В 1960 году физик-визионер Фримен Дайсон выразил идею, что развитая цивилизация однажды прекратит заниматься вещами, такими как ветряные турбины и ядерные реакторы, на уровне детсада и, наконец, займется настоящим источником энергии. Для этого она полностью загородит свою родную звезду, чтобы улавливать как можно больше солнечной энергии. Затем они будут продолжать использовать это огромное количество энергии для добычи биткойнов, создания смешных видео в социальных сетях, углубления в глубочайшие тайны Вселенной и наслаждаться щедростями своей богатой энергией цивилизации.
Сфера Дайсона остается за горизонтом технологических возможностей человеческой цивилизации еще на многие сотни лет. Но что если бы мы действительно решили построить сферу Дайсона вокруг нашего Солнца? Могли бы мы это сделать? Сколько энергии нам обойдется перестройка нашей солнечной системы и сколько времени понадобится, чтобы вернуть наши инвестиции?
Прежде чем слишком долго думать о том, способно ли человечество на этот удивительный подвиг, даже теоретически, следует решить, стоит ли он усилий. Можем ли мы получить чистый прирост энергии, построив сферу Дайсона?
Сфера Дайсона – начнем с предположений
Мы не можем наверняка сказать, какие достижения в технологиях понадобятся, чтобы построить структуру, даже частично закрывающую Солнце. Рассуждение об этом было бы научной фантастикой – веселой, но не очень практичной.
Однако мы можем кое-что сказать о физике сферы Дайсона. Мы можем использовать его создание в качестве мысленного эксперимента, чтобы исследовать фундаментальные принципы энергии, орбиты и движения. И это важно, потому что независимо от того, какую столь передовую технологию придумает человечество, все равно придется столкнуться с холодной жесткой реальностью нашей физики. Нельзя получить что-то за бесценок. Если нужно что-нибудь сделать, для этого нужна энергия. Если нужно переместить солнечную панель размером с верх на другую орбиту, это также требует энергии.
По этим и многим другим причинам сфера Дайсона требует энергии. Так что мы посмотрим, сколько времени понадобится, чтобы окупить инвестиции в энергию, связанные со строительством, и какой может быть оптимальная конструкция, чтобы минимизировать первоначальные инвестиции.
Чтобы получить некоторые цифры, мы сделаем много предположений. Но в этом упрощенном подходе есть что-то мощное, ведь позволяет нам отвечать на вопросы, когда мы не заинтересованы в точных цифрах в начале. Нам просто нужно общее чувство осуществимости — будет ли строительство сферы Дайсона нуждаться (относительно) в малом, среднем или чрезвычайном количестве энергии?
В конце концов, мы практически не знаем, как выстроить сферу Дайсона, потому попытка сделать нечто более сложное просто приведет к тому, что мы введем много других догадок для обработки всех маленьких деталей. Каждое из этих предположений увеличит неопределенность любых цифр, которые мы создаем, и эта неопределенность скорее всего будет похоронена в анализе.
Операционные предположения
Цель состоит в том, чтобы превратить целые планеты в собиратели солнечной энергии. Мы не знаем и не заботимся о том, какой метод будут использовать наши потомки для захвата и хранения энергии, поэтому можно предположить, что наш сборщик энергии (например, сегмент сферы Дайсона) будет сделан из материала, который сейчас находится в скалах, поэтому он будет иметь такую же среднюю плотность, как и сама Земля.
Также предположим, что любые элементы, которые нам понадобятся для построения нашей сферы Дайсон, будут присутствовать в необходимых нам количествах.
Наконец, предположим, что наша область Дайсона будет иметь одинаковую толщину и плотность по всему объему. Неважно, используете ли вы оригинальную идею сферы Дайсона, или просто «рой» гигантских панелей. В любом случае волнует доля сферы, которую охватит наша структура, если ее разместить на определенной орбите.
Развязать Землю
Даже если бы мы покрыли всю поверхность Земли солнечными батареями, мы все равно захватили бы меньше одной десятой миллиардной всей энергии, производимой нашим Солнцем. Большую часть своей энергии оно просто бесполезно излучает в пустое пространство.
