Сфера Дайсона
Сфера Дайсона — огромная станция, которая будет поглощать весь испускаемый свет звезды и направлять его на создание энергии.
Когда в 1959 году Фримен Дайсон придумал свою концепцию сферической звездной энергостанции, он и не предполагал, что нечто подобное сможет создать человек (по крайней мере, в обозримом будущем). Но цивилизация, получившая полный доступ к энергии звезды, будет относиться ко 2-му типу и ее энергопотребление будет сравнимо с мощностью центральной звезды планетной системы — примерно 4·1026 Вт. [1]
Содержание
История идеи [ править | править код ]
Сам Фриман Дайсон признавал, что вдохновился идеей из фантастического романа «Создатель Звезд» («The Star Maker», Olaf Stapledon), автор которого Олаф Стэпледон описал похожее сооружение (кольца вокруг звезд без планет и новые искусственные планеты) ещё в 1937 году.
Но и Олаф Стэпледон мог позаимствовать идею у ещё одного автора: Джон Десмонд Бернал ( J. D. Bernal, «The World, the Flesh, and the Devil») в статье «Мир, Плоть и Дьявол» описывал сферические космические колонии, построенные из тонких оболочек вокруг перемещенных на новые орбиты астероидов. Он также неявно намекал, что когда таких колоний станет много, то тогда они будут перехватывать большую часть энергии нашего светила. [2]
Постройка [ править | править код ]
Ничего не надо буксировать.
Все производится на «месте». т. е. идёт распыление материала, кристаллизующегося к космосе. Возможности данного материала позволяют осуществлять как надлежащий ремонт, так и модернизацию в случаях, когда заданные изначально мощности перестали соответствовать растущим потребностям. Сфера не жизнеспособна, смотрите аналогичные существующие формы космоса. На первом этапе только кольцо. В перспективе возможен каскад колец. Самый важный момент в планировании будущего Кольца Дайсона — это правильный выбор конструкции стандартного элемента Кольца. Он должен быть стандартизован по размеру и форме, для простоты производства, унификации промышленности и инструментария, но его конструкция и архитектура должна быть достаточно гибкой для дальнейшей модернизации и заранее непредсказуемых усовершенствований.
Форма элемента должна быть простой и удобной для сборки. Плоскость элемента должна иметь вогнутость, чтобы фокусировать свет на энергоприемнике. Центр масс элемента должен совпадать с геометрическим центром для простоты буксировки и ориентации. [3]
Разновидности [ править | править код ]
Рой [ править | править код ]
Вариант, наиболее близкий к оригинальной концепции Дайсона, — «рой Дайсона». Он состоит из большого числа независимых конструкций (обычно кораблей, пользующихся солнечной энергии), вращающихся вокруг плотной формы вокруг звезды. Этот подход к строительству имеет свои преимущества: компоненты могут быть соответствующим образом рассчитаны, и его можно построить постепенно. [4] Различные формы беспроводной передачи энергии могут быть использованы для передачи энергии между компонентами роя и планетой.
Недостатки, обусловленные характером орбитальной механики , затруднят расположение орбит роя.Простейшим подобным расположением является кольцо Дайсона , в котором все такие структуры имеют одну и ту же орбиту. Более сложные шаблоны с большим количеством колец будут перехватывать больше результатов звезды, но приведут к тому, что некоторые конструкции затмевают других периодически, когда их орбиты будут перекрываться. [5] Еще одна потенциальная проблема заключается в том, что возрастающая потеря орбитальной устойчивости при добавлении большего количества элементов увеличивает вероятность орбитальных возмущений.
Как отмечено ниже , такое облако коллекционеров изменит свет, излучаемый звездной системой. Однако разрушение по сравнению с общим естественным испускаемым спектром звезды, скорее всего, будет слишком малым для астрономов, основанных на Земле. [6]
Пузырь [ править | править код ]
Второй тип сферы Дайсона — «пузырь Дайсона». Это было бы похоже на рой Дайсона, состоящий из многих независимых конструкций, а также может быть построено постепенно.
