Сфера Дайсона — для чего это нужно? Часть I: История и возможности воплощения идеи

Общепринятый приоритет в изобретении концепции колоссального космического сооружения, обозначаемого термином «Сфера Дайсона», принадлежит англо-американскому ученому Фримену Дайсону. Но, как и всегда в истории, если хорошо поискать, то можно найти предшественников, излагавших нечто похожее, заложивших некие основы, опираясь на которые наш современник Дайсон смог предложить такую дерзновенную идею.

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.

Основоположник космонавтики, наш соотечественник Константин Эдуардович Циолковский, тоже предлагал обитаемые космические колонии, но не в форме сферы, а в форме пирамиды или конуса, развернутые прозрачным основанием в сторону Солнца (с растениями и обитателями, расположенными на стенках конуса) – так называемые «эфирные города». Причём тут сфера Дайсона? А при том, что на приведенной ниже картинке из дневника Циолковского видно, что он изображал эти конусы именно объединенными в упорядоченную сеть (чем не часть сферы Дайсона?) с помощью неких балок или тросов, проходящих через центры этих объектов (слева внизу):

Помимо этих авторов американский фантаст Раймонд З. Галлун (Raymond Z. Gallun) тоже излагал нечто похожее.
Ещё в средневековье (XV век), итальянский мыслитель XV века Марсилио Фичино, предвидя возможности человека в будущем (интуитивно ощущая, что возможности человека развиваются на основе познания, т.е. точных знаний человека о законах природы) совершенно самоуверенно (для своего времени) написал:

Человек измеряет землю и небо… Ни небо не представляется для него слишком высоким, ни центр земли слишком глубоким… А так как человек познал строй небесных светил, то кто станет отрицать, что гений человека почти такой же, как у самого творца небесных светил, и что он некоторым образом мог бы создать эти светила, если бы имел орудия и небесный материал.

Поразительные слова, как бы предвещающие дерзания будущих покорителей космоса! — замечает Лев Любимов, автор той книги по искусству (и там оказывается пишут про астрономию!), где я прочел эти строки («Небо не слишком высоко» – золотой век итальянской живописи, серия «В мире прекрасного», Лев Любимов, Москва, Детская литература, 1979).

Надо заметить, что хотя сфера Дайсона это не аналог светила — звезды или планеты, но она в некотором смысле использует первое и заменяет второе. Под сферой Дайсона можно понимать не только сферу, но любую конструкцию. Главное, чтобы эта конструкция была масштабной и перехватывала значительную часть излучения Солнца (а не тысячные доли процента, как существующие в нашей системе планеты). Конечно, итальянец Марсилио Фичино в XV веке не мог выдумать концепцию сферы Дайсона (ему не хватало знаний) и просто мечтал о создании подобия природных небесных тел, но тем не менее он смог обозначить в своем коротком тексте три из четырех основных проблем по созданию цивилизацией сферы Дайсона:

1. Метод создания – каким "некоторым образом" можно создать сферу, радиусом 50-250 миллионов километров?
2. Средства создания – какими "орудиями" можно создавать такую сферу, чтобы не навредить себе и всей своей системе?
3. Материал для создания – тот самый "небесный материал", который определяет своим наличием, количеством и качеством саму возможность создания такой сферы (а также методы и скорость строительства).
4. Место расположения – которое нужно определить заранее, до строительства, чтобы потом не оказалось, что наличие сферы в этом месте только усложняет жизнь цивилизации или просто опасно для своей системы.

Начнем с последней проблемы – с места расположения сферы, так как это самое важное решение, заметно влияющее на последующие. И ответ на вопрос о размещение сферы напрямую зависит от назначения сферы.

Классификация по расположению

Вариант А: Если нам нужна сфера Дайсона просто для получения максимума энергии от Солнца (без учета сохранения освещенности планет, особенно освещенности Земли), то было бы логичнее расположить сферу как можно ближе к Солнцу.

Возникают три основные проблемы:

1. Проблема гравитационной устойчивости и стабильности — сфера не должна падать на Солнце, ломаться или деформироваться от гравитации Солнца, а также от гравитации ближайших планет (Меркурия и Венеры).
2. Проблема охлаждения сферы — сфера не должна плавиться или деформироваться от энергии Солнца.
3. Если проблема охлаждения решена, то остается проблема переноса массы с Солнца на сферу – солнечный ветер и коронарные выбросы будут достигать поверхности сферы, повреждать её, оседать на ней, утяжелять и заряжать её.

