Dyson sphere star trek что это
В истории идей, появившихся в XX веке, особое место занимает триада из парадокса Ферми, шкалы Кардашёва и сферы Дайсона. Не вдаваясь в их подробности, изложенные по приведенным ссылкам, отмечу, что объединяю их по общему допущению о существовании во Вселенной высокоразвитых разумных цивилизаций. Несмотря на то, что ни малейших признаков внеземного разума на данный момент не найдено, эти идеи выдают, какого поведения мы ожидаем от представителей сверхцивилизаций, в число которых надеемся когда-нибудь войти. Это:
Готовность и даже стремление общаться с другими разумными существами (поэтому Ферми счел парадоксальным факт молчания Вселенной, учитывая, что за время ее существования на обитаемых планетах должно было сформироваться множество цивилизаций не примитивнее нашей),
Стремление к экстенсивному технологическому развитию, где развитие цивилизации требует постоянного наращивания энергопотребления и перехода от примитивных источников энергии ко все более обильным и высокотехнологичным,
В качестве первого шага на пути вверх по шкале Кардашёва необходимо принципиально оптимизировать сбор энергии нашего Солнца – сегодня она чуть менее чем полностью рассеивается в космосе. Поэтому было бы целесообразно окружить Солнце рукотворной сферой, которая могла бы использоваться либо как грандиозная солнечная батарея, либо как пространство для заселения людьми.
В этой статье я хотел бы подробнее остановиться на современных представлениях о сфере Дайсона (начиная с того, что сферой она быть, вероятно, не может), также напомнив историю этой концепции. Сфера Дайсона и производные от нее гипотетические астроинженерные сооружения могли бы не только решить энергетические и демографические проблемы растущей цивилизации, но и упростить освоение других звездных систем, в том числе, совершенно необитаемых и лишенных жизнепригодных планет. Чтобы не слишком отвлекаться от темы, я обойду здесь вниманием концепцию «мозга-матрешки», поскольку она информационная, а не энергетическая и вполне заслуживает отдельной публикации, а также не буду вдаваться в широкий обзор астроинженерных сооружений, а рекомендую почитать хабрастатью из блога компании «Asus».
Но давайте обо всем по порядку.
Концепция
В 1960 году Фримен Дайсон опубликовал статью, в которой предположил, что технологически развитая цивилизация, уже приступившая к полномасштабному освоению своей звездной системы, могла бы соорудить на расстоянии около 2 астрономических единиц от звезды («revolving around the sun at twice the Earth's distance from it») цельную сферу, предназначенную для сбора излучения этой звезды и производства энергии. По расчетам Дайсона, сфера полностью скрывала бы звезду от внешнего наблюдателя, а температура внешней поверхности сферы могла бы составить до 300 K. То есть, астрономам с другой планеты (например, с Земли) казалось бы, что звезда излучает энергию в глубоком инфракрасном (микроволновом) спектре, чем сильно выделяется на фоне других звезд.
Эту гипотезу Дайсон сформулировал в контексте поиска внеземного разума, а не в качестве энергетического проекта. Он считал, что поиск таких инфракрасных звезд может быть более перспективным путем к цивилизационному контакту, чем попытки обмена радиосигналами. Также отметим, что термин «сфера Дайсона» впервые появился примерно в 1964 году, и предложил его именно Николай Семёнович Кардашёв в работе «Передача информации внеземными цивилизациями» (1964)
Более поздние исследования показали, что монолитной такая конструкция быть не может, так как ее разорвут гравитационные силы. Также обратим внимание на формулировку Дайсона «revolving around the sun». Действительно, для стабилизации сферы Дайсона ее необходимо раскрутить до орбитальной скорости, которая позволила бы удерживать сферу на нужном расстоянии от звезды. В таком случае идеально жесткая и идеально шарообразная сфера немного сплющилась бы у полюсов, но оставалась устойчивой. Но такая конструкция также не слишком надежна, поскольку идеально жестких материалов не существует. Наконец, для компенсации гравитационных (дифференцирующих) сил сферу можно было бы укрепить магнитными полями, но стабильность всей конструкции в таком случае стало бы поддерживать еще сложнее, не говоря об обслуживании подобных магнитов.
Также не будем забывать, что внешняя поверхность сферы продолжает излучать в микроволновом спектре, и поток покидающих ее фотонов дестабилизирует всю конструкцию. Такое воздействие фотонов настолько существенно, что позволило сформулировать еще одну футуристическую концепцию – двигатель Шкадова. О материалах для изготовления сферы Дайсона, а также о некоторых ее потенциальных физических характеристиках, мы еще поговорим ниже, а пока остановимся на более реалистичных конфигурациях такого астроинженерного сооружения.
