimat

Nykyfysiikassa erotetaan neljä perusvuorovaikutusta: vahva, heikko, sähkömagneettinen ja gravitaatio. Kahden ensimmäisen kantama on lyhyt, kun taas sähkömagnetismi ja gravitaatio ovat pitkän kantaman vuorovaikutuksia.

Lähde: ResearchGate

Brandenburgin GEM-hypoteesi pyrkii yhdistämään sähkömagnetismin ja gravitaation. Se ei ole vakiintunut teoria eikä sama asia kuin yleisen suhteellisuusteorian heikon kentän gravitoelektromagneettinen approksimaatio.

Perusvuorovaikutusten yhdistäminen on pitkäaikainen tutkimustavoite. Tunnettuja esimerkkejä ovat sähkön ja magnetismin yhdistäminen sähkömagnetismiksi 1800-luvulla  sekä sähköheikko teoria, joka yhdistää sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen. Teorian kehittäjiä palkittiin vuoden 1979 Nobelilla ja sen kvanttirakenteen selvittäjiä vuoden 1999 Nobelilla.

Gravitaation ja sähkömagneettisuuden yhdistäminen

GEM-hypoteesin matematiikka jää tämän artikkelin ulkopuolelle. Gravitaation ja sähkömagnetismin joillakin yhtälöillä on muodollisia yhtäläisyyksiä, mutta se ei yksin osoita voimien olevan sama ilmiö.

Esimerkiksi Newtonin gravitaatiovoima ja paikallaan olevien pistevarausten Coulombin voima heikkenevät etäisyyden neliön käänteislukuna, 1/r². Tämä tunnettu samankaltaisuus ei ole todiste gravitaation sähköisestä hallinnasta.

Lähde: Mr. Naga Physics

Yhtenäisteorioiden tutkiminen on perusteltua, mutta yksittäisen mallin on myös vastattava havaintoja ja tuotettava testattavia ennusteita.

Brandenburg on käsitellyt GEM-ajatusta jo aiemmissa julkaisuissa. Esityksessä mainitaan muun muassa seuraavat englanninkieliset työt:

• “The Problem of Weak and Strong Nuclear Forces and Prediction of the Higgs-Boson Mass using the GEM (Gravity Electro-Magnetism) Unification Theory” STAIF II, Albuquerque, NM February (2012).
• “A Derivation of the Newton Gravitation Constant and the Proton Mass From the GEM Unification Theory of Baryon-Genesis.” Journal of Cosmology Volume 17, 2011.
• “The Value of the Gravitation Constant and its Relation to Cosmic Electrodynamics,” IEEE Transactions On Plasma Science, Plasma Cosmology Issue Vol. 35, No. 4. p845.

Miksi se on kiistanalainen?

Mallin väitteet poikkeavat vakiintuneista gravitaatiokuvauksista. Niitä on siksi arvioitava suhteessa tarkkoihin kokeisiin ja olemassa olevaan näyttöön.

Brandenburgin tulkinnassa gravitaatiovakion G asema muuttuu. G:n muuttuminen ei kuitenkaan seuraa kokeellisesti vahvistettuna tuloksena tästä esityksestä.

Hän liittää malliin mahdollisuuden gravitaation muuttamiseen. Kvanttifysiikkaa ei voi kuvata teoriana, joka yksiselitteisesti kieltäisi kaiken negatiiviseen energiaan tai gravitaatioon liittyvän. Eri käsitteet ja mallien oletukset on erotettava toisistaan.

Toinen valtavirrasta poikkeava ehdotus on ranskalaisen plasmafyysikon Jean-Pierre Petit’n Janus-kosmologinen malli, jossa tarkastellaan muun muassa positiivista ja negatiivista massaa. Mallin kiistanalaisuus ei sellaisenaan osoita järjestelmällistä mustalle listalle joutumista eikä vahvista toista antigravitaatiohypoteesia.

Poikkeuksellisten väitteiden tueksi tarvitaan vahvaa, riippumattomasti toistettua näyttöä.

Onko antigravitaatiota mitattu?

Brandenburg kuvasi kokeen, jossa käytettiin muun muassa heliumpalloa, pienen sähkömoottorin ankkuria sekä ohuita johtimia ja lankoja.

Lähde: ResearchGate

Lähde: ResearchGate

Hän ilmoitti noin 150 milligramman massan painoa vastaavasta muutoksesta sähkövirran kytkemisen yhteydessä. Kahdeksan sekunnin magneettipulssiin liittynyt muutos kesti hänen mukaansa pidempään kuin kuuden sekunnin pulssissa. Painolukeman muutos ei yksin osoita massan vähenemistä tai gravitaation muuttumista.

