Certains futurologues et écrivains de science-fiction, loin de la physiologie, aiment rêver qu'à l'avenir les gens auront un si gros cerveau. Mais il y a un problème: le cerveau humain est le principal consommateur d'énergie dans le corps. Et avec sa taille actuelle, il demande déjà combien. Nos descendants n'auront donc pas de gros cerveaux, ils ne les nourriront tout simplement pas. Un problème similaire se pose avant toute civilisation ayant atteint un certain niveau de développement technique. De nouveaux progrès nécessitent de plus en plus d'énergie, et les sources disponibles couvrent à peine les besoins ou ne sont pas du tout en mesure de fournir la quantité requise de watts - même l'énergie nucléaire, et à l'avenir thermonucléaire. En outre, il est généralement admis qu'il est courant pour toutes les civilisations d'agrandir leur espace de vie, ce qui signifie qu'elles auront besoin d'énergie non seulement sur la planète d'origine.
Quelles sources d'énergie les civilisations peuvent-elles avoir à un stade de développement beaucoup plus élevé que nous? Under the cut - une description de trois concepts intéressants: la sphère Dyson, un moteur stellaire et une «bombe à trou noir».
Orbe de Dyson
Commençons par le concept le plus célèbre - et le plus
utopique ambitieux - de ces trois.
L'idée est d'utiliser l'étoile elle-même comme source d'énergie. Par exemple, notre Soleil (naine jaune) émet 3 828⋅10
26 W d'énergie. Cela équivaut à 4,74⋅10
18 ogives explosives de 250 Kt chacune. Overdrive.
En 1937, le roman de science-fiction "Star Creator" d'Olaf Stapledon a été publié, dont le physicien théoricien Freeman Dyson a dérivé et
popularisé l' idée d'une mégastructure - une sphère qui recouvre complètement une étoile à une distance de l'orbite planétaire afin d'absorber et d'utiliser toute l'énergie rayonnée. Cela couvrirait plus que les besoins d'une puissante civilisation avec une population de plusieurs billions de dollars.
Cependant, l'idée de la sphère Dyson a eu et il y a beaucoup de critiques qui donnent des arguments justes en faveur de l'irréalisabilité technique et du vide de sens logique et social d'une telle mégastructure.
Premièrement, pour créer une telle structure, il faudra chauler une planète entière aux matériaux de construction.
Deuxièmement, la construction de la sphère implique la création d'énormes capacités de production et de vecteurs, sans parler des sources d'énergie pour cela.
Troisièmement, toute structure rigide (sphérique, cubique, peu importe) sera inévitablement détruite par de nombreux astéroïdes et comètes ou accélération centripète - la sphère Dyson doit tourner pour compenser l'attraction gravitationnelle de l'étoile.
Comme alternative à une seule mégastructure rigide, vous pouvez utiliser un essaim de quadrillions de satellites bon marché avec des miroirs qui réfléchissent la lumière du soleil sur des récepteurs collecteurs qui la convertiront en électricité. Peut-être que l'efficacité du système ne sera pas aussi élevée que celle d'une conception monolithique, mais la complexité technique de la création d'un essaim est inférieure de plusieurs ordres de grandeur. Disons, riche en minéraux et en métaux, le mercure peut être transformé en une source de matériaux, car la faible gravité, une atmosphère très raréfiée et la proximité du soleil en font un champ de vol idéal. L'assemblage des miroirs satellites peut être disposé dans l'espace, les envoyant sur orbites au fur et à mesure qu'ils deviennent disponibles.
Où trouver de l'énergie pour des volumes de production et de production aussi énormes? Il n'y a qu'une seule issue: utiliser toute la même énergie du Soleil, car il y en a beaucoup sur Mercure. Le processus d'extraction, de transformation et de production doit être automatisé autant que possible. Les premiers satellites peuvent être lancés en orbite autour de Mercure afin d'augmenter la production d'énergie et d'augmenter la productivité.
Même si en utilisant un tel essaim de miroirs satellites, il est possible de collecter au moins 1% de l'énergie rayonnée du Soleil, cette quantité ne sera pas suffisante pour que nous arrêtions de gaspiller des matières fossiles pour la production d'énergie, mais cela nous permettra de mettre en œuvre des projets plus importants que l'essaim lui-même - par exemple créer un transport interstellaire.