«Сфера Дайсона» вполне может представлять собой систему колец, также собирающих значительную часть энергии звезды.
Здесь мы подходим к важному аспекту, подчеркивающему научную ценность таких идей, кажущихся на первый взгляд чистой научной фантастикой. Мир-Кольцо, описанный в романе Ларри Нивена – это классическая научная фантастика. Вышеприведенная система колец – это развитие глубоко футуристической идеи Дайсона, воспринимаемой, однако, не как сюжет для фантастического романа, а как инженерный проект, скорректированный с учетом нестыковок, выявленных уже на этапе моделирования. А далее рассмотрим научное обоснование статьи, исследующей возможности практического применения кольцевых структур в ближнем космосе задолго до попыток построить полноценную сферу Дайсона или Мир-Кольцо:
Абсолютно твердое тело, например, кольцо, с двумя равными главными осями инерции называется «симметричный волчок».
Теперь рассмотрим два симметричных волчка, прикрепленных друг к другу не имеющими массы, не создающими трения, абсолютно прочными подшипниками, так, что их главные оси вращения расположены на одной линии, но оба могут вращаться независимо друг от друга каждый по своей оси симметрии. Назовем такую конструкцию «соосным симметричным волчком» (ССВ). Простой идеализированный пример – токонесущее кольцо из сверхпроводящего кабеля, вложенного в кольцевую сверхпроводящую трубку (получится сверхпроводящий тор). Благодаря эффекту Мейснера, кабель будет центрирован внутри тора под действием магнитного поля, что позволит сохранить трение на минимальном уровне.
В реальности никакие подшипники не бывают ни абсолютно прочными, ни лишенными трения. Даже с учетом преимуществ сверхпроводимости, для обеспечения которой потребуется тепловой экран с функцией охлаждения, а также в условиях высокого вакуума ожидается, что в конструкции ССВ будут доминировать диссипативные потери кинетической энергии.
Можно спроектировать такое кольцо, диссипативные потери в котором будут достаточно медленными, чтобы обеспечить всей конструкции долгий срок службы до разрушения – как в большинстве искусственных спутников, для работы которых требуются двигатели, удерживающие аппарат на орбите, обладающие ограниченным запасом топлива. Правда, более вероятно, что в конструкции такого кольца будут предусмотрены активные механизмы компенсации диссипативных потерь. Пример со сверхпроводящим кабелем внутри тора не слишком практичен с точки зрения подзарядки магнитного поля кабеля или раскручивания его. Более практична могла бы быть модель, устроенная по принципу поезда-маглева с возможностью задействовать крутящий момент и слегка корректировать положения осей между составляющими A и B соосного симметричного волчка. Такая система потребовала бы энергетической подпитки, но это не проблема, учитывая размеры кольца. Так, можно представить кольцо с окружностью 100 км, расположенное на расстоянии 1 а.е. от Солнца. Если его эффективное сечение составит 1 м и будет покрыто солнечными батареями с КПД 10%, то такое кольцо сможет генерировать около 10 МВ энергии. Для сравнения: окружность Земли составляет примерно 40 000 км, поэтому орбитальное кольцо с окружностью 100 км будет относительно невелико.
Кроме чисто энергетических возможностей применения такого кольца предлагается использовать его, например, для генерации искусственного магнитного поля.
В качестве альтернативы подобного проекта в другом источнике предлагается стационарный «солнечный парус» или спутник для сбора солнечного ветра. Впрочем, авторы отмечают, что энергетическая полезность подобного спутника, равно как и «энергетическая ценность» солнечного ветра сравнительно низки.
Столь обширный пример приведен здесь в качестве иллюстрации развития астроинженерных идей, которые, однако, легко прослеживаются от сферы Дайсона. Принципиальное назначение таких структур – аккумуляция солнечной энергии и попытки ее масштабного практического применения.
Сферы Дайсона
Фримен Дайсон (Freeman Dyson) ненавидел тот факт, что гипотетическая инженерная мегаструктура, т.н. сфера Дайсона, была названа в его честь. На самом деле, по сей день он открыто приписывает происхождение этой идеи роману британского писателя Олафа Степлдона (Olaf Stapledon) «Создатель звёзд» (Star Maker), вышедшему в 1937 году, и желает, чтобы она была названа как-то иначе. Независимо от происхождения концепции или названия, сферы Дайсона остаются видным субъектом как в астрофизике, так и в инженерии.