Lähde: ResearchGate

Muu tutkimus

Brandenburg viittasi myös brasilialaisten tutkijoiden laserpainomittauksiin: Elio B. Porcelli ja Victo dos Santos Filho. Tutkijat ehdottivat sähkömagneettista selitystä. Julkaistu mittaustulos ei automaattisesti tarkoita, että antigravitaatio olisi osoitettu.

Toisessa yhteydessä on käsitelty sähköstaattisia työntölaitteita, joita on esitellyt NASA-taustainen sähköstaattisten ilmiöiden tutkija Charles Buhler.

Buhlerin ryhmä on väittänyt saavuttaneensa kasvavia voimia yksityisessä tutkimuksessaan. Vuoden 2016 kokeista on ilmoitettu hyvin pieniä arvoja ja myöhemmistä jopa painon kumoamiseen riittäviä voimia. Yksi g tarkoittaa kiihtyvyyttä noin 9,81 m/s², ei energiamäärää. Väitteitä ei pidä esittää NASA:n vahvistamana uutena propulsiomenetelmänä.

Aihetta verrataan joskus myös teoreettisiin «poimuajoihin» ja muihin valoa nopeamman liikkeen ehdotuksiin. Ne ovat eri tutkimuskysymyksiä eivätkä vahvista tässä kuvattuja painomittauksia.

Brandenburgin tulos oli esityksen perusteella vahvistamaton koe. Näennäisesti yksinkertainen laitteisto ei poista mittausten kontrolloinnin tarvetta.

Riippumattomissa kokeissa pitäisi sulkea pois esimerkiksi ilmavirtaukset, lämpötilamuutokset, sähköstaattiset ja magneettiset voimat sekä mittalaitteen häiriöt ennen johtopäätöksiä gravitaatiosta.

Voiko tieteellinen käsitys muuttua?

Tieteelliset teoriat muuttuvat, kun uusi näyttö sitä edellyttää. Skeptisyys poikkeavaa mittausta kohtaan on osa tulosten tarkistamista.

Galileon kaltaiset historialliset esimerkit muistuttavat siitä, että vallitsevat käsitykset voivat muuttua. Ne eivät kuitenkaan osoita, että jokainen nykyinen valtavirrasta poikkeava ehdotus olisi oikea.

Tieteen historiasta mainitaan usein myös seuraavat tapaukset:

• Albert Michelsonsai Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1907 tarkkuusmittauksistaan. Hänen vuoden 1894 puheeseensa liitetään näkemys, jonka mukaansuuria periaatteita tunnettiin jo ja tuleva työ voisi painottua yhä tarkempiin mittauksiin. Michelsonin ja Morleyn koe oli tärkeä eetterihypoteesien arvioinnissa, mutta historia on yksittäistä iskusanaa monimutkaisempi.
  • Suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka muuttivat myöhemmin fysiikkaa perusteellisesti.
• Myös lordi Kelvinin ilmailua koskevia epäilyjä lainataan usein. Häneen liitetty lausuma kuuluu suomennettuna: «Ilmapallo, lentokone tai liitokone eivät tule olemaan käytännöllisiä menestyksiä».
  • Historiallisten lausumien ajoitus, sanamuoto ja asiayhteys on tarkistettava; niitä ei tule käyttää kokeellisen näytön korvikkeena.
• Samoin Einsteinin suhtautuminen kvanttiteorian tulkintaanoli kriittinen, mutta hän itse teki ratkaisevia kvanttifysiikan löytöjä. Noppavertaus koski sattuman asemaa teoriassa, ei koko kvanttifysiikan hylkäämistä.

Myös gravitaatiohypoteesien tulevaisuus ratkaistaan havaintojen ja kokeiden perusteella, ei historiallisten rinnastusten avulla.

Muita vaihtoehtoisia propulsiomenetelmiä

Tunnettuun fysiikkaan perustuvia vaihtoehtoja voidaan arvioida erillään vahvistamattomasta antigravitaatiosta. Niillä on omat tekniset, taloudelliset ja turvallisuuteen liittyvät haasteensa.

Orion-hanke

1950-luvun lopulla aloitettu Orion tutki ydinpulssipropulsiota.

Ajatuksena oli käyttää aluksen takana tapahtuvia ydinräjähdyksiä työntämään suojattua työntölevyä. Suuret alustavat laskelmat käsittelivät jopa tähtienvälisiä tehtäviä, mutta toimivaa avaruusalusta ei rakennettu.

Lähde: NASA

Ydinräjähdysten suuri energiamäärä voisi periaatteessa tarjota korkean suorituskyvyn. Menetelmää ei kuitenkaan voi kutsua kaikkien aikojen tehokkaimmaksi rakennetuksi propulsiojärjestelmäksi, koska sitä ei toteutettu.