Bombe trou noir
Les trous noirs peuvent à juste titre être appelés les plus grands accumulateurs d'énergie de l'Univers. Certes, aujourd'hui, il est impossible d'obtenir cette énergie, car un trou noir n'est pas seulement une batterie, mais un aspirateur qui absorbe tout autour. Et pourtant, il y a l'idée de créer une méga-structure qui, en théorie, permettra d'extraire des volumes géants d'énergie d'un trou noir. La nuance est qu'en raison de cette méga-construction, le BH se transforme en une bombe d'une puissance énorme, qui peut exploser si une erreur se produit.
Certains trous noirs ne sont pas statiques, mais tournent autour de son axe. Certains même avec une fréquence de millions de tours par seconde. La physique moderne dit qu'au centre de tout trou noir se trouve une singularité gravitationnelle - un point infiniment petit avec une surface nulle, dans lequel la masse entière de l'objet est concentrée.
Dans le cas d'un trou noir rotatif, la singularité tourne également - au lieu d'une singularité ponctuelle, nous parlons d'une singularité en forme d'anneau, avec une épaisseur et une surface nulles.
Le champ gravitationnel de l'étoile noire est si grand qu'il fausse l'espace-temps environnant, et la rotation crée des perturbations supplémentaires. La soi-disant ergosphère apparaît - une région elliptique autour d'un trou noir entre l'horizon des événements et la limite de l'électricité statique. Tous les objets tombant dans l'ergosphère commencent inévitablement à tourner avec le trou noir. De plus, au sein de l'ergosphère, des distorsions partielles de l'espace-temps se produisent déjà.
À l'aide de la rotation, un trou noir transfère son énergie cinétique à tous les objets tombant dans l'ergosphère. Et c'est précisément sur cela que se base l'idée d'extraire de l'énergie, dont le volume peut être de plusieurs ordres de grandeur supérieur aux volumes prélevés sur une étoile par un essaim de miroirs satellites.
Les processus dynamiques au sein de l'ergosphère peuvent être représentés comme un tourbillon qui se produit autour du trou de drainage. La rotation de l'ergosphère entraîne également la rotation de la magnétosphère autour du trou noir. Par conséquent, tout objet ou particule, une fois dans l'ergosphère, recevra une grande accélération. Et il peut être si grand qu'il aidera ... à sortir de l'ergosphère, d'ailleurs, avec une énergie cinétique beaucoup plus grande que s'il y pénétrait. Une sorte d'effet de fronde.
Imaginez qu'une civilisation très développée ait trouvé un trou noir en rotation rapide et construit autour d'elle une coquille sphérique de miroirs tournée vers l'intérieur. La coquille est continue, comme la sphère canonique de Dyson. Heureusement, les trous noirs sont beaucoup plus petits que les étoiles, donc la construction d'une coquille est incomparablement plus facile. Maintenant, ouvrez le trou et lancez le faisceau d'ondes électromagnétiques à l'intérieur. Ces ondes reçoivent une accélération à l'aide de l'ergosphère et s'envolent, sont réfléchies par le miroir, retournent dans l'ergosphère, accélèrent encore plus, s'envolent à nouveau, sont réfléchies, reviennent, sont accélérées, etc. (une partie des ondes sera perdue en raison de la chute sur horizon des événements). Chaque coup de rayonnement dans l'ergosphère entraîne son amplification exponentielle. Il s'agit de ce que l'on appelle l'effet de
diffusion de super-rayonnement,
initialement prédit par le physicien soviétique Yakov Zeldovich.
Si à un certain moment nous ouvrons une partie de la coquille autour d'une étoile noire, nous recevrons immédiatement un puissant faisceau d'énergie sortant. Ils ont jeté une partie de l'énergie à l'intérieur et en ont récupéré plusieurs fois plus. Pour ceux qui se souviennent de la loi inébranlable de la conservation de l'énergie et du perpétuum mobile, nous répondons immédiatement qu'il n'y a pas de miracle ici: l'amplification des ondes dans l'ergosphère ralentit la rotation d'un trou noir.
Théoriquement, une telle mégastructure est capable de devenir pour ses créateurs une source d'énergie pratiquement inépuisable.
Qu'est-ce que la bombe a à voir avec ça?
Si vous ne libérez pas l'énergie de la coquille à temps, elle explosera tôt ou tard. Un trou noir supermassif peut expulser de lui-même autant d'énergie qui est libérée lors d'une explosion de supernova.
Moteur étoile
Les étoiles ne s'arrêtent pas, elles tournent autour du centre de leurs galaxies, en chemin subissant l'influence gravitationnelle les unes des autres. Et bien que nous ne le remarquions pas, les étoiles, ainsi que leurs planètes, courent dans le vide à des vitesses gigantesques, volant sur des milliers de kilomètres en une seconde.