Вариант Б: Если нам нужна сфера как поверхность обитания для людей (со всей необходимой инфраструктурой, атмосферой, почвой, растениями и животными), то сфера должна быть прочной и располагаться там, где свет Солнца имеет примерно ту же интенсивность что и на поверхности Земли — т.е. на расстоянии орбиты Земли или даже дальше (чтобы скомпенсировать отсутствие или слабость атмосферы, магнитосферы, нужных для защиты от излучения Солнца).

Возникают три новые основные проблемы (выше изложенные проблемы Варианта А не исчезают, но уходят на второй план):

1. Стабильность – сфера не должна задевать орбиты других планет (например Земли), не должна сильно притягиваться ими. Поэтому она должна быть далеко вне орбиты Земли (на 30-50 млн. км или на 0.2-0.3 а.е.).
2. Прочность и толщина сферы – вопрос в том, достаточно ли прочная поверхность сферы: помимо технологии во многом это определяется составом и качеством материала Солнечной системы.
3. Наличие материала – если его недостаточно, то и строить такую сферу не имеет смысла.

Вариант В: Если нам нужна сфера с тонкой примитивной (легко ремонтируемой) поверхностью, перехватывающей свет от Солнца, но не обязательно твердой (выдерживающей почву, людей), зато с максимальной площадью поверхности и с минимальным потоком энергии (чтобы не волноваться за перегрев сферы), то сфера должна располагаться где-то ещё дальше от светила.

Для такой сферы тоже актуальны три основные проблемы (остальные проблемы менее важны):

1. Наличие материала – для такой огромной сферы его может и не хватить.
2. Стабильность сферы — остается проблемой, но не такой срочной.
3. Столкновения с астероидами, кометами и т.п. — проблема серьезнее, чем для ранее изложенных вариантов, так как поверхность такой сферы в единицу времени пересекают гораздо больше мелких небесных тел.

Классификация по назначению

Из беглого рассмотрения местоположения сферы Дайсона очевидно, что многое также определяется назначением сферы:

Назначение 1: Тесный энергетический кокон вокруг звезды

Как можно ближе к звезде создается вращающаяся (необязательно сплошная) прочная охлаждаемая оболочка с уловителями (а также преобразователями и излучателями) энергии — чтобы получить максимум энергии при минимальных объемах строительства. Как близко к Солнцу можно построить такую сферу? Если принять неопасным разогрев оболочки Солнцем до 1000 К (без специального охлаждения), то радиус будет равен около 23 млн км, что лежит внутри орбиты Меркурия (радиус его орбиты от 40 до 60 млн км) — эти расчеты взяты со списка ответов на типичные вопросы по сфере Дайсона.

Вся полученная световая энергия преобразуется в другую (например, в электрическую) и потом либо передается куда-то (например, лазером или радиоволной), либо применяется на месте. Состояние, освещенность, стабильность орбит планет и даже само их существование в расчет не принимаются – если нужно, то они разбираются на материалы для создания сферы.

Несмотря на некоторую экстремальность такого назначения сферы (нестабильность сферы надо постоянно парировать выпуском газов/солнечного ветра с разных направлений, или работой двигателей на внешней/внутренней оболочке сферы) и проблему прочности (для нашего уровня развития главной проблемой является прочности любых современных материалов) эта конструкция вполне оправдана для цивилизаций высокого уровня. Особенно если таким способом осваивается не своё светило, а чужая звезда. Это ведь не колыбель цивилизации, где разбирать или заслонять от светила планеты не поднимется рука (просто из уважения к истории своего мира), не говоря уже о нарушении стабильности орбит других планет при разборке даже одной планеты. Если такая чужая звезда имеет неудачный (с точки зрения цивилизации) спектр, не обладает пригодными для освоения и обитания планетами, то и жалеть такую систему со звездой никто особо не будет: планеты пойдут на создание сферы.



Конструкция такого вида особенно оптимальна для белых карликов: эти неактивные, медленно (миллиарды лет) остывающие остатки звезды светят стабильно: температура их поверхности остывает со средней скоростью около 10000 K за 1 миллиард лет — эта оценка основана на разнице температур нового белого карлика: от 90 000 К (оценка по линиям поглощения) или 130 000 К (оценка по рентгеновскому спектру), до температур ниже 4000 К (так называемый черный карлик) для некоторых белых карликов, остывших за 13 миллиардов лет (время жизни Вселенной). Белые карлики светят без вспышек и выбросов коронарной массы, они невелики по размерам и по светимости — вокруг них можно сделать сферу радиусом в десятки раз меньше (даже менее 1 млн. км), чем вокруг активного Солнца или других звёзд схожего размера. Но проблема прочности сферы остается.

