Konzepte zur Gewinnung von Energie aus dem Quantenvakuum

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06. April 2010
Defense Intelligence Agency
Defense Intelligence Reference Document
DIA-08-1004-007
Eric W. Davis
Concepts for Extracting Energy From the Quantum Vacuum

I. Zusammenfassung

Die Quantentheorie besagt, dass das Vakuum des Raums im gesamten Universum von elektromagnetischen Wellen erfüllt ist, deren Frequenz und Amplitude dem Zufall unterliegen, deren Ausbreitung in alle nur möglichen Richtungen erfolgt und deren Frequenzverteilung kubisch angelegt ist. Darin besteht sein Unterschied zur kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung und von daher wird es als elektromagnetisches Quantenvakuum bezeichnet, das den niedrigsten Energiezustand darstellt, den der ansonsten leere Raum aufweisen kann. Integriert über alle Frequenzen bis hin zur Planck-Frequenz, [math]\nu_\rho[/math](~ 10⁴³ Hertz [Hz]), ergibt sich eine Energiedichte von bis zu 10¹¹³ J/m³, die jede andere bekannte Energiequelle bei weitem übertrifft, auch wenn davon nur ein verschwindend kleiner Teil erschlossen werden kann. Selbst wenn man sich darauf beschränkt, die Integration aller Frequenzmoden lediglich bis zur Compton-Frequenz des Nukleons (~ 10²³ Hz)[a] vorzunehmen, ergibt sich immer noch eine enorme Energiedichte (~ 10³⁵ J/m³). Darüber hinaus kommt das elektromagnetische Quantenvakuum nicht allein daher; es befindet sich in einer engen Wechselwirkung mit den geladenen Teilchen des Dirac-Sees aus virtuellen Teilchen-Antiteilchen-Paaren von Fermionen (auch bekannt als Dirac-Vakuum) und steht damit in Beziehung zu den anderen Wechselwirkungen des Standardmodells (Vakua der schwachen und der starken Kraft). Im Standardmodell der Teilchenphysik handelt es sich beim Vakuum der schwachen Kraft jedoch im Wesentlichen um das elektromagnetische Vakuum, denn Photonen stellen die masselosen Eigenzustände der (vereinheitlichten) elektroschwachen Theorie mit einer "effektiven" Kopplungskonstante dar, die in der Tat elektromagnetischer Natur ist.[b] Und in dieser Untersuchung können wir jegliche Kopplung des quantenelektromagnetischen Vakuums mit dem quantenchromodynamischen Vakuum getrost ignorieren, da Letzteres in zwei Phasen koexistiert: (1) das gewöhnliche Vakuum außerhalb des Hadrons, das für die Quarkfarbe undurchdringlich ist, und (2) das Vakuum im Inneren des Hadrons[c], in dem sich die farbtragenden Yang-Mills-Felder (Gluonen) frei ausbreiten. Beide Vakuumphasen sind durch eine Grenze an der Oberfläche des Hadrons voneinander abgegrenzt, an der die Yang-Mills- und Quark-Felder Grenzbedingungen erfüllen.

[a] Jene charakteristische Frequenz, die an die Größe der Nukleonen gebunden ist.

[b] Bei der Kopplungskonstante der schwachen Kraft handelt es sich lediglich um die quantenelektrodynamische/elektromagnetische Kopplungskonstante (d. h. die Feinstrukturkonstante α), die durch ein einfaches umgekehrt quadratisches Verhältnis zwischen der Masse des virtuellen Teilchens der schwachen Kraft und der Protonenmasse „aufgehoben“ wird (ein Faktor von 10^-4).

[c] Unter Hadronen versteht man die Klasse der stark wechselwirkenden Elementarteilchen, die einen gebundenen Zustand von Quarks darstellen. Diese Klasse von Teilchen hat zwei Unterklassen: Baryonen (z. B. Protonen und Neutronen, die aus drei Quarks bestehen) und Mesonen (die aus zwei Quarks bestehen).

Obwohl diese Energie des Nullpunktsfeldes (ZPF) eine unausweichliche Konsequenz der Quantenfeldtheorie zu sein scheint, ist ihre Energiedichte so enorm, dass dies nur schwer zu vermitteln ist. Stattdessen wird die Energie des ZPF bei vielen Quantenberechnungen ad hoc abgezogen (z. B. durch Renormierung). Allerdings werden Effekte der ZPF des Quantenvakuums beobachtet, die für eine Vielzahl bekannter physikalischer Effekte verantwortlich sind, wie etwa:

• die Lamb-Verschiebung,
• die spontane nukleare Emission,
• die Van-der-Waals-Kräfte bei niedrigen Temperaturen,
• der Casimir-Effekt,
• die Ursache des Photonenschrots sowie des Rauschens des fluktuierenden Strahlungsdrucks bei Lasern.
• die durch die Astronomie ermittelte kosmologische Konstante (auch bekannt als Dunkle Energie, bei der es sich gemäß dem Schwinger-DeWitt-Quantenäther-Verfahren um eine Form der Casimir-Energie handelt [Referenzen 1 bis 4]).

Anstatt die Energie des ZPF aus den Gleichungen zu eliminieren, sollte man vielmehr die Möglichkeit untersuchen, dass es sich hierbei um reale Energie handelt. Aus dieser Perspektive betrachtet, gleicht die herkömmliche Welt der Materie und der Energie eher der Gischt auf dem Meer des Quantenvakuums. Denn sollte es sich beim ZPF um reale Energie handeln, dann bestünde auch die Möglichkeit, dass diese als Energiequelle erschlossen und als Antriebsenergie in der Raumfahrt genutzt werden kann. Diese Vorstellung eines Energieaustausches mit dem Quantenvakuum steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit.

Ein Flugzeugpropeller oder auch ein Strahltriebwerk können die Luft nach hinten stoßen, um das Flugzeug auf diese Weise vorwärts zu bewegen. Ein Schiffs- oder Bootspropeller bewirkt dasselbe im Wasser. Auf der Erde gibt es Luft und Wasser, gegen die man sich abstoßen kann. Einer Rakete steht im Weltraum jedoch kein materielles Medium zur Verfügung, gegen das sie sich abstoßen kann, so dass sie Treibstoff mitführen und ausstoßen muss, um so einen Impuls zu erzeugen. Eine Weltraumrakete muss also mit all dem Treibstoff gestartet werden, den sie jemals verbrauchen wird – und das führt wiederum dazu, dass zusätzlicher Treibstoff mitgeführt werden muss, nur um den Treibstoff anzutreiben. Der angestrebte Durchbruch in der Raumfahrt besteht deshalb darin, überhaupt keinen Treibstoff mehr mitführen zu müssen, also eine Antriebskraft zu erzeugen, ohne dass Treibstoff mitgeführt und ausgestoßen werden muss.