Скорлупа сверхцивилизации. Об энергетических, инженерных и экологических аспектах сферы Дайсона
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:
1. 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),
2. Стремление к экстенсивному технологическому развитию, где развитие цивилизации требует постоянного наращивания энергопотребления и перехода от примитивных источников энергии ко все более обильным и высокотехнологичным,
3. 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.
Фримен Дайсон (1923 — 2020) — блестящий инженер и физик британского происхождения, в 1950-е перебрался в США, последние годы жил в Принстоне. Вот ссылка на подробную публикацию с сайта «Элементы» о лекции Дайсона, прочитанной во время визита в Россию 23 марта 2009 года. Мистер Дайсон не скрывал своего ершистого научного диссидентства и скептического отношения ко многим острым темам современности, в частности, к политизированности проблем, связанных с глобальным потеплением. Я много лет испытываю пиетет к Дайсону (характером он неуловимо напоминает мне галливспайна), поэтому в свое время, работая в издательстве «Питер», инициировал и курировал перевод книги его эссе «Dreams of Earth and Sky», а также заручился поддержкой уважаемого Даниила Кузнецова и получил в подарок обзор этой книги на сайте Life.ru. Думаю, вышеупомянутой статьи с «Элементов» вполне достаточно, чтобы составить впечатление о научной и жизненной позиции Дайсона, поэтому перейдем к обсуждению его opus magnum — Сферы Дайсона.
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.
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:
1. 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.
2. Рой Дайсона может заслонить Солнце, что привело бы к значительным изменениям климата на Земле, вплоть до катастрофического похолодания.
3. 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.
4. 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.
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».
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.
