Alguns futurologistas e escritores de ficção científica, longe da fisiologia, gostam de sonhar que no futuro as pessoas terão um cérebro tão grande. Mas há um problema: o cérebro humano é o principal consumidor de energia no corpo. E com seu tamanho atual, ele já requer hoo quanto. Portanto, nossos descendentes não terão cérebros grandes, eles simplesmente não os alimentarão. Um problema semelhante surge antes de qualquer civilização que atingiu um certo nível de desenvolvimento técnico. Progresso adicional requer mais e mais energia, e as fontes disponíveis dificilmente cobrem as necessidades ou não são capazes de fornecer a quantidade necessária de watts, mesmo energia nuclear e, no futuro, termonuclear. Além disso, é geralmente aceito que é comum que todas as civilizações expandam seu espaço de vida, o que significa que elas precisarão de energia não apenas no planeta natal.
Quais fontes de energia as civilizações podem ter em um estágio de desenvolvimento muito maior do que nós? Sob o corte - uma descrição de três conceitos interessantes: a esfera de Dyson, um motor estelar e uma "bomba de buraco negro".
Dyson Orb
Vamos começar com o conceito mais famoso - e o mais
utópico ambicioso - desses três.
A idéia é usar a própria estrela como fonte de energia. Por exemplo, nosso Sol (anã amarela) emite 3.828⋅10
26 W de energia. Isso equivale a 4,74 × 10
18 ogivas explosivas de 250 Kt cada. Overdrive.
Em 1937, foi publicado o romance de ficção científica "Star Creator", de Olaf Stapledon, a partir do qual o físico teórico Freeman Dyson derivou e
popularizou a idéia de uma megaestrutura - uma esfera que cobre completamente uma estrela a uma distância da órbita planetária para absorver e usar toda a energia irradiada. Isso cobriria mais do que as necessidades de uma civilização poderosa com uma população multibilionária.
No entanto, a idéia da esfera de Dyson teve e há muitos críticos que dão argumentos justos a favor da irrealização técnica e da falta de sentido lógico e social de uma tal megaestrutura.
Primeiro, para criar essa estrutura, será necessário calar um planeta inteiro com materiais de construção.
Em segundo lugar, a construção da esfera envolve a criação de enormes capacidades de produção e veículos de entrega, sem mencionar as fontes de energia para isso.
Terceiro, qualquer estrutura rígida (esférica, cúbica, qualquer que seja) será inevitavelmente destruída por numerosos asteróides e cometas ou aceleração centrípeta - a esfera de Dyson deve girar para compensar a atração gravitacional da estrela.
Como alternativa a uma única megaestrutura rígida, você pode usar um enxame de quatrilhões de satélites baratos com espelhos que refletem a luz do sol em receptores de coletores que a converterão em eletricidade. Talvez a eficiência do sistema não seja tão alta quanto a de um projeto monolítico, mas a complexidade da engenharia de criar um enxame é muitas ordens de magnitude mais baixa. Por exemplo, rico em minerais e metais, o Mercúrio pode ser transformado em uma fonte de materiais, pois baixa gravidade, uma atmosfera muito rarefeita e proximidade com o Sol o tornam um campo voador ideal. A montagem dos espelhos de satélite pode ser organizada no espaço, enviando-os para órbitas assim que estiverem disponíveis.
Onde obter energia para grandes volumes de produção e produção? Existe apenas uma saída: usar toda a mesma energia do Sol, já que existem muitas delas em Mercúrio. O processo de extração, processamento e produção deve ser automatizado o máximo possível. Os primeiros satélites podem ser lançados em órbita ao redor de Mercúrio para aumentar a produção de energia e ajudar a aumentar a produtividade.
Mesmo que usando esse enxame de espelhos de satélite seja possível coletar pelo menos 1% da energia irradiada do Sol, essa quantidade não é suficiente para pararmos de desperdiçar materiais fósseis para produção de energia, mas nos permitirá implementar projetos que são maiores em escala do que o próprio enxame - por exemplo criando transporte interestelar.