В 2015 году звезда Табби (более формально известная как KIC 8462852) проявила очень любопытное изменение яркости, которое не могло быть объяснено наличием планеты или солнечного пятна. Спекуляции изобиловали тем, что это странное падение яркости, повторившееся еще несколько раз в разных величинах, якобы было процессом строительства звездной инженерной мегаструктуры. Хотя эти данные позже были объяснены облаком космической пыли, вращающейся вокруг звезды, это событие стало сигналом к поиску звездных мегаструктур, которые телескоп «Кеплер» может обнаруживать даже лучше, чем экзопланеты.
Такие мегаструктуры были бы удивительным инженерным подвигом. По сути, Сфера Дайсона — это огромное инженерное сооружение, собирающее излучаемую энергию звезды, целью которого является питание энергией космической цивилизации в период её быстрого роста. Это, как правило, связано с достижением цивилизации Типа II по шкале Кардашёва, когда она собирает и использует практически всю выходную мощность своей домашней звезды (
10²⁶ Ватт). Для сравнения, вся наша планета в настоящее время использует в среднем около 1,8*10¹³ Ватт, что в 20 триллионов раз меньше. Такую мегаструктуру человечество смогло бы построить в течение следующих столетий, или, может быть, даже следующего тысячелетия.
В своем развитии идеи Дайсон представлял будущую человеческую цивилизацию, чьи энергетические потребности стремительно растут. По мере того, как наше энергопотребление приближалось бы к выходной мощности Солнца, стало бы необходимо, чтобы мы использовали весь потенциал нашей домашней звезды вместо того, чтобы пытаться получить эту энергию в другом месте. Дайсон предложил три основных типа Сфер Дайсона, которые могли бы служить для использования энергии Солнца.
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.
Рой Дайсона
Отметим важную идею из предыдущего раздела: функционал сферы Дайсона может быть реализован при помощи совокупности орбитальных аппаратов, которые могут решать энергетические задачи не хуже системы колец. Такая концепция получила название «Рой Дайсона». Фактически, в большинстве теоретических построений рой Дайсона представляют, как массив микроспутников, оборудованных солнечными панелями и собирающими солнечную энергию. Предполагается, что для этой цели такой рой должен располагаться как можно ближе к Солнцу, лучше всего – на орбите Меркурия. Причем, Меркурий кажется достаточно необычной планетой, так как представляет собой очень плотное и компактное тело, богатое железом. Поэтому элементы роя Дайсона можно было бы автоматически собирать прямо из пород Меркурия и строить рой на орбите Меркурия. Согласно некоторым расчетам, сам Меркурий при этом не сошел бы с орбиты и остался цельным, даже если употребить на изготовление роя Дайсона до половины меркурианской массы. Однако подобный проект сопряжен с множеством практических проблем, и вот лишь некоторые из них:
Для прицельного запуска первого комплекта роботов-сборщиков в район Меркурия требуется значительно больше энергии, чем для запуска корабля в направлении к границам Солнечной системы, поскольку во втором случае необходим лишь небольшой толчок, а далее корабль может держать скорость, пользуясь гравитацией других планет для разгона. При запуске корабля к Солнцу необходимо не дать занять ему «не ту» околосолнечную орбиту, то есть, преодолевать гравитационное воздействие Солнца, что значительно сложнее.
Рой Дайсона может заслонить Солнце, что привело бы к значительным изменениям климата на Земле, вплоть до катастрофического похолодания.
Столкновение двух спутников в рое может привести к дальнейшим обвальным столкновениям, что быстро выведет значительную часть спутников из строя. Причем, спровоцировать такое столкновение может даже небольшое возмущение на Солнце.
Полученную энергию необходимо передавать на Землю, и стоимость такой передачи может оказаться непозволительно дорогой.
При обоснованности всех подобных возражений нельзя не упомянуть еще более фантастическую идею, изложенную в статье 2020 года. Действительно, элементы роя Дайсона должны быть более умными машинами, чем современные микроспутники, оборудованные солнечными панелями. В таком качестве подошли бы зонды фон Неймана, которые могли бы образовывать нейронную сеть. В таком случае они бы не только корректировали собственные траектории, избегая столкновений, но и оставались бы на нужных орбитах. Кроме того, с учетом саморепликации как важнейшей черты зондов фон Неймана, эти машины могут самостоятельно собраться в практически сплошную сферу, подобную сфере Дайсона – и самостоятельно ее стабилизировать, поскольку такая сфера не будет монолитной. Автор статьи обоснованно отмечает и экологическую опасность, вернее, заразность подобного роя – поэтому допускает, что засеивать зондами фон Неймана собственную звездную систему может быть опасно, а подобный энергетический проект на территории близлежащей необитаемой звездной системы (которая в данном случае становится источником энергии для цивилизации III типа по шкале Кардашёва) – сценарий абсолютно гипотетический.