Относительно простое расположение нескольких колец Дайсона типа, изображенного выше, чтобы образовать более сложный рой Дайсона. Орбитальные радиусы окружности расположены на расстоянии 1,5 × 10 7 км друг от друга, но средний радиус орбиты по-прежнему составляет 1 AU . Кольца поворачиваются на 15 градусов относительно друг друга вокруг общей оси вращения.
В отличие от роя Дайсона, конструкции, создающие его, не находятся на орбите вокруг звезды, но будут статутами-спутниками, подвешенными с использованием огромных легких парусов, используя радиационное давление, чтобы противодействовать притяжению звезды. Такие конструкции не будут подвержены столкновению или затмению друг друга; они были бы полностью неподвижны относительно звезды и были бы независимы друг от друга. Поскольку отношение радиационного давления к силе тяжести от звезды постоянное, независимо от расстояния (при условии, что статут имеет беспрепятственную прямую видимость поверхности его звезды [7] ), такие статистические данные также могут варьировать их расстояние от их центральной звезды.
Практичность такого подхода сомнительна в современной инженерной науке, но пока не исключена. 100% отражающий статит, развернутый вокруг Солнца, имел бы общую плотность 0,78 грамма на квадратный метр паруса. Чтобы проиллюстрировать малую массу необходимых материалов, рассмотрим, что общая масса пузырька такого материала 1 АУ в радиусе будет около 2,17 × 10 20 кг, что примерно такая же масса, что и астероид Паллас. [8] Другая иллюстрация: Обычная печатная бумагаимеет плотность около 80 г / м 2 .
Такой материал еще не был изготовлен в виде рабочего светового паруса. Самый легкий в мире материал с легким парусом из углеродного волокна имеет плотность без полезной нагрузки — 3 г / м 2 или примерно в четыре раза большую, чем потребуется для создания солнечного статита. [15]
Один лист графена , двумерная форма углерода, имеет плотность всего 0,37 мг на квадратный метр , что делает такой единственный граф графена эффективным в качестве солнечного паруса. Однако с 2015 года графен не был изготовлен на больших листах и имеет относительно высокую скорость поглощения излучения, около 2,3% (т. Е. Еще около 97,7% будет передаваться). Для частот в диапазоне верхних ГГц и ниже ТГц скорость поглощения достигает 50-100% из-за смещения напряжения и / или легирования. [9]
Оболочка [ править | править код ]
Вариантом сферы Дайсона, наиболее часто изображаемой в художественной литературе, является «оболочка Дайсона»: однородная сплошная оболочка материи вокруг звезды. [10] Такая структура полностью изменила бы выбросы центральной звезды и перехватила бы 100% энергии энергии звезды.Такая структура также обеспечит огромную поверхность, которую многие предполагают использовать для жилья, если поверхность может быть пригодна для жилья.
Сфера сферической оболочки Дайсона в Солнечной системе с радиусом одной астрономической единицы , так что внутренняя поверхность получала бы такое же количество солнечного света, что и Земля на единицу телесного угла , имела бы площадь поверхности приблизительно 2,8 × 10 17 км 2 (1,1 × 10 17 кв. Миль), или примерно в 550 миллионов раз больше площади поверхности Земли. Это позволило бы перехватить полную мощность 384,6 Вт (3,846 × 10 26 Вт) [11] на выходе Солнца.Конструкции без оболочки будут перехватывать меньше, но вариант оболочки представляет собой максимально возможную энергию, захваченную для Солнечной системы в этот момент эволюции Солнца. [10] Это примерно в 33 триллиона раз превышает энергопотребление человечества в 1998 году, что составляло 12 тераватт. [12]
Критика [ править | править код ]
Идея создания Сферы Дайсона не раз подвергалась критике, одним из важнейших аргументов которой является банальная неосуществимость, по крайней мере продолжительное существование, подобного проекта. [13]
Источник
Сфера Дайсона
Сфера Дайсона — гипотетический астроинженерный проект Фримена Дайсона, представляющий собой относительно тонкую сферическую оболочку большого радиуса (порядка радиуса планетных орбит) со звездой в центре. Предполагается, что развитая цивилизация может использовать подобное сооружение для полной утилизации энергии центральной звезды и/или для решения проблемы жизненного пространства.