В 2015 году двое турецких ученых рассчитали радиусы сфер Дайсона (пригодных для обитания людей на внешней прочной поверхности с комнатной температурой) для разных типов белых карликов. Результаты лежат в пределах 2-5 млн. км, а количество материала на создание такого рода сфер с толщиной оболочки около 1 м примерно равно материалу всей Луны. Эту работу заметили и в США и у нас в СМИ.

С красными карликами дело несколько сложнее: у них часто бывают вспышки, их жесткое излучение опаснее солнечного. Но и у них есть свои преимущества: их много, а их вес от 30% и вплоть до 8% от веса Солнца, значительно меньшие значения светимости и малые геометрические размеры позволяют построить сферы радиусом поменьше, чем для Солнца, а уж продолжительность их жизни далеко перекрывает и ожидаемую продолжительность жизни Солнца и время остывания белых карликов до уровня, когда получение энергии сферой уже мало.

Вывод: Данное назначение сферы Дайсона имеет смысл для определенных типов небольших звезд, но явно не для родной системы цивилизации и не для первой попытки любой цивилизации построить сферу Дайсона. Вот когда цивилизация выйдет на звездные просторы, то тогда и начнет «гасить» ближайшие звезды (особенно карлики) такими коконами, образуя тем самым в небе «пузырь Ферми» без звезд (термин Ричарда Кэрригана). В оптическом диапазоне это будет похоже на звёзды, находящимся в туманности, но при этом прилично светящиеся в ИК-диапазоне. Название «пузырь Ферми» было предложено из-за того, что подобная группа сфер Дайсона будет постепенно расширяться в соответствии предположением Энрико Ферми о скорости расширения ареала таких цивилизаций в 0,001 — 0,01 от скорости света.

Назначение 2: Огромная поверхность для заселения людьми

Самое амбициозное, трудное в создании и материально затратное назначение для сферы Дайсона. Требует воистину огромного количества материалов и ресурсов для создания. Если мы не считаем возможным разборку Земли или её затемнение, то радиус такой сферы должен быть около 190-250 млн. км (на 40-50 млн. км за земной орбитой для уменьшения взаимного влияния сферы и Земли).

В связи с простыми выводами из физических законов (Закон Гаусса) — так называемая теорема Ньютона об отсутствии гравитации внутри сферических тел (по-английски: Shell theorem) — для любой равномерно плотной сферической оболочки гравитация внутри оболочки зависит только от массы внутри (а не от массы самой оболочки). Поэтому находиться людям на внутренней поверхности такой оболочки будет просто опасно: они будут притягиваться внутрь к Солнцу, а не к оболочке (какой бы толстой она не была). Некоторые оригиналы в связи с этим даже предлагают селиться на внешней оболочке такой сферы! (и упомянутая выше работа о белых карликах). Избавиться от падения внутрь можно: закрутив сферу до нормальной для такого радиуса орбитальной скорости, что добавит около 1/3 от земной силы тяжести направленной наружу.

Но атмосфера от этого особо удерживаться не будет (надо её ограждать от внутреннего вакуума), весь свет от Солнца будет переотражаться от оболочки и слепить со всех сторон, да и замкнутый внутри сферы солнечный ветер с интенсивностью около 2.5 на 10^12 ионов на метр квадратный за секунду не сможет никуда выйти.

Главная проблема в другом: необходимо достичь немалой прочности оболочки этой сферы, чтобы сфера под действием гравитации Солнца не упала внутрь, к Солнцу. Для невращающейся сферы требуется некая прочность, чтобы противостоять давлению, вызванному притяжением Солнца на пробный килограмм материала сферы, которое равно (расчеты отсюда):

Fin = G * M * m / R^2 [kg * m / sec^2]
где G = 6.674 *10^-11 [м^3 / (кг * сек^2) ] это константа гравитации,
M = 2 * 10^30 кг это масса Солнца,
m = 1 кг это пробная масса единицы площади сферы, а R — радиус сферы 190 млн. км
= 6.674 * 1.9885 * 10^(30 — 11) / 190 * 10^9 * 190 * 10^9 = 3.6768 * 10^19 / 10^22 = 3.68 * 10^-5 [кг*м/сек^2] = 0.04 миллиньютона.

Это вроде ерунда, какие-то мизерные доли от силы тяжести на Земле (9.8 ньютона действуют на пробный килограмм на поверхности нашей планеты). Но проблема в том, что ещё на этот килограмм оболочки давит вес всех других килограммов, составляющих сектора купола сферы снизу и сверху (см. наглядный рисунок ниже).