Здесь отметим, что «дешевые» аналоги сферы Дайсона и анализ связанных с ними проблем вновь подводят нас к идее, что именно полноценная сфера, либо решетчатая система пересекающихся колец – наиболее практичные и безопасные проекты такого рода. Рассмотрим, из чего же может быть сделана такая сфера, а также каковы ее ожидаемые физические характеристики.
Оболочка Дайсона (Dyson Shell)
Наиболее часто изображаемой мегаструктурой Дайсона в научной фантастике является Оболочка Дайсона (Dyson Shell). Она часто неправильно используется синонимично с термином «Сфера Дайсона». Оболочка Дайсона — это полная, твердая сфера, построенная вокруг всей звезды. Оболочка Дайсона имеет преимущество захватывать 100% солнечного излучения, что не могут делать Рои и Пузыри Дайсона. Оболчка также обеспечивают самую большую площадь поверхности и может служить местом обитания человека. Несмотря на то, что она наиболее известна и популярна в научной фантастике, на самом деле это наименее выполнимая из мегаструктур Дайсона.
Оболочка Дайсона потребует более твердого материала, который присутствует в Солнечной системе, чтобы сделать её толщиной хотя бы в сто метров. Но даже при такой толщине сама конструкция, скорее всего, не сможет выдержать силу сжатия собственной силы тяжести (если она построена с радиусом 1 астрономическая единица). Для того, чтобы Оболочка Дайсона имела искусственную гравитацию, она должна была бы вращаться вокруг Солнца со скоростью более чем на 1200 км/с, что составляет 0,4% от скорости света. Это эквивалентно полному обороту вокруг Солнца чуть более чем за неделю, в отличие от земного года. При этом нагрузки на эту мегаструктуру были бы невообразимыми. Кроме того, для постройки такого масштабного сооружения потребовалось бы разобрать несколько планет Солнечной системы.
Оболочка Дайсона была бы непрактична для нашего Солнца, но, возможно, вид, живущий вокруг меньшей звезды, такой как красный карлик класса M, сможет построить и получить все преимущества Оболочки Дайсона. Обитаемые расстояния от таких звезд часто допускают орбиты, обращение по которым происходит в течение нескольких дней, что уже делает искусственную гравитацию потенциально возможной.
Рой Дайсона (Dyson Swarm)
Рой Дайсона (Dyson Swarm) — самая простая мегаструктура Дайсона. По сути, Рой Дайсона — это просто массив солнечных панелей, расположенных на орбите вокруг Солнца. Чтобы собрать заметный поток энергии, эти солнечные панели должны быть очень, очень большими. Большинство конструкций используют панели радиусом, который в несколько раз больше, чем расстояние от Земли до Луны.
Строительство такого Роя может начаться с одного спутника, передающего энергию при помощи беспроводной связи на Землю. Затем можно добавлять больше спутников, чтобы сформировать кольцо вокруг звезды, создав т.н. кольцо Дайсона. Система из нескольких колец на разных орбитах создаст Рой Дайсона. Проблема состоит в том, что пересекающиеся орбиты спутников будут создавать помехи друг другу.
Материал для этих структур можно брать из пояса астероидов. Учитывая радиус спутника 10⁷ метров (25 расстояний Земля-Луна) и толщину в несколько метров, то несколько сотен спутников могут быть построены из массы большого астероида, такого как Церера. Тысячи могут быть построены с использованием оставшихся тел пояса астероидов. Настоящая проблема здесь заключается в преоразовании астероидного вещества в материал, который способен как собирать солнечную энергию Солнца, так и противодействовать гравитационным напряжениям его собственной массы.
По отношению к огромной площади поверхности каждый спутник будет невероятно тонким, что делает такие структуры чрезвычайно хрупкими. Столкновения с кометами, астероидами и метеоритами могут нанести ущерб такой конструкции, и даже гравитационные взаимодействия с другими внутренними планетами (Меркурий и Венера) могут разорвать конструкцию на части. Необходимо также будет позаботиться о принятии решений относительно конкретных орбитальных конфигураций и о системе противоастероидной защиты.