Согласно теоретическим расчётам, для сооружения сферы Дайсона необходимо вещество с массой порядка массы Юпитера.
Поиск Сфер Дайсона — перспективное направление программы SETI. Сооружение подобных масштабов может быть обнаружено существующими средствами по его инфракрасному излучению с нетипичным спектральным распределением (таким образом, Сфера Дайсона является всенаправленным мощным излучателем). Для этих целей планируется использовать телескоп SIRTF.
К настоящему времени человечеству неизвестны способы практической реализации сферы Дайсона.
Содержание
Критика и модификации
Сфера Дайсона должна быть приведена во вращение вокруг центральной оси, чтобы центробежная сила уравновесила силу притяжения центрального светила. Однако, так как центробежная сила достигает максимума на экваторе, и равна 0 на полюсах вращающегося тела, то на полюсах сферы Дайсона ничто не уравновешивает силы притяжения центрального светила. В результате сфера будет неизбежно разрушена.
Для предупреждения данной угрозы, идея сферы Дайсона была развита в нескольких вариантах:
- Жесткое кольцо относительно небольшой ширины (порядка процентов диаметра) — см. Кольцо Нивена.
- Жесткое широкое экваториальное кольцо, разомкнутое вблизи полюсов и изогнутое по поверхности постоянного абсолютного значения вектора ускорения свободного падения, так что вес пробного тела одинаков в любой точке на внутренней стороне Сферы. Такая поверхность напоминает по форме игрушку-волчок с центральным утолщением. Большее притяжение звезды вблизи экватора компенсируется центробежной силой за счёт большей линейной скорости вращения в неинерциальной системе отсчёта; в высоких широтах в связи с уменьшением гравитационного воздействия звезды требуются меньшие центробежная сила и радиус сечения плоскостью, перпендикулярной к оси вращения. Данная поверхность не является эквипотенциальной для гравитационного поля (складывающегося из гравитационного поля звезды и поля центробежной силы) в собственной вращающейся системе отсчёта конструкции, поэтому сила тяжести направлена не по нормали к поверхности. Однако внутренняя сторона Сферы может быть сконструирована в виде концентрических террас, а не гладкой, так чтобы локальное отклонение силы тяжести от нормали к поверхности террасы не превышало заданного значения.
- Раковина Покровского — модификация, предложенная советским ученым Г. И. Покровским, представляющая собой совокупность колец.
- Структура Крисвелла — развитие идеи Сферы Дайсона, но с фрактальной поверхностью для максимизации площади, воспринимающей излучение звезды поверхности.
Все такие варианты уже нельзя называть «сферой», но такое общее название сохраняется исторически.
Источник
Сфера Дайсона: как нам застроить Солнечную систему
Существует ли разумная жизнь во Вселенной – один из самых главных вопросов, стоящих сегодня перед человечеством. Мы слушаем небо в разных радиодиапазонах, всматриваемся в другие звездные системы, отправляем послания вместе с космическими аппаратами, в надежде отыскать в бесконечных глубинах космоса братьев по разуму. Но каких-либо результатов как не было, так и нет. Учитывая скорость, с которой жизнь зародилась и распространилась по поверхности Земли и огромные просторы космоса, это выглядит несколько необычно. Ведь только в нашей галактике находится 400 миллиардов звезд, и каждая из них потенциально может стать колыбелью цивилизации.
Возможным объяснением подобного феномена является гипотетическая сфера Дайсона, которую продвинутая культура может построить вокруг своего Солнца. В этом случае обнаружение ее доступными нам методами будет крайне затруднено.