Да, их вес на таком расстоянии от Солнца минимален, те самые 0.04 миллиньютона, но эту мизерную силу надо векторно умножить на миллионы этих килограмм, составляющих массу сектора купола. Результирующая сила зависит от толщины оболочки и даже для сантиметровых толщин она просто ужасна (так как размеры и масса сектора купола огромна).

Если создать вращающуюся сферу (при сборке сферы из элементов, только так и надо начинать: все элементы экваториального кольца должны предварительно выводится на стабильную орбиту, что требует вращения вокруг светила со скоростями близкими к орбитальным скоростям планет: 30 км/сек для Земли или около 25 км/сек для орбиты за земной, но до марсианской), то это вращение поможет собранной жесткой оболочке сферы только на экваторе и рядом с ним. Там центробежное ускорение (сила инерции) равно:

Fout = m * V^2 / R [kg * m^2 / m * sec^2]
= 25 * 25 * 10^6 / 200 000 000 = 625 / 200 = 3.125 [кг*м/сек^2] = 3.1 Ньютон (меньше земного тяготения в 3 раза).

Но это ускорение не уменьшает силу притяжения к светилу на полюсах такой сферы, и не особо помогает на средних широтах. Проблема с давлением огромной массы секторов верхнего и нижнего куполов на быстро вращающийся экватор сферы остается. Остается и проблема недостатка ресурсов: ученый Андерс Сандберг оценивает, что в нашей Солнечной системе находится 1,82х10^26 кг легко используемого строительного материала, что является достаточным для строительства оболочки Дайсона радиусом 1 а.е., средней массой 600 кг/м2 при толщине приблизительно 8-20 см в зависимости от плотности материала. Если выкинуть материал ядр газовых гигантов, которые, сильно мягко говоря, труднодоступны, то внутренние планеты отдельно могут предоставить лишь 11,79х10^24 кг вещества, что хватит для строительства оболочки Дайсона радиусом 1 а.е. с массой всего 42 кг/м2 и около сантиметровой толщины.

Вывод: Данное назначение сферы Дайсона имеет смысл только для идеалистических мечтаний о мощи цивилизации. Современные материалы не позволяют создать такую сферу. Кроме того никакой материал и никакие новые технологии не изменят того факта, что внутренняя поверхность сферы не пригодна для обитания в чистом виде (нужна ещё внутренняя прозрачная сфера для удержания атмосферы от падения вниз к светилу), а сама сфера опасно нестабильна. И главное: материала в нашей системе просто не хватит.

Назначение 3: Легкие концентраторы энергии звезды

Такие сферы могут быть как дальше, так и ближе земной орбиты. Главное то, что их назначение это не проживание максимального количества людей на их внутренней поверхности, а использование излучаемой Солнцем энергии, пусть и не 100% этой энергии. Эти допущения по назначению открывают широкие возможности по формам и типам конструкций. Можно выбрать ту, которая доступна текущим технологиям, не замахиваясь на нереальное. Например можно отойти от сферы к отдельным элементам, составляющих так называемый Рой Дайсона, на орбите вокруг Солнца (у Меркурия), которые получают и перерабатывают энергию и посылают её дальше потребителям.



Можно рассмотреть и элементы без преобразования энергии, которые просто посылают отраженный солнечный свет в нужном направлении (упоминается здесь). Набор таких нежестких колец (из элементов роя) с разными радиусами и углами к плоскости эклиптики может в принципе перехватывать даже больше 50% солнечного излучения, даже если кольца не сплошные (не жесткие) и между самими кольцами есть зазоры.

Да, это не сфера в геометрическом смысле слова, но вполне практичная альтернатива сфере. Главное — это отказаться от самой сферы — как говорится: Вам шашечки или доехать надо?

Вывод: данное расплывчатое назначение сферы Дайсона придает большую гибкость всей концепции и позволяет рассмотреть несколько форм и типов конструкций, с разными исходными задачами и с разными результатами, а также с разными потенциалами совершенствования и модернизации.

К такому же выводу пришел и футурист Стьюарт Армстронг, выбрав в качестве естественной перспективы для цивилизации Рой Дайсона (Dayson Swarm), построенный из материала Меркурия и расположенный примерно на его орбите: смотри то самое видео выше (с 2:50 по 4:50) на английском, с рассуждениями про разработку гематита (химическая формула Fe2O3) на Меркурии, про отражатели и коллекторы света. Этот футуристический план по «разработке всего Меркурия до конца» был замечен и у нас в официально-скандальной прессе и на сайте Popular Mechanics.

