Сотрудник Центра космических полетов имени Маршалла NASA Дэвид Бёрнс (David Burns) предложил концептуальную схему двигателя для космических путешествий, который не использует реактивную тягу и должен приводить к нарушению закона сохранения импульса. Принцип работы заключается в использовании релятивистской поправки к импульсу быстро движущегося тела, говорится в презентации, размещенной на сервере NASA для технических отчетов.

Все используемые сегодня в космической индустрии двигатели являются реактивными — они ускоряются за счет выбрасывания струи вещества в противоположную от направления движения сторону. Обычно применяются химические двигатели, в которых выбрасываются продукты реакции топлива и окислителя. Также используются ионные двигатели, в которых тягу создают ускоренные в электромагнитных полях ионы, но их тяга невелика.

Несколько лет назад активно обсуждался «невозможный» двигатель EmDrive. Его основными компонентами были медный резонатор в виде усеченного конуса и источник микроволнового излучения — магнетрон. По утверждениям создателей, несимметричная форма резонатора приводила к установлению внутри специфических электромагнитных колебаний, которые оказывали на широкое основание чуть большее давление, чем на узкое, в результате чего возникала тяга. На данный момент окончательного решения по поводу работоспособности установки нет, но в большинстве исследований не удалось обнаружить заявленного эффекта.

Дэвид Бёрнс опубликовал схему совсем иного двигателя, функционирование которого с точки зрения закона сохранения импульса также спорно. Принцип работы заключается в использовании релятивистской поправки к импульсу при движении с околосветовой скоростью, которая должна позволять телу внутри двигателя периодически оказывать различающееся давление на противоположные стенки.

Принцип работы нового двигателя можно понять из классического аналога — грузика внутри коробки. Если грузик без трения движется внутри полости и отражается от ее стенок, то он периодически отдает им импульс. Однако законы механики Ньютона запрещают при этом двигаться центру масс системы — если смотреть снаружи, то коробка будет совершать колебательные движения около положения равновесия.

Однако если представить ситуацию, что свойства грузика меняются в зависимости от направления движения, то он сможет оказывать на противоположные стенки разное воздействие, которое будет со временем суммироваться и постепенно ускорять всю систему. В классической физике такое явление невозможно, но Бёрнс предлагает обойти это ограничение за счет эффектов Специальной теории относительности.

Согласной этой теории, импульс тела равен не только произведению массы на скорость, также необходимо умножить эту величину на гамма-фактор, который при небольших скоростях очень близок к единице, но при стремлении к скорости света возрастает. Согласно концепции, грузик должен быть заменен на кольцо из ионов, которые надо ускорять при движении всего пучка в одном направлении и замедлять в противном случае. При этом установка становится похожа на ускоритель частиц с магнитным полем, из-за чего траектории частиц примут спиральный вид. Это обстоятельство легло в основу авторского названия «спиральный двигатель» (Helical Engine).

Для оценки тяги двигателя Бёрнс приводит результаты моделирования для конкретных параметров. В этом примере длина полости составляет 120 метров, малый радиус, на котором вращаются ионы после замедления, — примерно 3,2 метра, а большой — 3,5 метра. В симуляции использовались альфа-частицы (ядра гелия), скорость которых менялась от 99 до 99,05 процентов скорости света, что соответствует гамма-факторам 7,09 и 7,26. Всего в пучке было примерно 1,6 × 10¹² частиц, а магнитное поле составляло от 13,16 до 13,79 тесла. В результате работы такого двигателя по утверждению Бёрнса получается суммарная тяга около одного ньютона при суммарном энергопотреблении в 165 мегаватт.

В заключении автор пишет, что его идея фактически представляет собой запуск в космос синхротрона, потребляющего мегаватты энергии для генерации крошечной тяги, что не является достаточным обоснованием для постройки. Однако потенциально система обладает чрезвычайно высоким удельным импульсом, что теоретически позволяет ей ускоряться почти до скорости света. При этом вопрос с законом сохранения импульса Бёрнс оставляет без ответа: он предполагает, что он может уноситься в виде излучения, но окончательной ясности нет.