Что такое сфера Дайсона, и откуда взялось это понятие
Сфера Дайсона – фантастический проект создания огромной оболочки, расположенной вокруг центрального светила. Если размещать ее в нашей системе, размеры должны превышать радиус орбиты Венеры, а для постройки грандиозной конструкции необходимо вообще все вещество крупного небесного тела типа Юпитера.
Ее основная задача заключается в захвате и преобразовании значительной доли излучения звезды. Для этого внутреннюю поверхность сферы необходимо покрыть фотоэлектрическими элементами, причем их эффективность должна значительно превосходить современные аналоги. Существуют идеи использовать подобную сферу не только для получения энергии, но и для обитания людей.
Автором проекта считается известный американский физик-теоретик Фримен Дайсон. Он неоднократно заявлял, что данную идею «подсмотрел» в одном фантастическом романе. Ученый не любит название своего детища и не раз высказывался о желательности его замены.
Идеи постройки подобных циклопических сооружений в Солнечной системе высказывали и ранее. О такой сфере писал Циолковский в «Грезах о Земле и небе».
Для чего она необходима
Любая цивилизация, по мере своего развития, потребляет все больше энергии. Основываясь на этой констатации, советский астроном Николай Кардашев еще в середине 60-х годов разработал классификацию цивилизаций:
- 1-го типа полностью подчиняет себе энергетические ресурсы родной планеты– примерно 10¹⁶ Вт;
- 2-го типа способна аккумулировать всю энергию, которую излучает их звезда – 10²⁶ Вт;
- 3-го типа располагает техническими возможностями для доступа к энергии всей галактики – 10³⁶ Вт.
Позже ученый доработал классификацию, добавив в нее Тип 0 – цивилизации, которые способны использовать энергетические ресурсы отдельных государств, а также Типы 4 и 5, имеющие доступ к энергии значительных областей Вселенной.
Сфера Дайсона – сооружение, позволяющее полностью аккумулировать энергию звезды, то есть она является характерным признаком цивилизации второго типа. Поэтому ее основные свойства способны помочь в поисках внеземной разумной жизни. Дайсон полагает, что создание подобной структуры в Солнечной системе –только вопрос времени. В будущем человечество просто будет вынужденно построить сферу из-за стремительного роста потребления энергии.
Критика проекта или что может пойти не так
Согласно приведенной выше классификации, человечество сейчас находится на «нулевом» уровне. Мы пока даже теоретически не сможем построить ничего похожего на сферу вокруг звезды. Однако есть довольно авторитетные ученые, утверждающие, что подобную конструкцию невозможно построить в принципе.
Чтобы уравновесить силу притяжения Солнца, сферу нужно раскрутить вокруг центральной оси. Однако созданная таким образом центробежная сила не будет равномерной: она достигнет максимума на экваторе и минимума на полюсах, что неизбежно разрушит конструкцию. И это далеко не единственная проблема.
Где должна находиться сфера в Солнечной системе? Найти нужное место не так уж просто: если ее будут использовать для получения электроэнергии, то логично разместить конструкцию на очень близком расстоянии от звезды. Но при этом необходимо решить проблему ее устойчивости: она не должна ломаться под действием огромной солнечной гравитации.
Материал сферы не должен плавиться от энергии Солнца, деформироваться под воздействием солнечного ветра или коронарных выбросов. Придется подумать и о защите конструкции от ударов комет и астероидов, а также гравитации планет, находящихся неподалеку.
Если сфера Дайсона будет использоваться для проживания людей, ее лучше разместить примерно на том же расстоянии, где сегодня находится орбита Земли, и свет Солнца имеет оптимальную для нашего вида интенсивность. В этом случае требования к прочности и стабильности конструкции возрастают еще больше. Следует понимать, что если радиус сферы будет меньше орбиты Земли, наша родная планета окажется отрезанной от солнечного света, и жизнь на ней станет невозможной.
Появление новой грандиозной конструкции неизбежно нарушит стабильность движения планет и других небесных тел, которые находятся в системе.
К чисто инженерным проблемам необходимо добавить вопросы социального и экономического характера: неизвестно, как наладить жизнь триллионов разумных существ, проживающих в одном месте. Польский философ и футуролог Станислав Лем считал, что в этом случае человечество неизбежно ожидает регресс и крах культурных ценностей.
