Как стать автором
Обновить
VK
Технологии, которые объединяют

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

Блог компании VK Научно™-популярное Космонавтика Научная фантастика


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.
Теги:
Хабы:
Всего голосов 81: ↑76 и ↓5 +71
Просмотры 28K
Комментарии Комментарии 147

Информация

Дата основания
Местоположение
Россия™
Сайт
vk.com
Численность
5 001–10 000 человек
Дата регистрации
Представитель
Миша Буданов