Bomba do buraco negro
Buracos negros podem ser chamados de maiores acumuladores de energia do Universo. É verdade que hoje é impossível obter essa energia, pois um buraco negro não é apenas uma bateria, mas um aspirador de pó que absorve tudo ao seu redor. E, no entanto, existe a ideia de criar uma megaestrutura, que, em teoria, permitirá extrair volumes gigantes de energia de um buraco negro. A nuance é que, por causa dessa mega-construção, o BH se transforma em uma bomba de tremendo poder, que pode explodir se ocorrer um erro.
Alguns buracos negros não são estáticos, mas giram em torno de seu eixo. Alguns até com uma frequência de milhões de revoluções por segundo. A física moderna diz que no centro de qualquer buraco negro existe uma singularidade gravitacional - um ponto infinitamente pequeno com superfície zero, na qual toda a massa do objeto está concentrada.
No caso de um buraco negro rotativo, a singularidade também gira - em vez de uma singularidade pontual, estamos falando de uma singularidade em forma de anel, com espessura zero e área de superfície.
O campo gravitacional da estrela negra é tão grande que distorce o espaço-tempo circundante, e a rotação cria perturbações adicionais. A chamada ergosfera surge - uma região elíptica em torno de um buraco negro entre o horizonte de eventos e o limite da estática. Todos os objetos que caem na erosfera começam a girar inevitavelmente com o buraco negro. Além disso, dentro da ergosfera, distorções parciais do espaço-tempo já estão ocorrendo.
Com a ajuda da rotação, um buraco negro transfere sua energia cinética para todos os objetos que caem na ergosfera. E é justamente nisso que se baseia a idéia de extrair energia, cujo volume pode ser muitas ordens de magnitude maior que os volumes retirados de uma estrela por um enxame de espelhos de satélite.
Os processos dinâmicos na ergosfera podem ser representados como um redemoinho que ocorre ao redor do orifício de drenagem. A rotação da ergosfera também leva à rotação da magnetosfera em torno do buraco negro. Portanto, qualquer objeto ou partícula, uma vez na ergosfera, receberá grande aceleração. E pode ser tão grande que ajudará ... a sair da ergosfera, além disso, com muito mais energia cinética do que se ela entrar. Uma espécie de efeito estilingue.
Imagine que alguma civilização altamente desenvolvida tenha encontrado um buraco negro de rotação rápida e construído em torno dele uma concha esférica de espelhos voltados para dentro. A concha é contínua, como a esfera canônica de Dyson. Felizmente, os buracos negros são muito menores que as estrelas, portanto, construir uma concha é incomparavelmente mais fácil. Agora abra o buraco e lance o feixe de ondas eletromagnéticas para dentro. Essas ondas recebem aceleração com a ajuda da ergosfera e voam para fora, são refletidas no espelho, retornam à ergosfera, aceleram ainda mais, voam para fora novamente, são refletidas, voltam, são aceleradas etc. (algumas partes das ondas serão perdidas devido à queda horizonte de eventos). Cada golpe de radiação na erosfera leva à sua amplificação exponencial. Este é o chamado efeito de
espalhamento de super radiação, previsto pela primeira vez pelo físico soviético Yakov Zeldovich.
Se em algum momento abrirmos uma parte da concha ao redor de uma estrela negra, receberemos imediatamente um poderoso feixe de energia de saída. Eles jogaram uma porção de energia para dentro e receberam muitas vezes mais de volta. Para aqueles que se lembram da lei inabalável da conservação de energia e do perpetuum mobile, respondemos imediatamente que não há milagre aqui: a amplificação das ondas na erosfera diminui a rotação de um buraco negro.
Teoricamente, essa megaestrutura é capaz de se tornar para seus criadores uma fonte praticamente inesgotável de energia.
O que a bomba tem a ver com isso?
Se você não liberar energia da carcaça a tempo, ela explodirá mais cedo ou mais tarde. Um buraco negro supermassivo pode expelir de si mesma a energia liberada durante uma explosão de supernova.
Star engine
As estrelas não ficam paradas, elas giram em torno dos centros de suas galáxias, no caminho experimentando a influência gravitacional uma da outra. E, embora não percebamos isso, as estrelas, juntamente com seus planetas, correm no vazio com velocidades gigantescas, voando milhares de quilômetros em um segundo.