Если мы хотим добиться статуса Великой галактической цивилизации, нам нужно не дать этой энергии излучаться, поэтому нам нужно сделать небольшую реконструкцию. Мы не хотим, чтобы только поверхность Земли улавливала солнечную энергию. Мы хотим распространить Землю, чтобы получить больше энергии.
Поэтому мы собираемся разобрать Землю и превратить ее в гигантские тонкие панели, вращающиеся вокруг Солнца, каждая из которых захватывает свет и превращает его в энергию.
Чтобы получить общее представление об уровне сложности, мы можем обратиться к величине, известной как энергия связи. Все частицы, из которых состоит Земля, склеены между собой силой взаимного гравитационного притяжения. Если вы хотите разобрать Землю, вы могли бы представить, что вы собираете одну частицу за раз и отбрасываете ее на скорости отрыва.
Этот процесс становится легче с ходом; с уходом каждой частицы гравитация Земли уменьшается, делая скорость вылета следующей частицы несколько меньше.
Впоследствии вы удалите каждую частицу планеты и официально разрешите наш мир. Фактически люди уже начали этот процесс; мы успешно подняли около 10 000–20 000 метрических тонн материала на орбиту и за ее пределы (и значительная часть из них даже осталась там). У нас осталось всего 5 971 999 999 999 999 990 000 метрических тонн.
Хотя наши потомки могут придумать какой-то сверхумный способ минимизировать усилия, необходимые для превращения нашей планеты в ряд плоских панелей, энергия связывания дает нам хорошую базу для количества энергии, необходимой для этого. Для Земли наша энергия связи составляет примерно 2,5 на 10 в 32 степени Джоуля. Чтобы дать вам определенную перспективу, каждый год все человечество потребляет всего 5 на 10 в 20 степени Джоулов — в триллион раз меньше.
Если предположить, что мы завершим работу по демонтажу нашей планеты, придет время превратить ее в столько сферы, сколько мы сможем справиться, а затем начать использовать больше солнечной энергии, чем мы можем сейчас.
Сколько времени понадобится, чтобы возместить энергию, которую мы потратили на решение Земли?
Если мы допустим, что оболочка имеет толщину 1 километр, это даст нам площадь поверхности, равную почти 2000 Земли. Она не приблизится к тому, чтобы закрыть наше Солнце, однако на орбите она может захватить лишь около 0,0004 процента всего солнечного света. Это огромное улучшение в сравнении с тем, что мы можем получить от полностью связанной планеты.
Солнце излучает около 3,8 на 10 в 26 степени Джоулов ежесекундно Если мы предположим, что наш процесс преобразования энергии эффективен на 10 процентов, захват даже этой крошечной доли позволит нам восстановить наши расходы связующей энергии всего за 60 000 лет. Учитывая масштабы мегаинжиниринга, в котором мы работаем, это не так уж плохо.
Если мы сможем снизить толщину панели всего до одного метра и повысить эффективность до 90 процентов, мы сможем окупить наши инвестиции в энергию за несколько лет.
А как насчет других планет? Если мы слишком полюбили Землю, чтобы разбирать ее в клочья, это не проблема — если мы можем сделать это здесь, мы можем сделать это где угодно. Преимущество Меркурия состоит в том, что он уже расположен недалеко от Солнца, поэтому его демонтаж позволит охватить большую долю солнечного излучения. Но это тоже меньший мир с меньшим материалом для работы.
С панелями километровой толщины, сделанными из Меркурия, мы могли бы захватить 0,0001 процента излучения Солнца. При 10-процентном КПД мы возместили бы расходы, связанные с Меркурием, примерно за тысячу лет. Благодаря метровой толщине панелей и 90-процентному КПД мы достигли бы площади поверхности, равной более 100 000 Земли, и окупили бы наши инвестиции менее чем за год.
На другом конце спектра Юпитер, безусловно, является самой массивной планетой в Солнечной системе, поэтому он должен способствовать замечательному строительству Дайсона. Но это в основном газ; он имеет лишь около пяти земных каменистых материалов (теоретически – мы не уверены), погребенных под тысячами километров газа.
Нам пришлось бы решить все это, и тогда мы даже не сможем использовать большую часть планеты. Когда все сказано и сделано, мы получим около 10 000 земной поверхности, но на такой далекой орбите это не лучше, чем способность охватывать Меркурий. Учитывая огромную стоимость ликвидации этого газового гиганта, понадобятся сотни миллионов лет, чтобы вернуть наши деньги.
