Как укротить звезду? Подробная инструкция
Данный пост – заключительный в серии постов про перспективы освоения космоса.
Начав с массового выхода на орбиту, рассмотрев вопросы жизнеобеспечения в космосе, продолжив строительством космических поселений, мы подходим к логическому завершению – достижению человечеством действительного статуса мегацивилизации, путём постройки сферы Дайсона и подчинению себе всей энергии Солнца.
В 1964 году советский радиоастроном Николай Кардашёв опубликовал в «Астрономическом журнале» работу под названием «Передача информации внеземными цивилизациями». В данной статье он привёл метод определения технологического развития цивилизации по шкале, которая впоследствии была названа его именем. В своей работе Кардашёв выделил три типа цивилизаций по уровню энергопотребления.
Так, цивилизация I типа потребляет энергию, эквивалентную мощности, получаемой её планетой от центральной звезды и энергетических источников своей планеты. Оценка энергопотребления – 10¹⁶ — 10¹⁷ Вт.
Цивилизация II типа потребляет энергию, сравнимую с мощностью, вырабатываемой целой звездой или примерно 10²⁶ Вт.
Цивилизация III типа потребляет энергию, сравнимую с мощностью целой галактики, или 10³⁷ Вт.
Шкала была дополнена позднее цивилизацией IV типа, которая потребляла примерно 10⁴⁹ — 10⁵⁰ Вт, или мощность всей вселенной.
Хотя шкала первоначально была дискретной, а человеческая цивилизация не достигла и первой ступени по данной шкале, американский астроном Карл Саган предложил интерполяцией и экстраполяцией расширить данную шкалу, превратив её из ранговой в абсолютную. Саган использовал формулу K = (lgW – 6) / 10, где K рейтинг цивилизации, а W – её энергопотребление в ваттах.
Согласно формуле Сагана, человеческая цивилизация имела рейтинг энергопотребления 0,72 по состоянию на 2007 год. По прогнозам, к 2030 году мы должны достичь энергопотребления 22 ТВт и рейтинга 0,73.
Рано или поздно человечество подойдёт вплотную к классификации I, что будет означать, что энергии, которую получает Земля от Солнца, а равно как и энергии её собственных энергоносителей не хватит, чтобы обслуживать потребности человечества.
Для перехода к укладу цивилизации II типа мы должны будем постепенно взять под контроль всю энергию, которое вырабатывает наше Солнце. Впервые идея устройства, позволяющего взять под контроль энергию звезды, вопреки распространённому мнению, была высказана не Фрименом Дайсоном в 1960 году, а гораздо раньше – в романе Олафа Стэплдона 1937 года «Создатель звёзд» (Star Maker), где он описывал «… каждая солнечная система … окружённая сеткой из световых ловушек, собирающих ускользающий свет для разумного использования». Фримен Дайсон лишь популяризировал концепцию, направляя поиски внеземных цивилизаций на обнаружение структур, полностью или частично затмевающих свет звезды, что может являться признаком наличия около такой звезды цивилизации II типа.
Поиски, возможно, увенчались успехом. В 2015 году несколько астрономов опубликовали результаты наблюдений светимости Звезды Табби, которая периодически падала на 22%. Неизвестно пока, что является причиной подобного, но не исключено, что мы наблюдаем недостроенную сферу Дайсона.
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, на полюсах сферы Дайсона ничто не уравновешивает силы притяжения центрального светила. В результате сфера будет неизбежно разрушена.
Разумеется, в настоящее время под «Сферой Дайсона» понимается не монолитное сооружение, а большое скопление объектов, не связанных друг с другом, однако совокупно, представляющими собой ту же непрозрачную «сферу». Такая концепция получила название «Рой Дайсона» (Dyson swarm).
Подобный рой состоит из самых разнообразных объектов — зеркал, спутников, станций, солнечных панелей, космических поселений и пр. Преимущества подобного подхода очевидны — строительство можно осуществлять постепенно, без каких-либо критических сроков и спешки, кроме того, сооружение подобного роя не требует особо никаких передовых научных достижений. По правде говоря, мы и сейчас в состоянии начать делать нечто подобное. Да, это требует усилий, как требовало усилий строительство Великой Китайской Стены, но технически мы вполне подготовлены.