Viajando pelo centro da galáxia, os sistemas estelares podem ter problemas. Por exemplo, voe perto da supernova que está explodindo. Ou zonas transversais cheias de asteróides. Ou até cair no cativeiro gravitacional de alguma estrela grande. No entanto, mesmo que os astrônomos possam prever um encontro desagradável que ocorrerá em um milhão de anos, o que devemos fazer?
Qualquer pessoa sã dirá: "Chute a besteira da sua cabeça e curta sua curta vida". Com toda a razão, porque ninguém sabe o que acontecerá com a humanidade em um milhão de anos, e certamente não podemos fazer nada com o movimento de nossa estrela.
No entanto, se nos tornarmos uma civilização muito mais desenvolvida - capaz de construir algo comparável à esfera de Dyson, nossos descendentes poderão muito bem ter uma atitude diferente em relação a isso. Por exemplo, eles querem mudar a trajetória do sistema solar para direcioná-lo por uma rota mais favorável. Ou seja, eles construirão um motor estelar que, devido à energia irradiada pela estrela, corrigirá seu vetor de vôo.
A opção mais simples é o mecanismo Shkadov. De fato, é uma vela solar parabólica, construída ao lado do sol. A vela refletirá os fótons irradiados pela estrela, criando um impulso reativo, começará a mudar a trajetória do voo. E para que a tocha não queime os planetas que passam por ela, por exemplo, a Terra, o refletor deve ser colocado fora dos planos de suas órbitas. No caso do sistema solar, isso significa que o vetor de movimento do sol será direcionado para que a estrela saia gradualmente da Via Láctea.
Em teoria, a atração gravitacional deve ser compensada pela pressão da radiação, o que significa que o refletor deve ser muito leve, ou seja, com espessura de mícron fino. A forma parabólica é necessária para coletar os fótons refletidos em uma tocha direcional; caso contrário, o impulso reativo não será suficiente para alterar a trajetória da estrela; a força de empuxo de um motor desse tipo já é baixa. Quase homeopático.
Portanto, neste verão, o professor Matthew Kaplan propôs a ideia de um design diferente de um motor estelar. Este trabalho foi publicado na revista científica Acta Astranautica:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576519312457 (
pdf ).
Ao contrário do motor Shkadov passivo, o motor Kaplan é um verdadeiro motor termonuclear ativo gigantesco.
A velocidade da corrente de jato deve ser de cerca de 1% da velocidade da luz. E o segundo raio deve ser direcionado na direção oposta, empurrando o próprio sol. O que alimentar um "turbocompressor"? Segundo o autor, a solução para esse problema consiste em duas partes.
Em primeiro lugar, o motor pode absorver hidrogênio e hélio emitidos pelo Sol na forma de um "vento solar" usando um poderoso campo eletromagnético. No entanto, esse volume de substância não é suficiente para o motor funcionar. Portanto, usando o enxame de espelhos de satélite descrito acima, é possível focar a luz do sol refletida em um ponto na superfície da estrela diretamente em frente ao motor, o que levará ao superaquecimento local e à ejeção de bilhões de toneladas de matéria solar. Isso não prejudica a estrela, é grande o suficiente.
A substância ejetada também pode ser coletada e separada em hélio e hidrogênio, para que haja algo para alimentar o motor estelar termonuclear colossalmente glutão. O "contra-feixe", que não permite que o motor colidir com o Sol, é um fluxo de hidrogênio que é ejetado em alta velocidade graças a um acelerador eletromagnético.
Para comparação, o mecanismo Shkadov é capaz de mudar o Sol em 100 anos-luz em 320 milhões de anos, e o mecanismo Kaplan em menos de 2 milhões de anos. Isso já pode levar nossa casa para longe da supernova. Se desejar, assim você pode viajar entre as estrelas, reduzindo o leque de vôos em navios e colonizando a galáxia. Ou até mesmo, digamos, Andrômeda: em 10 milhões de anos, um motor é capaz de remover o sistema solar de nossa galáxia.
Como você entende, uma megaestrutura como um mecanismo estelar é o monte de civilizações, nas quais o horizonte de planejamento é medido por épocas inteiras. No entanto, como é o caso dos dois edifícios anteriores.