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Text File  |  1996-08-16  |  6KB  |  108 lines

  1.  
  2.              The Cosmic Background Radiation Space Drive
  3.                            A Physics Puzzle
  4.  
  5.                 by John Walker -- kelvin@fourmilab.ch
  6.                         February 23rd, 1994
  7.  
  8. Here's  a  puzzle  I  first  thought of in the mid-80's, which I don't
  9. recall having seen discussed.  Included is my (non-rigorous) solution,
  10. as well as another proposed solution that contains a nasty booby trap.
  11.  
  12. Cosmic Background Radiation Space Drive
  13. ---------------------------------------
  14.  
  15. Define  the  laboratory  frame to be at rest with regard to the cosmic
  16. background radiation (CBR) (e.g.  no  dipole  temperature  component).
  17. Now  imagine  a  spaceship in motion relative to the laboratory frame,
  18. its nosecone pointed in the direction of motion.  An observer  on  the
  19. spaceship measuring the cosmic background will see a dipole variation,
  20. with maximum blueshift in the direction  of  travel  relative  to  the
  21. laboratory frame and maximum redshift in the opposite direction.
  22.  
  23. Thus,  at  the  ship's  nose  we  measure a higher temperature (due to
  24. blueshift) than we do at the ship's tail, where the CBR is redshifted.
  25. Given  the temperature difference, can we not extract work with a heat
  26. engine, using a collector at the ship's nose as the  high  temperature
  27. heat  source  and a radiator at the ship's tail as the low temperature
  28. heat sink?
  29.  
  30. The work extracted by  the  heat  engine  can  then  be  converted  to
  31. electricity  which,  connected  to  a flashlight mounted in the ship's
  32. tail, accelerates the  ship,  as  its  momentum  must  increase  in  a
  33. direction opposite that carried away by the photons ejected.
  34.  
  35. As  the  ship  is  accelerated  by the photon drive, the blueshift and
  36. redshift increase as velocity  does,  and  so  consequently  does  the
  37. temperature  difference  between  the  source and sink, increasing the
  38. amount of work extracted by the heat  engine  and  the  power  of  the
  39. photon drive.
  40.  
  41. Why is this not a "free energy star drive"?
  42.  
  43. Why It Doesn't Work
  44. -------------------
  45.  
  46. It  can't work.  It might seem fine from the standpoint of an engineer
  47. on the ship, who simply observes different temperatures fore  and  aft
  48. and hooks up an engine between them, but from the laboratory frame the
  49. ship appears to  be  committing  a  serious  moving  violation.   It's
  50. gaining  energy  (whether  kinetic  energy  resulting  from the photon
  51. drive, or just by charging a capacitor with the electricity  generated
  52. from  the  heat engine), doing so by pumping energy from a source to a
  53. sink at the same (laboratory frame)  temperature.   Bzzzt--second  law
  54. violation!  So what have we overlooked?
  55.  
  56. Hypothesis 1: Radiation pressure drag.
  57.     (This  is what I think is happening.) The fallacy lies in assuming
  58.     the ship is moving inertially through empty space.  The ship is in
  59.     fact  traversing  a  diffuse photon gas (the CBR), which creates a
  60.     drag force counter to the direction of motion.  An object at  rest
  61.     with  respect to the CBR feels no net force, since photons impinge
  62.     upon it with the same  energy  from  all  directions.   An  object
  63.     moving  with  respect  to  the  CBR  feels  an increased radiation
  64.     pressure from the blueshifted photons coming from the direction of
  65.     motion,   and   decreased   radiation  pressure  in  the  opposite
  66.     direction, resulting in a  net  force  opposite  to  the  velocity
  67.     vector.   This  CBR  drag decelerates the ship.  Using the Doppler
  68.     shift temperature difference to extract work and propel  the  ship
  69.     cannot  accelerate  the  ship  or even fully counter the CBR drag,
  70.     since no heat engine can be 100% efficient.  The problem  is  thus
  71.     equivalent  to a perpetual motion airplane which uses the relative
  72.     wind to drive a windmill which drives a pusher propeller.
  73.  
  74. Hypothesis 2: Not a cycle.
  75.     This can be argued entirely from the  ship  frame.   There  is  no
  76.     violation of the second law since no closed cycle exists, any more
  77.     than exploiting geothermal  energy  resulting  from  gravitational
  78.     contraction,  or driving a turbine from a pressurised reservoir of
  79.     gas.  The ship's heat engine is pumping heat from a hot source  to
  80.     a cold sink and, in doing so equalising the temperature difference
  81.     between them.  When the the source and  sink  temperatures  become
  82.     equal,  the  engine  will  stop.  Fortunately a half-universe is a
  83.     pretty big heat source and sink, so there's no near-term  risk  of
  84.     running out.
  85.  
  86.     Seems  reasonable, doesn't it?  But if this argument were correct,
  87.     consider what we'd observe from the laboratory frame.  As  before,
  88.     the ship would be accelerating while creating an anisotropy in the
  89.     CBR from which an observer in the laboratory frame  could  extract
  90.     work.   Two  ships  accelerating in opposite directions could then
  91.     cancel the effect on the CBR while both continuing to accelerate.
  92.  
  93. Consequences
  94. ------------
  95.  
  96. I thought of this puzzle in 1985 while musing about the fact that  the
  97. universe  could  be  said to possess a preferred rest frame defined by
  98. the CBR, and thinking through what consequences that might have on the
  99. general assumption that all inertial frames are equivalent.  I thought
  100. it was really cool to encounter a  puzzling  interaction  between  the
  101. Doppler effect and the second law of thermodynamics.
  102.  
  103. It's  also amusing to note that the phenomenon of CBR drag would argue
  104. for highly-streamlined ultrarelativistic  spaceships  which  minimised
  105. frontal  area  subject  to blueshifted radiation pressure.  Thus pokey
  106. interstellar  transports  may  look   like   flying   junkyards,   but
  107. intergalactic fighters will be sleek enough even for Hollywood.
  108.