Для упрощения расчётов и для осознания масштабов легче считать подобное сооружение монолитной сферой радиусом в 1 астрономическую единицу (дистанция от Солнца до Земли) или 150 млн. км и площадью 2,8 × 10¹⁷ (0,28 квинтиллионов) кв. км. Это в пятьсот миллионов раз больше, чем вся площадь поверхности Земли. Если рой состоит целиком из цилиндров О’Нейла, о которых был предыдущий пост (радиусом 4 км и длиной 20 км с площадью внутренней поверхности 800 кв. км), сфера будет насчитывать около 350 триллионов таких поселений.
Много? Разумеется. Однако, после того, как люди обретут возможность дешёвого и массового выхода в космос, сооружение сферы Дайсона будет вполне логичным, а главное — практически вполне реализуемым делом.
Подобные космические поселения, оснащённые зеркальными поверхностями и солнечными панелями, так или иначе, должны будут составлять основу роя. Их можно соединять либо тросами, либо гибкими тоннелями, однако проще считать, что каждый элемент движется по собственной эллиптической траектории вокруг Солнца. Они не являются планетами, поэтому температурный контроль при помощи манёвров и вращения осуществлять гораздо легче. Кстати, им вовсе не обязательно всем находиться на одном расстоянии от Солнца. Они могут находиться от Солнца на любой дистанции, начиная примерно с орбиты Меркурия до, примерно, орбиты Марса для поддержки специфики их функционирования и климата.
Система станет непрозрачной не из-за того, что цилиндры тесно прилегают друг к другу — совсем наоборот, на каждый из них будет приходиться куб со стороной примерно 3 тыс. км, но потому что их будет так много, что будет наблюдаться тот же эффект, как с туманом или облаком. Мы наблюдаем подобный эффект в телескоп, наблюдая за удалёнными галактиками, их центр кажется нам единым «сгустком», хотя звёзды в этих галактиках удалены друг от друга на весьма приличное расстояние. По этой же причине, не стоит думать, что элементам роя будет грозить постоянная угроза столкновений. Даже современные радары и компьютеры вполне в состоянии справиться с синхронизацией траекторий, тем более, что централизованного управления всем роем не требуется, достаточно взаимодействия лишь с непосредственными соседями.
Единственное общее для всего роя, что приходит на ум — это общие часы для системы навигации внутри системы, максимальная задержка сигнала в которой между крайними точками достигает 16 минут, а также соглашение об использовании радиочастот и мощностей передатчиков, так как подобное количество объектов способно забить все доступные диапазоны радиочастот. Предположительно, всё, что может быть передано по прямому лазерному лучу, должно будет передаваться именно так.
Если предположить, что «плотность населения» роя Дайсона составляет всего 1 человек на кв. км, количество людей, способных проживать в его пределах, составит 280 квинтиллионов! Помните об этой цифре, когда будете читать фантастические произведения о будущих мега-цивилизациях. И это если не считать Земли и других планет! Разумеется, подобное население просто неуправляемо никаким центральным правительством. Население роя Дайсона, скорее, будет представлять из себя конгломерат из миллионов или даже миллиардов разносортных групп, объединённых по совершенно непредсказуемым в настоящее время признакам.
Строительство, возможно, начнётся около Земли с созданием первых космических поселений вокруг планеты, возможно, первое кольцо поселений будет построено именно по орбите Земли, с самой нашей планетой в качестве одного из «звеньев». Последующие кольца могут иметь небольшое отклонение от плоскости орбиты первого кольца, либо строиться от соседних планет — Венеры и Марса.
