27 December 2019

Мегаструктуры будущего: сфера Дайсона, звёздный двигатель и «бомба из чёрной дыры»

Mail.ru Group corporate blogPopular scienceAstronauticsScience fiction


Некоторые футурологи и фантасты, далёкие от физиологии, любят помечтать о том, что в будущем у людей будет вооооот такой большой мозг. Но есть одна проблемка: человеческий мозг — главный потребитель энергии в организме. И при его сегодняшнем размере он уже требует ого-го сколько. Так что у наших потомков не будет большущих мозгов, они их просто не прокормят. Аналогичная проблема встаёт и перед любой цивилизацией, достигшей определённого уровня технического развития. Дальнейший прогресс требует всё больше энергии, а имеющиеся источники либо с трудом покрывают потребности, либо вообще не в состоянии дать нужное количество ватт — даже атомная энергетика, а в перспективе и термоядерная. К тому же принято считать, что всем цивилизациям свойственно расширять своё жизненное пространство, а значит и энергия им понадобится не только на домашней планете.

Какие источники энергии могут быть у цивилизаций, стоящих на гораздо более высокой ступени развития, чем мы? Под катом — описание трёх интересных концепций: сфера Дайсона, звёздный двигатель и «бомба из чёрной дыры».

Сфера Дайсона


Начнём с самой известной — и самой утопичной амбициозной — концепции из этой тройки.

Идея в том, чтобы использовать в качестве источника энергии саму звезду. К примеру, наше Солнце (жёлтый карлик) излучает 3,828⋅1026 Вт энергии. Это эквивалентно 4,74⋅1018 взрывов боеголовок по 250 Кт каждая. Овердофига.

В 1937-м был опубликован научно-фантастический роман «Создатель звёзд» Олафа Стэплдона, из которого физик-теоретик Фримен Дайсон почерпнул и популяризировал идею мегаструктуры — сферы, полностью закрывающей звезду на расстоянии планетной орбиты, чтобы поглощать и использовать всю излучаемую энергию. Это с лихвой покрыло бы потребности мощнейшей цивилизации с многотриллионным населением.



Впрочем, у идеи сферы Дайсона было и есть немало критиков, которые приводят справедливые аргументы в пользу технической нереализуемости и логической и социальной бессмысленности такой мегаструктуры.

Во-первых, для создания такой структуры придётся извести на стройматериалы целую планету.

Во-вторых, строительство сферы предполагает создание огромных производственных мощностей и средств доставки, не говоря уже об источниках энергии для этого.

В-третьих, любая жёсткая структура (сферическая, кубическая, какая угодно) будет неизбежно разрушена многочисленными астероидами и кометами либо центростремительным ускорением — сфера Дайсона должна вращаться, чтобы компенсировать гравитационное притяжение звезды.

В качестве альтернативы единой жёсткой мегаструктуре можно использовать рой из квадриллионов дешёвых спутников с зеркалами, отражающими солнечный свет на приёмники-коллекторы, которые будут преобразовывать его в электричество. Возможно, КПД системы будет не столь высоким, как у монолитной конструкции, но и инженерная сложность создания роя на много порядков ниже. Скажем, богатый минералами и металлами Меркурий можно превратить в источник материалов, благо низкая гравитация, очень разреженная атмосфера и близость к Солнцу делают его идеальным летающим месторождением. Сборку спутников-зеркал можно организовать в космосе, отправляя их на орбиты по мере готовности.



Где взять энергию для таких колоссальных объёмов добычи и производства? Выход только один: использовать всю ту же энергию Солнца, благо на Меркурии её немало. Процесс добычи, переработки и производства нужно максимально автоматизировать. Первые спутники можно пускать на орбиту вокруг Меркурия, чтобы они увеличивали выработку энергии и помогали наращивать производительность.

Даже если удастся с помощью такого роя спутников-зеркал собирать хотя бы 1 % излучаемой энергии Солнца, этого количества нам хватит не просто для того, чтобы прекратить транжирить ископаемые материалы для производства энергии, а позволит реализовать проекты, по масштабу превосходящие сам рой — к примеру, создание межзвёздного транспорта.