Советский астроном Иосиф Шкловский полагал идею создания сферы Дайсона утопической и абсолютно не нужной. По его мнению, человечество более или менее сможет обеспечить себя энергией другими способами. Например, используя варианты, основанные на ядерном синтезе.
В любом случае на нынешнем этапе технологического развития человечества постройка сферы Дайсона абсолютно невозможна. У нас нет материалов, источников энергии и знаний, необходимых для создания объекта радиусом в 150 млн километров. Нет аппаратов, способных доставить в космос огромные конструкции. Для реализации такого мегапроекта необходимо колоссальное количество вещества, причем речь идет даже не о массе пояса астероидов, а об использовании для строительства целых планет.
Альтернативные варианты сооружения
Из-за большой сложности сферы Дайсона было разработано несколько ее «упрощенных» версий.
Вот основные из них:
- Рой Дайсона. Простейший вариант конструкции, созданной для поглощения солнечной энергии. Представляет собой совокупность отдельных объектов, движущихся с разными скоростям и по независимым орбитам. На каждом из них можно разместить солнечные коллекторы или поселения людей;
- Пузырь Дайсона. Данная конструкция – модификация роя. Она также состоит из большого количества отдельных элементов, но каждый из них находится неподвижно в определенной точке пространства;
- Кольцо Нивена. Впервые было описано американским фантастом Нивеном в его знаменитой серии книг. Представляет собой кольцо небольшой ширины, находящееся на околосолнечной орбите;
- Раковина Покровского. Модификация сферы Дайсона, которую предложил советский физик и писатель-фантаст Покровский. Она представляет собой совокупность нескольких колец;
- Структура Крисвелла. Дальнейшее развитие сферы Дайсона с поверхностью, состоящей из отдельных фракталов.
Поиски во Вселенной
Если описанные выше мегаконструкции являются непременным этапом развития цивилизации, возможно, их число в Галактике измеряется тысячами и миллионами? В таком случае, зная свойства, мы можем искать в космосе другие цивилизации.
Сфера Дайсона должна полностью скрывать звезду, делая ее незаметной в видимой части электромагнитного спектра. Однако значительная доля энергии, полученной от светила, все равно должна уходить в космическое пространство в виде тепла, следовательно, сферу Дайсона вполне можно разглядеть в инфракрасный телескоп.
С начала 70-х годов действует программа SETI, что пытается найти в космосе следы внеземных цивилизаций. Поиск сфер Дайсона – одно из приоритетных направлений ее деятельности. Для этой цели применяется телескоп SIRTF, работающий в ИК-диапазоне.
В 2015 году появились данные телескопа Kepler о наблюдениях за звездой Табби в созвездии Лебедя. Ее нестандартное мерцание некоторые астрономы связали с неким астроинженерным сооружением, построенным вокруг нее. Правда, в 2017 году гипотеза была опровергнута: ученые доказали, что причиной аномалии является пылевое облако, вращающееся вокруг светила.
Идеи построить что-нибудь грандиозное за пределами атмосферы регулярно посещают горячие головы. Сегодня с таким проектом «носится» американский предприниматель, владелец «Амазона» и большой энтузиаст космических полетов Джозеф Безос. Его амбиции несколько скромнее, чем сфера Дайсона – филантроп хочет соорудить между Землей и Луной так называемый цилиндр О’Нила. Эта конструкция должна иметь диаметр 1,5 км и создавать искусственную силу тяжести за счет вращения.
Илон Маск недавно назвал эту идею бессмысленной и сравнил ее с проектом постройки США посреди Атлантического океана. Планы самого Маска тоже не всегда выглядят реалистично, но здесь с ним сложно не согласиться: пока человечество летает в космос на крайне неэффективных химических двигателях и получает львиную долю энергии от сжигания ископаемого топлива, о серьезных проектах за пределами атмосферы лучше забыть.
Источник