Hankkeen toteutumista vaikeuttivat muun muassa kustannukset, tekniset riskit ja vuoden 1963 osittainen ydinkoekieltosopimus, joka kielsi ydinräjähdykset myös ulkoavaruudessa.

Ydinlämpöpropulsio

Toinen tapa hyödyntää ydinenergiaa on ydinlämpöpropulsio.

Siinä reaktori lämmittää ajoainetta, tavallisesti vetyä, joka purkautuu suuttimesta. Ajoaineen ei tarvitse muuttua plasmaksi.

Suuri suihkun nopeus voi vähentää tarvittavaa ajoainemäärää tietylle nopeudenmuutokselle. Työntövoima riippuu myös massavirrasta, joten suurempi nopeus ei yksin takaa suurempaa työntövoimaa.

NASA on tutkinut menetelmää tulevia Kuu- ja Mars-tehtäviä varten . Vuonna 2021 se myönsi kullekin kolmesta ryhmästä noin viiden miljoonan dollarin sopimuksen: BWX Technologies (BWXT ), General Atomics ja Ultra Safe Nuclear Technologies kehittivät reaktorikonsepteja.

Sähköinen propulsio puolestaan voi kiihdyttää ioneja sähkökentällä tai käyttää Hall-työntölaitteita. Näitä menetelmiä käytetään jo avaruudessa. Nekin kuluttavat ajoainetta, vaikka energiantuotanto on erillinen.

Laser- ja aurinkopurjeet

Valo kuljettaa liikemäärää ja voi työntää purjetta ilman mukana kuljetettavaa ajoainetta.

Aurinkopurjeita on jo kokeiltu . Ne tuottavat pienen mutta jatkuvan voiman sopivissa olosuhteissa.

Voimakas ulkoinen lasersäde voisi myös kiihdyttää purjetta. Tämä vaatisi huomattavaa tehoa, tarkkaa kohdistusta ja sopivia materiaaleja. Yhtäjaksoinen kiihdytys koko matkan ajan ei ole automaattisesti mahdollista.

Tällaisten laserlaitteistojen energialähteeksi on ehdotettu esimerkiksi suuria aurinkovoimaloita avaruudessa.

Avaruusaurinkovoima voisi liittyä myös energiansiirtoon Maahan, mutta tuotanto ja siirto eivät ole rajattomia. Käsittelimme aihetta artikkelissa «Avaruusenergia: mahdollisuuksia puhtaan energian tuotantoon».

Pulssifuusio

Fuusiopropulsiossa pyritään hyödyntämään kevyiden atomiydinten yhdistymistä. Se eroaa nykyisten ydinvoimaloiden fissioon perustuvasta toiminnasta.

Fuusiokokeissa on saavutettu muun muassa kohteeseen syötettyä energiaa suurempi fuusioenergian tuotto. Tämä ei vielä tarkoita koko laitoksen sähköistä nettotuottoa tai kaupallista voimalaitosta. Lisätietoja artikkelissa «Ydinfuusio: puhtaan energian mahdollisuudet».

Voimalaitoksessa keskeisiä haasteita ovat riittävä energiantuotto, toistuvuus tai jatkuva toiminta sekä lämmön hyödyntäminen.

Propulsiolaitteen ei välttämättä tarvitse olla itsenäisesti sähköä tuottava voimala. Koko järjestelmän on kuitenkin tarjottava käyttökelpoinen suorituskyky energiantuotanto, massa ja häviöt huomioiden.

Ulkoinen sähkö tai muu energialähde voisi tukea toimintaa, mutta negatiivinen energiatasapaino ei yksin tee fuusiosta kilpailukykyistä työntömenetelmää.

Helicity Space kehittää pulssitettuun fuusioon perustuvaa propulsiokonseptia. Se oli kehityshanke, ei valmis tai avaruudessa osoitettu fuusiomoottori.

«Helicityn työ voisi mahdollistaa ihmiskunnan laajan pääsyn koko aurinkokuntaan ja ehkä jopa tehtäviä lähimmille tähdille.» Tämä on hanketta tukeva tulevaisuuden arvio.

— Pete Worden, tohtori ja NASA Ames Research Centerin entinen johtaja

Lähde: Helicity

Sijoittaminen avaruusalaan

Avaruusala on vakiintunut toimiala, jossa uudelleenkäytettävät raketit voivat avata uusia mahdollisuuksia. Käsittelimme aihetta artikkelissa «Uudelleenkäytettävät raketit voivat luoda uusia markkinoita alentamalla kustannuksia».