Рои Дайсона было бы трудно использовать в качестве места жительства людей, потому что он практически не обеспечивал бы гравитации.
Также Рой Дайсона может быть построен на орбите Земли (до тех пор, пока он не будет затмевать нашу планету и существенно её охлаждать) и обеспечить источником солнечной энергии в больших, чем на поверхности объемах.
Star Trek Online Wiki
The latest Star Trek Online story update, Season Twenty-four: Reflections, is now live!
Spoiler warnings ahead!
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⋅10 26 Вт энергии. Это эквивалентно 4,74⋅10 18 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.
Поиск Сфер Дайсона
Если Звездные мегаструктуры являются естественным этапом в развитии цивилизации II типа, то их может быть сотни или даже тысячи по всей нашей Галактике. Если они существуют, они будут показывать некоторые присущие им свойства, которые мы могли бы идентифицировать, чтобы раскрыть их существование.
Одним из свойств Сфер Дайсона, которое было продемонстрировано случаем со звездой Табби, является затмение. Если мы наблюдаем массивные звездные затмения, которые предполагают наличие планеты по размерам больше Юпитера, но без связанного с этим гравитационного колебания, которое такая планета вызовет на домашней звезде, это может быть признаком того, что мы видим Рой Дайсона. Точно так же, если мы наблюдаем затмение, которое происходит очень медленно из-за большого темного тела, это может быть признаком того, что мы видим транзитные эффекты Пузыря Дайсона.
Оболочки Дайсона будет труднее обнаружить. Поскольку они полностью поглощают весь видимый свет звезды, они кажутся невидимыми для любого традиционного телескопа. Тем не менее, мы можем обнаружить инфракрасное излучение от оболочки Дайсона.
Сбор энергии происходит на внутренней поверхности Оболочки Дайсона. Если какая-либо внеземная цивилизация не использовала бы всю собранную ею энергию, то внешняя поверхность оболочки достигла бы равновесной температуры и излучала бы в инфракрасном диапазоне при этой температуре. Это означает, что если мы обнаружим очень большое низкочастотное инфракрасное излучение, то мы можем предполагать, что это эффекты Оболочки Дайсона.
Пузырь Дайсона (Dyson Bubble)
Подобно Рою Дайсона, Пузырь Дайсона (Dyson Bubble) будет состоять из большого массива спутников вокруг звезды, собирающих солнечную энергию. Разница здесь в том, что вместо того, чтобы размещать эти спутники на орбите вокруг звезды, они размещаются на расстоянии, где давление солнечного ветра и излучения точно равно гравитационной силе между Солнцем на спутником. Это делает каждый спутник полностью неподвижным.
Это значительно уменьшает сложность конструкции, присущую Рою Дайсона, и позволяет значительно увеличить получаемую энергию. Теоретически цивилизация могла просто продолжать добавлять больше спутников на этом расстоянии до тех пор, пока вся звезда не будет покрыта, по существу создавая Оболочку Дайсона (Dyson Shell). Это также исключает возможность создания помех от других спутников, как в Рое Дайсона, поскольку каждый спутник остается неподвижным.
Создание Пузыря Дайсона, вероятно, было бы сложнее, чем Роя Дайсона, потому, что гравитационные взаимодействия и столкновения с космическими объектами были бы более серьезными для такого массива. В рое Дайсона существует почти нулевая вероятность того, что гравитационный эффект или удар сделают спутник совершенно бесполезным, выбив его из орбиты или на слегка эксцентричную орбиту. Однако в неподвижном Пузыре Дайсона даже очень небольшое взаимодействие может дестабилизировать точную конфигурацию системы, которая позволяет конструкции оставаться на месте. Такая мегаструктура потребует очень сложных и продвинутых систем ориентации.
Пузырь Дайсона, так же, как и Рой Дайсона, не может обеспечить среду обитания людей ввиду отсутствия необходимой силы гравитации. Это означает, что Пузырь Дайсона должен быть построен с учетом орбиты Земли, оставляя достаточно солнечного света для поверхности нашей планеты.