Переход на более тонкие панели и более высокую эффективность несколько улучшает ситуацию, позволяя нам получить положительную рентабельность инвестиций только через несколько сот тысяч лет. Но человечество не является особенно терпеливой культурой, поэтому такой термин человеческой цивилизации нужно еще просуществовать.
Подвижные горы
Все эти расчеты предполагают, что оставляем материал каждой планеты на ее текущей орбите. Но если мы собираемся участвовать в реструктуризации нашей солнечной системы, давайте идти до конца. Количество солнечной радиации, которую мы можем уловить на определенной площади поверхности, уменьшается с квадратом расстояния от Солнца. Сократите это расстояние, и энергия пойдет вверх. Если бы мы смогли переместить части нашей планеты на более близкую орбиту, мы могли бы захватить большую долю излучения нашей звезды.
Но бесплатного обеда не бывает. Да, Солнце находится в центре гравитационной скважины Солнечной системы, поэтому с определенной точки зрения на вещи Солнце находится «на горе» остальных планет. Вы можете подумать, что перемещение чего-то поближе к солнцу не должно стоить больших затрат. Но планеты уже в движении, и чтоб вынудить их поменять орбиты, поначалу необходимо поменять их скорость.
Существует много способов перемещения объектов с одной орбиты на другую. Для наших расчетов мы возьмем, пожалуй, самый простой: передачу Хомана. В нашем случае перенос начинается с уменьшения скорости планеты, что приводит к ее падению к Солнцу. Но если мы с этим ничего не сделаем, планета сменит свою орбиту на длинную эллиптическую. Это не годится для нас, поэтому мы должны дать еще один толчок, чтобы разместить его на орбите, которую мы хотим.
О передаче Хомана можно думать, как об орбитальном эквиваленте отправки мяча с холма к другу. Сначала вы должны бить мяч, чтобы он двигался. Для этого нужна энергия. Мяч будет продолжать катиться, набирая скорость. Если ваш друг ничего не сделает, мяч прокатится мимо. Ему приходится избивать его еще раз, осуществляя еще один выброс энергии, чтобы остановить мяч у своих ног.
Мы можем оценить связь между орбитой планеты и скоростью, а также энергией, необходимой для перехода с одной орбиты на другую посредством уравнения vis-viva. Латинское название означает «живая сила» и является пережитком средневековых представлений об энергии и движении.
Если мы переместим нашу планету на десятую часть текущей орбиты (или 0,1 астрономической единицы) ближе к Солнцу, мы сможем покрыть 0,04 процента Солнца — стократное увеличение производства энергии. Но акт перемещения нашей планеты обойдется примерно в 10 раз больше энергии, чем нам нужно для ее решения.
К счастью, благодаря увеличенной скорости захвата энергии время окупаемости инвестиций сокращается только до 10 000 лет, даже если энергоэффективность панели составляет всего 10 процентов. Тогда мы можем наслаждаться дополнительной увлеченной энергией на протяжении многих грядущих лет.
Для Меркурия переезд действительно не идет нам на пользу. Увеличение расхода энергии на перемещение его до 0,1 астрономической единицы увеличивает время окупаемости до нескольких тысяч лет.
Перемещение Юпитера на ту же орбиту – или по крайней мере скалистые кусочки в его центре – стоит огромного количества энергии, около 10 в 34 степени Джоулов. Но за наши усилия мы могли бы покрыть около 20 процентов солнца. Нам все равно понадобится более миллиона лет, чтобы увидеть положительную прибыль от инвестиций, но после этого она того стоит.
Для более тонких панелей толщиной в метр, работающих с 90-процентной эффективностью, игра полностью меняется. На расстоянии 0,1 астрономической единицы Земля закрыла бы треть Солнца, и мы окупили бы наши инвестиции в энергию примерно через год.
Что касается Юпитера, нам даже не нужно было бы идти к 0,1 астрономической единице. На расстоянии примерно на 30 процентов дальше этой цифры, мы могли бы достичь невероятного: полностью закрыть наше солнце. Мы окупим затраты на энергию всего за несколько сотен лет, и тогда мы сможем владеть всей выработкой Солнца.
По материалам: Arstechnica