Бомба из чёрной дыры


Чёрные дыры можно по праву назвать крупнейшими аккумуляторами энергии во Вселенной. Правда, сегодня достать эту энергию невозможно, поскольку чёрная дыра не просто аккумулятор, а пылесос, поглощающий всё вокруг. И всё же существует идея создания мегасооружения, которая, в теории, позволит извлекать из чёрной дыры гигантские объёмы энергии. Нюанс в том, что из-за этого мегасооружения ЧД превращается в бомбу колоссальной мощности, которая может взорваться при ошибке.

Некоторые чёрные дыры не статичны, а вращаются вокруг своей оси. Какие-то даже с частотой в миллионы оборотов в секунду. Современная физика гласит, что в центре любой чёрной дыры находится гравитационная сингулярность — бесконечно малая точка с нулевой поверхностью, в которой сконцентрирована вся масса объекта.



В случае вращающейся чёрной дыры сингулярность тоже вращается — вместо точечной сингулярности мы говорим о кольцеобразной сингулярности, с нулевой толщиной и площадью поверхности.

Гравитационное поле чёрной звезды так велико, что искажает окружающее пространство-время, а вращение создаёт дополнительные возмущения. Возникает так называемая эргосфера — эллиптическая область вокруг чёрной дыры между горизонтом событий и пределом статичности. Все объекты, попадающие внутрь эргосферы, начинают неизбежно вращаться вместе с чёрной дырой. Кроме того, внутри эргосферы уже возникают частичные искажения пространства-времени.



С помощью вращения чёрная дыра передаёт свою кинетическую энергию всем объектам, попадающим в эргосферу. И именно на этом основана идея извлечения энергии, объём которой может на много порядков превышать объёмы, снимаемые со звезды роем спутников-зеркал.

Динамические процессы внутри эргосферы можно представить в виде водоворота, возникающего вокруг сливного отверстия. Вращение эргосферы приводит и к вращению магнитосферы вокруг чёрной дыры. Поэтому любой объект или частица, попав в эргосферу, получат большое ускорение. И оно может быть так велико, что поможет… вылететь из эргосферы, причём с гораздо большей кинетической энергией, чем при попадании внутрь. Своеобразный эффект пращи.

Представим, что какая-нибудь высокоразвитая цивилизация нашла быстровращающуюся чёрную дыру и построила вокруг неё сферическую оболочку из зеркал, обращённых внутрь. Оболочку сплошную, как каноническая сфера Дайсона. Благо, чёрные дыры намного меньше звёзд, так что и оболочку построить несравненно проще. Теперь открываем в ней отверстие и запускаем внутрь пучок электромагнитных волн. Эти волны получают с помощью эргосферы ускорение и вылетают наружу, отражаются от зеркала, возвращаются в эргосферу, ещё больше ускоряются, опять вылетают, отражаются, возвращаются, ускоряются, и т. д. (какая-то часть волн будет потеряна из-за падения на горизонт событий). Каждое попадание излучения в эргосферу приводит его экспоненциальному усилению. Это так называемый эффект рассеивания с помощью сверхизлучения, впервые предсказанный советским физиком Яковом Зельдовичем.

Если в какой-то момент открыть часть оболочки вокруг чёрной звезды, то мы сразу получим мощнейший исходящий пучок энергии. Закинули внутрь порцию энергии, а обратно получили во много раз больше. Тем, кто вспомнит про незыблемый закон сохранения энергии и перпетуум мобиле, сразу ответим, что никакого чуда тут нет: усиление волн в эргосфере приводит к замедлению вращения чёрной дыры.

Теоретически, такая мегаструктура способна стать для своих создателей практически неиссякаемым источником энергии.

А при чём тут бомба?

Если вовремя не выпустить энергию из оболочки, та рано или поздно взорвётся. Сверхмассивная чёрная дыра может исторгнуть из себя столько энергии, сколько выделяется при взрыве сверхновой.

Звёздный двигатель


Звёзды не стоят на месте, они вращаются вокруг центров своих галактик, по пути испытывая гравитационное воздействие друг друга. И хотя мы этого не замечаем, звёзды вместе со своими планетами мчатся в пустоте с гигантскими скоростями, за секунду пролетая тысячи километров.