Вывод
Сфера Дайсона в любой форме представляла бы собой поворотный момент на пути цивилизации к становлению действительно межгалактической расы. Вопрос о том, является ли этически правильным полностью перестроить существующую миллиарды лет Солнечную систему для собственных целей, может быть обсужден уже в наши дни. Но одна вещь, в которой мы уверены, это то, что наши энергетические потребности как прогрессирующего вида растут и, похоже, не замедляются. Поскольку мы приближаемся к межзвездной стадии развития, возможно, потребуется использовать звезды, эти электростанции природы, чтобы подпитывать наши потребности в открытиях и исследованиях. Вселенная не нуждается в нас, чтобы выжить, но мы нуждаемся в этом сейчас и, вероятно, в далеком будущем.
Физические характеристики сферы Дайсона
Одной из наиболее удивительных геометрических идей, описывающих микроструктуру сферы Дайсона, мне кажется использование девятиугольных антипризм, нарочито раскритикованное автором в этой статье. Он говорит, что инопланетяне просто засмеяли бы нас, если бы обнаружили вокруг Солнца мегаструктуру со столь примитивной симметрией. Тем не менее, визуализация, которую я размещу ниже, позволяет оценить модульность получающейся структуры и, следовательно, ее устойчивость и удобство ремонта. Анимацию смотрите здесь и здесь.
В качестве другой устойчивой конфигурации для сферы Дайсона может быть выбран филлотаксис.
В этой модели синим цветом обозначены пятиугольники, красным – шестиугольники и зеленым – семиугольники. Структура филлотаксиса реализована в природе при расположении семечек подсолнуха в венчике и получается наложением решетки Фибоначчи на сферу. Она описывает оптимальное расположение ближайших соседей – что принципиально важно в нашем случае, учитывая, что мы собираем сферу Дайсона из плотно прилегающих друг к другу сменных модулей. Подробнее об этой дивной геометрической структуре также рекомендую почитать на Хабре.
Приведу некоторые расчеты, найденные в этом источнике, связанные с прочностью и изготовлением сферы Дайсона.
«Если сфера состоит из стали и имеет радиус в 1 а.е (принято выбирать именно эту величину, что, однако, необязательно – ведь чем обширнее сфера, тем менее прочен может быть материал, из которого она состоит), получим давление в 3,5 ТПа, что в девять раз больше давления в центре Земли и в семь раз больше давления, которое удавалось поддерживать в лабораторных условиях. Эти показатели во много раз превосходят прочность стали, которая, в зависимости от сорта, может выдерживать давление порядка сотен мегапаскалей. Это в десятки тысяч раз меньше, чем необходимо для стабилизации сферы Дайсона.
Есть два варианта снизить прочностные требования к монолитной сфере Дайсона. Так, если изготовить ее из легчайшего твердого материала, известного человечеству – углеродной нанопены, то приемлемый уровень давления снижается до 0,28 ТПа, что по-прежнему намного превосходит наши технические возможности. С другой стороны, если удвоить размеры сферы, то и этот критический показатель снизится еще вдвое. В таком случае возникает вопрос, где взять столько материала на изготовление сферы».
Dyson sphere
The interior edge of a Dyson Sphere
A Dyson Sphere was a colossal sphere constructed around a star, completely surrounding it. The interior of the sphere would absorb the entire energy output of that star, allowing for lifeforms to live on the interior surface almost indefinitely. Such a structure was theorized by the 20th century physicist Freeman Dyson.
In Star Trek Online, there are four known Dyson spheres, all constructed by the Iconians or their servitors;
The Jenolan and Solanae spheres are accessed via the Dyson Sphere Gateway in the Azure Sector.
Мегаструктуры будущего: сфера Дайсона, звёздный двигатель и «бомба из чёрной дыры»
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».
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.
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.
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.
Заключение
Завершая эту статью, предположу, что конструкция сферы Дайсона и целесообразность ее возведения во многом зависят от трех факторов:
1. Физические характеристики звезды и планетной системы, где возводится сфера. Кстати, существуют исследования, авторы которых предполагают искать сферы Дайсона вокруг белых карликов.
2. Назначение сферы Дайсона – энергетическое (колоссальная солнечная электростанция) или жизненное пространство (заселение внутренней поверхности сферы). Чисто энергетическое назначение представляется более реалистичным.
3.Степень сложности и интеллектуальности отдельных модулей сферы Дайсона. Возможно, рой зондов фон Неймана вполне мог бы сам собирать сферу Дайсона из частиц этого же роя – при условии, что сами роботы состояли бы из подходящего материала, например, углеродной нанопены, а также имели выверенный жизненный цикл – отработав положенный срок, разбирались бы другими роботами на материал, который идет на строительство или ремонт сферы.
Читайте также: