Einige Futurologen und Science-Fiction-Autoren, die weit von der Physiologie entfernt sind, träumen gern davon, dass die Menschen in Zukunft ein so großes Gehirn haben werden. Es gibt jedoch ein Problem: Das menschliche Gehirn ist der Hauptverbraucher von Energie im Körper. Und bei seiner jetzigen Größe braucht es schon hoo wie viel. Unsere Nachkommen werden also keine großen Gehirne haben, sie werden sie einfach nicht füttern. Ein ähnliches Problem stellt sich vor jeder Zivilisation, die einen bestimmten technischen Entwicklungsstand erreicht hat. Weitere Fortschritte erfordern immer mehr Energie, und die verfügbaren Quellen decken entweder kaum den Bedarf oder sind nicht in der Lage, die erforderliche Menge an Watt zur Verfügung zu stellen - sogar die Kernenergie und in Zukunft die thermonukleare. Darüber hinaus ist allgemein anerkannt, dass es für alle Zivilisationen üblich ist, ihren Lebensraum zu erweitern, was bedeutet, dass sie nicht nur auf dem Heimatplaneten Energie benötigen.
Welche Energiequellen können Zivilisationen in einem viel höheren Entwicklungsstadium haben als wir? Unter dem Strich - eine Beschreibung von drei interessanten Konzepten: Die Dyson-Kugel, ein Sternmotor und eine „Schwarze-Loch-Bombe“.
Dyson Orb
Beginnen wir mit dem berühmtesten - und dem
utopischsten - Konzept dieser drei.
Die Idee ist, den Stern selbst als Energiequelle zu nutzen. Zum Beispiel gibt unsere Sonne (gelber Zwerg) 3.828 × 10
26 W Energie ab. Dies entspricht 4,74 × 10
18 Sprengköpfen von jeweils 250 Kt. Overdrive.
1937 erschien der Science-Fiction-Roman "Star Creator" von Olaf Stapledon, aus dem der theoretische Physiker Freeman Dyson
die Idee einer Megastruktur ableitete und bekannt
machte - einer Kugel, die einen Stern in einer Entfernung der Planetenbahn vollständig abdeckt, um die gesamte abgestrahlte Energie zu absorbieren und zu nutzen. Dies würde die Bedürfnisse einer mächtigen Zivilisation mit einer Bevölkerung von mehreren Billionen mehr als decken.
Die Idee der Dyson-Sphäre hatte jedoch und es gibt viele Kritiker, die faire Argumente für die technische Unrealisierbarkeit und die logische und soziale Sinnlosigkeit einer solchen Megastruktur vorbringen.
Erstens, um eine solche Struktur zu schaffen, muss ein ganzer Planet mit Baumaterial verkalkt werden.
Zum anderen werden beim Bau der Kugel enorme Produktionskapazitäten und Lieferfahrzeuge geschaffen, ganz zu schweigen von den Energieträgern.
Drittens wird jede starre Struktur (kugelförmig, kubisch, was auch immer) unweigerlich durch zahlreiche Asteroiden und Kometen oder durch zentripetale Beschleunigung zerstört - die Dyson-Kugel muss sich drehen, um die Anziehungskraft des Sterns auszugleichen.
Als Alternative zu einer einzelnen starren Megastruktur können Sie einen Schwarm Billiarden billiger Satelliten mit Spiegeln verwenden, die Sonnenlicht auf Kollektorempfänger reflektieren und diese in Elektrizität umwandeln. Vielleicht ist die Effizienz des Systems nicht so hoch wie die eines monolithischen Entwurfs, aber der technische Aufwand für die Erstellung eines Schwarms ist viel geringer. Angenommen, Quecksilber ist reich an Mineralien und Metallen und kann zu einer Quelle von Materialien werden, da es aufgrund seiner geringen Schwerkraft, einer sehr dünnen Atmosphäre und der Nähe zur Sonne ein ideales Flugfeld ist. Der Zusammenbau von Satellitenspiegeln kann im Weltraum angeordnet werden und diese in Umlaufbahnen befördern, sobald sie verfügbar sind.
Woher kommt Energie für solch enorme Produktionsmengen? Es gibt nur einen Ausweg: die gleiche Energie der Sonne zu nutzen, da es auf Merkur viel davon gibt. Der Prozess der Gewinnung, Verarbeitung und Produktion sollte so weit wie möglich automatisiert werden. Die ersten Satelliten können um Merkur in die Umlaufbahn gebracht werden, um die Energieerzeugung zu steigern und die Produktivität zu steigern.
Selbst wenn mit einem solchen Schwarm von Satellitenspiegeln mindestens 1% der von der Sonne ausgestrahlten Energie gesammelt werden kann, reicht diese Menge nicht aus, um nur fossile Materialien für die Energieerzeugung zu verschwenden, sondern um Projekte umzusetzen, die größer sind als der Schwarm selbst - zum Beispiel interstellaren Transport zu schaffen.
Schwarze Lochbombe
Schwarze Löcher können zu Recht als die größten Energiespeicher im Universum bezeichnet werden. Es stimmt, heute ist es unmöglich, diese Energie zu bekommen, da ein Schwarzes Loch nicht nur eine Batterie ist, sondern ein Staubsauger, der alles rundum aufnimmt. Und doch gibt es die Idee, eine Megastruktur zu schaffen, mit der theoretisch riesige Energiemengen aus einem Schwarzen Loch gewonnen werden können. Die Nuance ist, dass der BH aufgrund dieser Megakonstruktion zu einer Bombe von enormer Kraft wird, die explodieren kann, wenn ein Fehler auftritt.
Einige Schwarze Löcher sind nicht statisch, sondern drehen sich um ihre Achse. Einige sogar mit einer Frequenz von Millionen Umdrehungen pro Sekunde. Die moderne Physik sagt, dass im Zentrum jedes Schwarzen Lochs eine Gravitations-Singularität steht - ein unendlich kleiner Punkt mit einer Nullfläche, in dem die gesamte Masse des Objekts konzentriert ist.
Im Fall eines rotierenden Schwarzen Lochs dreht sich auch die Singularität - anstelle einer Punktsingularität sprechen wir von einer ringförmigen Singularität mit einer Dicke von Null und einer Oberfläche.
Das Gravitationsfeld des schwarzen Sterns ist so groß, dass es die umgebende Raum-Zeit verzerrt und Rotation zusätzliche Störungen erzeugt. Es entsteht die sogenannte Ergosphäre - eine elliptische Region um ein Schwarzes Loch zwischen Ereignishorizont und statischer Grenze. Alle Objekte, die in die Ergosphäre fallen, beginnen sich zwangsläufig mit dem Schwarzen Loch zu drehen. Außerdem treten in der Ergosphäre bereits teilweise Verzerrungen der Raumzeit auf.
Mit Hilfe der Rotation überträgt ein Schwarzes Loch seine kinetische Energie auf alle Objekte, die in die Ergosphäre fallen. Und genau darauf beruht die Idee der Energiegewinnung, deren Volumen um viele Größenordnungen größer sein kann als das Volumen, das ein Schwarm von Satellitenspiegeln einem Stern entnimmt.
Dynamische Prozesse in der Ergosphäre können als ein Whirlpool dargestellt werden, der um das Abflussloch herum auftritt. Die Rotation der Ergosphäre führt auch zur Rotation der Magnetosphäre um das Schwarze Loch. Daher wird jedes Objekt oder Teilchen, das sich einmal in der Ergosphäre befindet, eine große Beschleunigung erhalten. Und es kann so groß sein, dass es hilft ... mit viel größerer kinetischer Energie aus der Ergosphäre herauszufliegen, als wenn es hineingelangt. Eine Art Schlingeneffekt.
Stellen Sie sich vor, eine hoch entwickelte Zivilisation hätte ein schnell rotierendes Schwarzes Loch gefunden und eine nach innen gerichtete kugelförmige Spiegelschale darauf aufgebaut. Die Schale ist durchgehend wie Dysons kanonische Kugel. Glücklicherweise sind schwarze Löcher viel kleiner als Sterne, so dass es unvergleichlich einfacher ist, eine Muschel zu bauen. Öffnen Sie nun das Loch und leiten Sie den Strahl elektromagnetischer Wellen hinein. Diese Wellen werden mit Hilfe der Ergosphäre beschleunigt und fliegen aus, werden vom Spiegel reflektiert, kehren in die Ergosphäre zurück, beschleunigen noch mehr, fliegen wieder aus, werden reflektiert, kommen zurück, werden beschleunigt usw. (ein Teil der Wellen geht durch Herunterfallen verloren) Ereignishorizont). Jeder Strahlentreffer in die Ergosphäre führt zu einer exponentiellen Verstärkung. Dies ist der sogenannte Superstrahlungsstreueffekt, den der sowjetische Physiker Jakow Zeldowitsch vorhergesagt hat.
Wenn wir irgendwann einen Teil der Hülle um einen schwarzen Stern öffnen, erhalten wir sofort einen starken ausgehenden Energiestrahl. Sie warfen einen Teil der Energie hinein und bekamen ein Vielfaches mehr zurück. Für diejenigen, die sich an das unerschütterliche Gesetz von Energieeinsparung und Perpetuum Mobile erinnern, antworten wir sofort, dass es hier kein Wunder gibt: Die Verstärkung von Wellen in der Ergosphäre verlangsamt die Rotation eines Schwarzen Lochs.
Theoretisch kann eine solche Megastruktur für ihre Schöpfer zu einer praktisch unerschöpflichen Energiequelle werden.
Was hat die Bombe damit zu tun?
Wenn Sie die Energie nicht rechtzeitig abgeben, wird sie früher oder später explodieren. Ein supermassives Schwarzes Loch kann so viel Energie aus sich verbannen, wie bei einer Supernova-Explosion freigesetzt wird.
Sternmotor
Sterne stehen nicht still, sie drehen sich um die Zentren ihrer Galaxien und erfahren dabei den gravitativen Einfluss der anderen. Und obwohl wir das nicht bemerken, rasen die Sterne mit ihren Planeten mit gigantischen Geschwindigkeiten ins Leere und fliegen Tausende von Kilometern in einer Sekunde.
Sternensysteme, die sich um das Zentrum der Galaxie bewegen, können in Schwierigkeiten geraten. Fliegen Sie zum Beispiel in die Nähe der explodierenden Supernova. Oder überqueren Sie mit Asteroiden gefüllte Zonen. Oder fallen Sie sogar in die Gravitationsgefangenschaft eines großen Sterns. Doch selbst wenn Astronomen eine unangenehme Begegnung vorhersagen können, die in einer Million Jahre stattfinden wird, was sollten wir dann tun?
Jede vernünftige Person wird sagen: "Kick den Bullshit aus deinem Kopf und genieße dein kurzes Leben." Zu Recht, denn niemand weiß, was in einer Million Jahre mit der Menschheit geschehen wird, und wir können mit der Bewegung unseres Sterns mit Sicherheit nichts anfangen.
Wenn wir jedoch zu einer viel weiter entwickelten Zivilisation werden, die in der Lage ist, etwas zu bauen, das mit der Dyson-Sphäre vergleichbar ist, haben unsere Nachkommen möglicherweise eine andere Einstellung dazu. Zum Beispiel wollen sie die Flugbahn des Sonnensystems ändern, um es auf eine günstigere Route zu lenken. Das heißt, sie werden einen Sternmotor bauen, der aufgrund der vom Stern abgestrahlten Energie seinen Flugvektor korrigiert.
Die einfachste Option ist der Shkadov-Motor. Tatsächlich handelt es sich um ein parabolisches Sonnensegel, das neben der Sonne gebaut wurde. Das Segel reflektiert die vom Stern ausgestrahlten Photonen und erzeugt einen reaktiven Schub, der die Flugbahn verändert. Und damit die Fackel die Planeten nicht verbrennt, die durch sie hindurchgehen, zum Beispiel die Erde, muss der Reflektor außerhalb der Ebenen ihrer Umlaufbahnen platziert werden. Im Fall des Sonnensystems bedeutet dies, dass der Bewegungsvektor der Sonne so ausgerichtet wird, dass der Stern die Milchstraße allmählich verlässt.
Theoretisch sollte die Anziehungskraft durch den Strahlungsdruck kompensiert werden, was bedeutet, dass der Reflektor sehr leicht sein sollte, dh dünn - Mikrometer dick. Die parabolische Form wird benötigt, um die reflektierten Photonen in einem Richtungsbrenner zu sammeln, da sonst der reaktive Schub nicht ausreicht, um die Flugbahn des Sterns zu verändern, die Schubkraft eines solchen Motors ist bereits gering. Fast homöopathisch.
Daher schlug Professor Matthew Kaplan diesen Sommer die Idee eines anderen Designs eines Sternmotors vor. Diese Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Acta Astranautica veröffentlicht:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576519312457 (
pdf ).
Im Gegensatz zum passiven Shkadov-Motor ist der Kaplan-Motor ein wirklich gigantischer aktiver thermonuklearer Motor.
Die Geschwindigkeit des Strahls sollte etwa 1% der Lichtgeschwindigkeit betragen. Und der zweite Strahl sollte in die entgegengesetzte Richtung gerichtet sein und die Sonne selbst drücken. Was füttert so ein "Turbolader"? Nach Ansicht des Autors besteht die Lösung für dieses Problem aus zwei Teilen.
Erstens kann der Motor durch ein starkes elektromagnetisches Feld Wasserstoff und Helium absorbieren, die von der Sonne in Form eines „Sonnenwinds“ abgegeben werden. Dieses Substanzvolumen reicht jedoch nicht aus, damit der Motor arbeitet. Unter Verwendung des oben beschriebenen Schwarms von Satellitenspiegeln ist es daher möglich, das reflektierte Sonnenlicht auf einen Punkt auf der Oberfläche des Sterns direkt gegenüber dem Motor zu fokussieren, was zu lokaler Überhitzung und zum Ausstoß von Milliarden Tonnen Sonnenmaterial führt. Dies schadet dem Stern nicht, er ist groß genug.
Die ausgestoßene Substanz kann auch gesammelt und in Helium und Wasserstoff getrennt werden, so dass es etwas gibt, das den kolossal gefräßigen thermonuklearen Sternmotor speist. Der „Gegenstrahl“, mit dem der Motor nicht in die Sonne krachen kann, ist ein Wasserstoffstrom, der dank eines elektromagnetischen Beschleunigers mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird.
Zum Vergleich: Der Shkadov-Motor kann die Sonne in 320 Millionen Jahren um 100 Lichtjahre und den Kaplan-Motor in weniger als 2 Millionen Jahren verschieben. Dies kann unser Zuhause bereits von der Supernova wegführen. Auf diese Weise können Sie auf Wunsch zwischen den Sternen hin- und herschweben, die Flugreichweite auf Schiffen verringern und die Galaxie kolonisieren. Oder gehen Sie einfach zu Andromeda: In 10 Millionen Jahren kann ein Motor das Sonnensystem aus unserer Galaxie entfernen.
Wie Sie verstehen, ist eine solche Megastruktur wie ein Sternmotor das Los von Zivilisationen, in denen der Planungshorizont in ganzen Epochen gemessen wird. Dies gilt jedoch auch für die beiden vorherigen Gebäude.