Путешествуя вокруг центра галактики, звёздные системы могут попадать в неприятности. Например, пролететь неподалёку от взорвавшейся сверхновой. Или пересечь зоны, наполненные астероидами. Или вообще попасть в гравитационный плен какой-нибудь крупной звезды. Впрочем, даже если астрономы смогут спрогнозировать неприятную встречу, которая произойдёт через миллион лет, то что нам делать?

Любой здравомыслящий человек скажет: «Выкинуть чушь из головы и наслаждаться своей коротенькой жизнью». Вполне справедливо, ведь никто не знает, что будет с человечеством через миллион лет, и мы-то уж точно ничего не можем поделать с движением нашей звезды.

Однако если мы станем гораздо более развитой цивилизацией — способной построить нечто, сравнимое со сферой Дайсона, — то наши потомки вполне могут отнестись к этому иначе. Например, захотят изменить траекторию движения Солнечной системы, чтобы направить её по более благоприятному маршруту. То есть построят звёздный двигатель, который за счёт излучаемой звездой энергии скорректирует вектор её полёта.

Самый простой вариант — двигатель Шкадова. По сути, это параболический солнечный парус, построенный рядом с Солнцем. Парус будет отражать излучаемые звездой фотоны, создавая реактивную тягу, начнёт менять траекторию полёта. А чтобы факел не сжигал проходящие через него планеты, — например, Землю, — отражатель нужно разместить вне плоскостей их орбит. В случае с Солнечной системой это означает, что вектор движения Солнца окажется направлен так, что звезда постепенно покинет Млечный Путь.



В теории, гравитационное притяжение должно компенсироваться давлением излучения, а значит отражатель должен быть очень лёгким, то есть тонким — микронной толщины. Параболическая форма нужна для того, чтобы собирать отражённые фотоны в направленный факел, иначе реактивной тяги будет недостаточно для изменения траектории звезды, сила тяги у такого двигателя и без того невысока. Практически гомеопатическая.



Поэтому летом этого года профессор Мэтью Каплан предложил идею другой конструкции звёздного двигателя. Эта работа была опубликована в рецензируемом научном журнале Acta Astranautica: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576519312457 (pdf).

В отличие от пассивного двигателя Шкадова, двигатель Каплана является настоящим активным термоядерным двигателем гигантского размера.



Скорость истечения реактивной струи должна составить около 1 % скорости света. А второй луч должен быть направлен в противоположную сторону, толкая само Солнце. Чем питать такой «турбонаддув»? По мнению автора, решение этой проблемы состоит из двух частей.

Во-первых, двигатель может с помощью мощного электромагнитного поля всасывать водород и гелий, испускаемые Солнцем в виде «солнечного ветра». Однако этого объёма вещества не хватит для работы двигателя. Поэтому с помощью описанного выше роя спутников-зеркал можно фокусировать отражённый солнечный свет в точке на поверхности звезды прямо напротив двигателя, что приведёт к локальному перегреву и выбрасыванию миллиардов тонн вещества Солнца. Звезде это не навредит, она достаточно велика.

Выброшенное вещество можно также собирать и разделять на гелий и водород, чтобы было чем питать колоссально прожорливый термоядерный звёздный двигатель. «Противолуч», который не позволяет двигателю врезаться в Солнце, представляет собой струю водорода, который выбрасывается с большой скоростью благодаря электромагнитному ускорителю.



Для сравнения, двигатель Шкадова способен сдвинуть Солнце на 100 световых лет за 320 млн лет, а двигатель Каплана — менее чем за 2 млн лет. Это уже может увести наш дом подальше от сверхновой. При желании, таким образом можно путешествовать между звёздами, сокращая дальность перелёта на кораблях и колонизируя галактику. Или вообще переехать, скажем, в Андромеду: за 10 млн лет двигатель способен вывести Солнечную систему из нашей галактики.

Как вы понимаете, такая мегаструктура, как звёздный двигатель — это удел цивилизаций, у которых горизонт планирования измеряется целыми эпохами. Впрочем, как и в случае с предыдущими двумя постройками.
Tags: мегаструктура сфера дайсона звёздный двигатель бомба из чёрной дыры
Hubs: Mail.ru Group corporate blog Popular science Astronautics Science fiction
+71
24.6k 76
Comments 146
Ads