En voyageant au centre de la galaxie, les systèmes stellaires peuvent avoir des ennuis. Par exemple, volez près de la supernova qui explose. Ou traversez des zones remplies d'astéroïdes. Ou même tomber dans la captivité gravitationnelle d'une grande étoile. Cependant, même si les astronomes peuvent prédire une rencontre désagréable qui se produira dans un million d'années, que devons-nous faire?
N'importe quelle personne sensée dira: "Tuez les conneries de votre tête et profitez de votre courte vie." À juste titre, car personne ne sait ce qui arrivera à l'humanité dans un million d'années, et nous ne pouvons certainement rien faire avec le mouvement de notre étoile.
Cependant, si nous devenons une civilisation beaucoup plus développée - capable de construire quelque chose de comparable à la sphère Dyson, alors nos descendants pourraient bien avoir une attitude différente à cet égard. Par exemple, ils voudront changer la trajectoire du système solaire afin de l'orienter le long d'une route plus favorable. Autrement dit, ils vont construire un moteur stellaire qui, en raison de l'énergie rayonnée par l'étoile, corrigera son vecteur de vol.
L'option la plus simple est le moteur Shkadov. En fait, c'est une voile solaire parabolique, construite à côté du Soleil. La voile reflétera les photons rayonnés par l'étoile, créant une poussée réactive, commencera à changer la trajectoire de vol. Et pour que la torche ne brûle pas les planètes qui la traversent, par exemple la Terre, le réflecteur doit être placé en dehors des plans de leurs orbites. Dans le cas du système solaire, cela signifie que le vecteur de mouvement du soleil sera dirigé de sorte que l'étoile quitte progressivement la voie lactée.
En théorie, l'attraction gravitationnelle doit être compensée par la pression de rayonnement, ce qui signifie que le réflecteur doit être très léger, c'est-à-dire d'une épaisseur de quelques microns. Une forme parabolique est nécessaire pour collecter les photons réfléchis dans une torche directionnelle, sinon la poussée réactive ne suffira pas à changer la trajectoire de l'étoile, la force de poussée d'un tel moteur est déjà faible. Presque homéopathique.
Par conséquent, cet été, le professeur Matthew Kaplan a proposé l'idée d'une conception différente d'un moteur stellaire. Ce travail a été publié dans la revue scientifique à comité de lecture Acta Astranautica:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576519312457 (
pdf ).
Contrairement au moteur passif Shkadov, le moteur Kaplan est un véritable gigantesque moteur thermonucléaire actif.
La vitesse du courant-jet doit être d'environ 1% de la vitesse de la lumière. Et le deuxième rayon doit être dirigé dans la direction opposée, poussant le soleil lui-même. De quoi nourrir un tel "turbocompresseur"? Selon l'auteur, la solution à ce problème se compose de deux parties.
Premièrement, le moteur peut absorber l'hydrogène et l'hélium émis par le Soleil sous la forme d'un «vent solaire» utilisant un puissant champ électromagnétique. Cependant, ce volume de substance n'est pas suffisant pour que le moteur fonctionne. Par conséquent, en utilisant l'essaim de miroirs satellites décrits ci-dessus, il est possible de concentrer la lumière solaire réfléchie en un point de la surface de l'étoile directement opposé au moteur, ce qui entraînera une surchauffe locale et l'éjection de milliards de tonnes de matière solaire. Cela ne nuit pas à l'étoile, elle est assez grande.
La substance éjectée peut également être collectée et séparée en hélium et hydrogène, de sorte qu'il y ait quelque chose à nourrir le moteur stellaire thermonucléaire colossalement glouton. Le «contre-faisceau», qui ne permet pas au moteur de percuter le soleil, est un flux d'hydrogène qui est éjecté à grande vitesse grâce à un accélérateur électromagnétique.
A titre de comparaison, le moteur Shkadov est capable de déplacer le Soleil de 100 années-lumière en 320 millions d'années, et le moteur Kaplan en moins de 2 millions d'années. Cela peut déjà conduire notre maison loin de la supernova. Si vous le souhaitez, vous pouvez ainsi voyager entre les étoiles, ce qui réduit la portée des vols à bord des navires et colonise la galaxie. Ou même passer à, disons, Andromède: en 10 millions d'années, un moteur est capable de retirer le système solaire de notre galaxie.
Comme vous le comprenez, une mégastructure comme un moteur stellaire est le lot des civilisations, dans lesquelles l'horizon de planification est mesuré par des époques entières. Cependant, comme c'est le cas avec les deux bâtiments précédents.