При исследовании возможностей строительства сферы Дайсона, разумеется, возникает главный вопрос — где взять материал на строительство? Если предположить сферу радиусом 1 а. е. целиком из подобных панелей из расчёта 1 кг на 1 кв. м, то потребуется масса 2,82 × 10²³ кг, на что вполне хватит массы Меркурия, и ещё останется. Такая средняя плотность может показаться кому-то слишком малой, однако, непосредственные сборщики солнечной энергии предположительно будут состоять не из классических спутников, а из статитов (от англ. statite или static satellite), удельная масса которых в случае с нашим Солнцем должна составлять всего 0,78 г на 1 кв. м. Статит висит неподвижно относительно светила, при этом его падение на Солнце предотвращается давлением солнечной радиации.
Стоит отметить, что если собирать сферу целиком из статитов с данной удельной массой, то потребуется масса всего 2,2 × 10²⁰ кг по радиусу орбиты Земли и гораздо меньше, если располагать их ближе к Солнцу.
В связи с тем, что Солнечная активность непостоянна и изменяется со временем, статит должен иметь возможность изменять площадь поверхности своих панелей, кроме этого, он должен иметь небольшой компьютер и гироскоп для манёвров (манёвры можно осуществлять изменением угла наклона панелей).
Энергия со статитов может передаваться со статита лазером или микроволнами, либо запасаться в искусственные чёрные дыры (про них есть отдельный пост). Кроме того, энергию можно перенаправлять на создание космических шоссе — трассы, вдоль которой можно ускорять космические корабли при помощи тех же лазеров.
Энергию так же можно направить на трансмутацию элементов — синтез необходимых химических элементов из тех, что в текущее время имеются в избытке (возможно, необходимых материалов для продолжения строительства).
Кроме того, мы можем использовать энергию для сбора материи с самого Солнца — этот процесс получил название starlifting (англ.) Есть несколько предложенных принципов для осуществления подобного, однако все они сводятся к формированию магнитного поля, формирующего и направляющего поток заряженных частиц, из которых состоит солнечный ветер, которые впоследствии могут собираться при помощи магнитных ловушек. Солнце, помимо водорода и гелия, на 2% состоит из более тяжёлых элементов. Большую часть тяжёлых элементов составляет кислород, затем углерод и азот. 2% кажется небольшой цифрой, однако это колоссальное, огромное количество вещества, которое также может быть использовано для продолжения строительства, которого хватит для завершения строительства без необходимости «разбирать» какие-либо планеты на запчасти. Да и более лёгкие элементы вроде водорода и гелия вполне могут пригодиться «в хозяйстве». Может показаться, что более тяжёлые элементы скапливаются в солнечном ядре, однако внутри Солнца происходят мощнейшие конвективные процессы, из-за чего, элементы распределяются внутри него более-менее равномерно.
RC — кольцевой ток, MN — магнитное сопло, J — плазменная струя
Данный процесс не только позволит получить огромное количество материи, но и «омолодить» само Солнце. Собирая материю с него, мы, тем самым, уменьшаем мощность звезды, тем самым, снижая светимость, что требует меньше материала для поглощения этой энергии, достигая оптимального баланса. Звезда, в два раза легче нашего Солнца, будет светить в 16 раз тусклее. По этой причине, несмотря на то, что большие звёзды имеют больше топлива, живут они гораздо меньше, так как обычно взрываются даже раньше, чем успеют сжечь весь водород. Маленькие звёзды живут гораздо дольше. Гелий и синтезированные тяжёлые элементы «отравляют» звёзды, наше солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла, если мы начнём извлекать из него массу, мы можем существенно продлить его жизнь, а если мы, извлекая тяжёлые элементы, будем добавлять водород, добытый из других источников, данный процесс можно продлять неопределённо долго. Если мы извлечём хотя бы 10% солнечной массы, мы получим в своё распоряжение материи в 30 тыс. раз больше, чем масса Земли.
При этом, абсолютно не важно, насколько неэффективен будет данный метод, потому что, как только начнётся сооружение сферы Дайсона, дальнейшие энергозатраты не будут иметь особого значения.