Классификация типов конструкций

Так называемый I тип сферы Дайсона это не сплошная условная сфера — Рой Дайсона (Dayson Swarm) — из отдельных, никак между собой не связанных элементов, движущихся по своим стабильным орбитам, на более-менее постоянном удалении от центрального светила. Орбиты регулируются тягой любых двигателей на самих элементах.

Так называемый II тип сферы Дайсона это не сплошная условная сфера из отдельных несвязанных элементов, парящих на постоянном удалении от центрального светила за счет баланса силы притяжения и силы давления света/солнечного ветра. Элементы названы статитами (типа стабильные сателлиты). Баланс этих сил (притяжения и давления света) достижим только при очень легком материале: с очень легкой прочной оболочкой: 0.78 грамм на м2, что недостижимо для современных технологий.

Так называемый III тип сферы Дайсона это простая и сплошная сфера в виде легкого баллона, так называемый «Пузырь Дайсона». Баланс сил основан на равенстве давлении света гравитации, как и тип II, но со сплошной оболочкой, очень легкой и тонкой: 0.78 грамм на м2, что недостижимо для современных технологий – для такой сферы радиусом 1 а.е. достаточно материала массой в один крупный астероид Паллада: 2.17 на 10^20 кг.

Отбрасывая II и III тип сферы Дайсона из-за отсутствия на данный момент (и в обозримом будущем) подобных материалов мы снова приходим к рою Дайсона — к сфере I типа, просто потому, что она реальнее всех остальных типов.

Есть и другие, экзотичные типы конструкций (к примеру тут), но все они ещё сложнее и нереальнее.

Сфера Дайсона начинается с Кольца

Рассмотрим сам процесс создания Сферы Дайсона, точнее Роя Дайсона в виде Кольца.

С чего техническая цивилизация начнет монтаж любой сферы Дайсона? С вывода отдельных элементов сферы на орбиту. Только элементы сферы Дайсона, двигающиеся по стабильной круговой орбите с нужным радиусом, могут быть собраны вместе (без жесткого соединения, с зазорами), чтобы постепенно шаг за шагом сформировать… увы, не сферу, а только кольцо, так как чем выше или ниже элемент над плоскостью кольца, тем сложнее его поставить на стабильную орбиту, не пересекающую уже созданное кольцо и не сильно удаленное от него по радиусу. Хотя есть прикидки, как сделать много индивидуальных непересекающихся орбит для элементов. Например, красивый вариант с разными восходящими узлами орбиты и перицентрами (но с одинаковым наклонением и радиусом) — этот вариант Роя с максимальным количествои индивидуальных орбит в виде «кружевного» тора под названием Jenkins Swarm (Рой Дженкинса) использован для картинки на обложке этой статьи.

Монтаж скорее всего начнется со сборки части кольца Дайсона в плоскости эклиптики. Ведь вне плоскости эклиптики меньше астероидов и другого материала для создания элементов кольца. А в плоскости эклиптики и материала больше, и доставить на нужный радиус этот материал легче, и придать ему (или уже построенному элементу кольца) нужную орбитальную скорость проще. Назовем такую нежесткую конструкцию из отдельных близко расположенных элементов роя Кольцом Дайсона (так как Кольцо Нивена по определению обязательно жесткое).

После создания гибкого (состоящего из несвязанных или слабо связанных элементов) кольца заданного радиуса, с накоплением опыта и усовершенствованием технологии, цивилизации можно создавать и другие кольца, уже поперек плоскости эклиптики и под углом к ней, но эти кольца должны быть с заметно увеличенным или уменьшенным радиусом, чтобы не задевать первоначальное кольцо.

Это всё по первой части статьи: история идеи бегло рассмотрена и выбран оптимально-реализуемый вариант сферы Дайсона.

Во второй части статьи рассматривается метод строительства Кольца Дайсона на основе роя из стандартных, автономных элементов. Рассчитываются параметры такого Кольца для Солнечной системы с двумя вариантами расположения Кольца: до орбиты Земли (за орбитой Венеры, поближе к Солнцу) и за орбитой Земли (до орбиты Марса). Также подробно рассматривается стандартный элемент такого Кольца, его геометрические и весовые параметры и возможные функции.

В третьей части статьи раскрываются цели построения такого Кольца, способы его применения и способы нестандартного применения отдельных автономных элементов Кольца вне самой орбиты Кольца. Также обсуждается проблема обнаружения такого гигантского сооружения извне.

Источник: geektimes.ru