Artikkelissa mainittu 443 miljardin dollarin markkina-arvio oli historiallinen arvio. Avaruustalouden koko vaihtelee laskentavuoden ja mukaan otettujen toimintojen mukaan. Avaruusmatkailuun, yliäänilentämiseen ja muihin uusiin palveluihin on liitetty jopa 350 miljardin dollarin lisätuloennusteita. Ne eivät olleet toteutuneita tuloja. Lisäksi esitettiin 17 miljardin dollarin ennuste satelliitti-internetin markkinoista. Sotilaalliset palvelut, tutkimus ja julkisesti rahoitetut Kuu-hankkeet muodostavat muita osa-alueita. Ennusteilla on erilaiset rajaukset ja aikajänteet.

Avaruusalan yrityksiin voi sijoittaa monien välittäjien kautta. Sivustoltamme löytyy välittäjäoppaita seuraaville maille: Yhdysvallat, Kanada, Australia, Yhdistynyt kuningaskuntasekä muut maat.

Yksittäisten yhtiöiden sijaan voi tutustua artikkelimme «Viisi ilmailu- ja avaruusalan ETF:ää» rahastoihin, kuten ARK Space Exploration & Innovation ETF (ARKX) tai VanEck Space Innovators UCITS ETF (JEDI) . Rahastojen strategiat, omistukset, kulut ja saatavuus vaihtelevat.

Lisää aiheesta artikkeleissa «Tulevaisuuden avaruustalous», «Avaruusinfrastruktuuri: yhteyksiä kohti avaruutta» ja «Avaruusenergia: mahdollisuuksia puhtaan energian tuotantoon».

Propulsioteknologiaan liittyvä yhtiö

Useat fuusioalan kasvuyritykset ovat yksityisiä. Yksi alan hankkeisiin osallistunut pörssiyhtiö on Lockheed Martin Corporation (LMT ), suuri puolustus- ja ilmailualan toimija.

Lockheed Martin tutki 2010-luvulta alkaen Compact Fusion -konseptia. Sen alkuperäiset kaupallistamistavoitteet eivät toteutuneet. Hankkeen päättymisestä vuonna 2021 on raportoitu; sitä ei pidä kuvata 2020-luvulla käyttöön tulevaksi valmiiksi reaktoriksi.

Julkinen tieto projektin myöhemmistä tuloksista ja lopettamisen perusteista on rajallista.

Erillinen myöhempi askel oli Lockheed Martin Venturesin vuonna 2024 tekemä sijoitus Helicity Spaceen. Helicity tutkii plasman muodostusta, yhdistämistä ja puristusta pulssitettua fuusiopropulsiota varten.

Lähde: Helicity

Sijoitus ei osoita, että Lockheedin aiempi reaktorihanke olisi onnistunut tai siirtynyt sellaisenaan Helicityn käyttöön.

Pulssitettua fuusiota tutkitaan erilaiseen tehtävään kuin verkkosähkön tuotantoa. Käyttökelpoinen moottori vaatii silti merkittäviä teknisiä näyttöjä, eikä sijoitus takaa tuotteen valmistumista.

Lockheed Martin on toimittanut avaruusaluksia ja laitteistoja moniin planeettatehtäviin. Yhtiön esittämä yli 300 hyötykuorman luku kuvaa historiallista toimituskertymää.

Sen avaruus- ja puolustushankkeisiin kuuluivat muun muassa:

• Orion -avaruusalus, joka liittyy Artemis-ohjelman Kuu-tehtäviin. Sitä ei pidä sekoittaa vanhaan Orion-ydinpulssihankkeeseen.
• GOES-R-sääsatelliittisarja.
• GPS-satelliittijärjestelmän uudistaminen.
• Next Generation Interceptor (NGI) -ohjustorjuntahanke.
• Kehitteillä olevat hypersooniset ohjukset.

Lockheed Martin kehittää myös F-35-hävittäjää yhdessä Northrop Grummanin (NOC ) ja BAE Systemsin (BSP.DE ) kanssa. Ohjelmaan on liittynyt kustannus-, toimitus- ja ohjelmistohaasteita, eikä suurta tuotantomäärää voi tulkita kaikkien ongelmien ratkeamiseksi. Artikkelin lähteen mukaan kysyntä ylitti tuotannon.

Vuoden 2023 ensimmäisen neljänneksen historialliset luvut olivat noin 6,2 miljardia dollaria Aeronautics-segmentille, 2,3 miljardia Missiles and Fire Controlille, 3,5 miljardia Rotary and Mission Systemsille sekä 2,9 miljardia Space-segmentille. Missiles and Fire Controlin tuotteisiin kuuluu HIMARS. Koko konsernin liikevaihto oli noin 15,1 miljardia dollaria. Rotary and Mission Systems ei tarkoita pelkästään helikopteritoimintaa.

Yhtiö toimii myös kyberpuolustuksessa ja merivoimien järjestelmissä, kutenAEGIS-taistelunjohtojärjestelmässä sekä pitkän kantaman meritorjuntaohjuksissa.