Нельзя не отметить вниманием то, что рой Дайсона не обязательно должен служить обслуживанию нужд квинтиллионов человеческих существ. На определённом этапе киборгизация или генетическая модификация человека может сделать поддержку систем жизнеобеспечения углеродной жизни излишней. Такой огромной энергии, которую даёт звезда можно придумать тысячи применений, из которых я хочу выделить лишь две:
Такая структура должна состоять, по крайней мере, из двух (обычно больше) сфер Дайсона, построенных вокруг звезды и вложенных одна в другую. Значительная часть оболочек будет состоять из нанокомпьютеров молекулярного масштаба. Эти компьютеры по крайней мере частично будут получать энергию от обмена между звездой и межзвёздной средой. Оболочка будет поглощать энергию, излучаемую на её внутреннюю поверхность, использовать её для питания компьютерных систем и излучать энергию вовне. Нанокомпьютеры каждой оболочки будут предназначены для работы при различных температурах.
Мозг-матрёшка может использоваться для создания точной имитации реальности или переноса сознания человека в виртуальную реальность. Есть предположение, что подобный мегакомпьютер сможет моделировать целые альтернативные вселенные. Существование внутри компьютерной модели может быть таким же «реальным», как и в обычной биосфере — если вообще можно провести такое различие.
Субъективное время в подобной симуляции может быть крайне замедленным, так, 100 стандартных земных лет может восприниматься внутри симуляции как 1 секунда. Это позволит не только достигать других звёзд в приемлемые для людей интервалы субъективного времени, но и проводить «телефонные разговоры» с другими звёздными системами с минимальной субъективной временной задержкой.
Данное устройство, иначе называемое «Звёздная Машина класса А» названо в честь Леонида Михайловича Шкадова — российского учёного, который впервые предложил данную концепцию.
Такой двигатель представляет собой силовую установку звёздного масштаба, состоящую из огромного зеркала — солнечного паруса достаточно больших размеров, световое давление на который уравновешено гравитационным притяжением звезды. Поскольку давление излучения звезды в результате приобретёт несимметричный характер (то есть в одном из направлений будет излучаться больше энергии), разница в давлении создаёт тягу, и звезда начинает ускоряться в направлении парящего над ней паруса. Такая тяга и ускорение будут крайне небольшими, но такая система может оставаться стабильной в течение тысячелетий. Планетная система звезды будет перемещаться вместе с самой звездой.
Для такой звезды, как Солнце, со светимостью 3,85 × 10²⁶ Вт и массой 1,99 × 10³⁰ килограмм, общая тяга, производимая отражением половины солнечного излучения, будет равна 1,28 × 10¹⁸ ньютонов. За временной промежуток в 1 миллион лет это даст изменение скорости на 20 м/с и удаление от исходной позиции на 0,03 световых года. Через один миллиард лет скорость будет составлять 20 км/с, а удаление от исходной позиции — 34000 световых лет, что немного превышает одну треть ширины галактики Млечный Путь.
Планетарная система будет путешествовать вместе со звездой, увлекаемая её гравитацией.
Напоследок хочется сказать, что сейчас простому человеку практически невозможно даже вообразить, что из себя будет представлять человеческая (или пост-человеческая) цивилизация, достигнув рейтинга К2 по Кардашёву-Сагану. Например, цивилизация, которая смогла колонизировать другие планеты и даже провести их терраформинг, будет иметь рейтинг 1,1 — 1,2. Федерация из Star Trek, возможно достигла уровня 1,3. Империя из серии «Основание» (Foundation) Исаака Азимова, насчитывающая миллионы миров, имеет примерную оценку в 1,7. Наконец, вся галактическая империя из «Звёздных войн», возможно, достигла рейтинга K2. Целая галактическая империя лишь с большим трудом может соответствовать всего одной сфере Дайсона!
Стоит ли говорить, что после сооружения всего одной сферы Дайсона, дальнейшая колонизация галактики не будет представлять для человечества никаких особых проблем.
Исследователи космоса
19.6K постов49.3K подписчика
Правила сообщества
Какие тут могут быть правила, кроме правил установленных самим пикабу :)