Гэтае вынаходніцтва дазволіць чалавецтву жыць вечна. Расказваем, як яго пабудаваць
Гэтая навукова-фантастычная мегаструктура дзесяцігоддзямі прыцягвала ўвагу вялікіх мысляроў — бо яна магла б вырашыць шмат праблемаў чалавецтва. Вядучы эксперт у галіне астрабіялогіі расказвае нам, як яе пабудаваць, піша Popular Mechanics.
28.06.2022 / 20:06
Сфера Дайсана. Фота: Rebekah Smith
У 1960 годзе брытанскі фізік-тэарэтык Фрыман Дайсан апублікаваў у часопісе Science артыкул з адну старонку, у якім прапанаваў, магчыма, самае аптымістычнае бачанне тэхналагічнай будучыні чалавецтва. Дайсан уявіў, што развітая цывілізацыя задаволіць свае павышаныя энергетычныя патрэбы, пабудаваўшы вакол зоркі сферу, якая будзе паглынаць яе энергію.
У артыкуле больш увагі надавалася тэорыі, чым інжынерным распрацоўкам, і Дайсан апісаў мала падрабязнасцяў пра тое, як можа выглядаць такая мегаструктура або як мы маглі б яе пабудаваць. Ён апісаў сваю сферу толькі як «прыдатную для жыцця абалонку» вакол зоркі. Але гэтага аказалася дастаткова, каб захапіць і натхніць астрафізікаў, навукоўцаў і пісьменнікаў-фантастаў. На некаторых малюнках сфера Дайсана, як яе сталі называць, выглядае як масіўнае кола, якое апяразвае зорку і амаль дасягае зямлі. На іншых сфера цалкам акружае сонца, з'яўляючыся велічэзнай мегаструктурай, якая ўлоўлівае кожную часціцу энергіі гэтай зоркі. Акрамя навуковых працаў, сферы Дайсана фігуравалі ў раманах, фільмах і тэлешоў, у тым ліку ў «Зорным шляху», у якасці дома для развітых цывілізацый.
Сам Дайсан разумеў, наколькі складана пабудаваць такую масіўную структуру, і скептычна ставіўся да таго, што гэта калі-небудзь адбудзецца. Тым не менш, яго сфера выклікала амбіцыйныя ідэі пра будучыню нашай цывілізацыі, і яе працягваюць прапаноўваць у якасці рашэння некаторых з самых сур'ёзных дылемаў чалавецтва. Выкарыстанне поўнай энергіі Сонца або любой іншай зоркі вырашыла б наш энергетычны крызіс у бліжэйшай і доўгатэрміновай перспектыве, але калі цывілізацыя атрымае доступ да поўнай энергіі зоркі, задавальненне нашых зямных энергетычных патрэбаў — гэта толькі пачатак.
З такой колькасцю энергіі мы здолеем накіроўваць магутныя лазерныя імпульсы на экзапланеты, якія, як мы лічым, могуць утрымліваць жыццё, што невымерна павялічыць нашы шанцы на зносіны з далёкімі цывілізацыямі. Гэтыя прамяні, якія будуць сілкавацца энергіяй Дайсана, могуць пранікаць далей ў космас, чым гэта магчыма цяпер, пранікаючы ў вобласці прасторы з высокай шчыльнасцю, такія як пылавыя аблокі, у якіх згасаюць сігналы, якія мы дасылаем цяпер.
Эпізод Star Trek: The Next Generation пад назвай «Рэліквіі», які ўпершыню паказалі 12 кастрычніка 1992 года. Зоркалёт «Энтерпрайз» побач са сферай Дайсана. Фота: CBS.
У якасці альтэрнатывы мы маглі б выкарыстоўваць гэтую энергію, каб дапамагчы дасягнуць экзапланетаў наўпрост. Для гэтага нам трэба дастаткова магутнасці, каб як называюць гэта некаторыя астрафізікі, маніпуляваць прасторава-часовым кантынуумам для скарачэння шляху з дапамогай квантавай гравітацыі. Адзін з цікавых варыянтаў заснаваны на стварэнні так званых «чорных дзюраў Кугельбліца» з чыстымі фатонамі, якія, у тэорыі, могуць сілкаваць міжзорныя зоркалёты будучыні. Скажаючы саму прастору-час, мы маглі б падарожнічаць хутчэй за святло або ствараць тунэлі, якія забяспечваюць кароткія шляхі для перасячэння галактыкі.
Яшчэ больш прывабна тое, што практычна бязмежная энергія, якую даюць сферы Дайсана, можа вырашыць некаторыя з самых незразумелых перашкодаў на шляху да падаўжэння жыцця. Прыхільнікі крыягеннай тэхнікі прызнаюць, што яе шырокае і доўгае выкарыстанне можа стварыць патрэбы ў энергіі, якія значна перавышаюць існуючыя цяпер. А ў 2018 годзе даследчыкі Аляксей Турчын і Максім Чарнякоў заявілі, што штучны інтэлект можа быць здольны ў лічбавым выглядзе аднаўляць людзей у сімуляваным свеце, выкарыстоўваючы ДНК і іншую інфармацыю, атрыманую ад памерлых. Стварэнне сімуляцыяў, дастаткова поўных, каб забяспечыць лічбавую несмяротнасць, запатрабуе велізарнай колькасці энергіі, не кажучы ўжо пра тое, каб пераадолець мноства этычных і філасофскіх перашкодаў. Але даследчыкі выказалі здагадку, што тэхналогія Дайсана можа забяспечыць неабходную магутнасць.
Амбіцыйнае бачанне Дайсана актуальнае як ніколі. Па даных Упраўлення энергетычнай інфармацыі ЗША, калі тэхналогіі будуць развівацца па цяперашняй крывой, то ў найбліжэйшыя 30 гадоў сусветныя патрэбы ў энергіі могуць павялічыцца на 50 адсоткаў. Вецер, сонца і іншыя аднаўляльныя крыніцы энергіі дапамогуць у найбліжэйшай будучыні, але доўгатэрміновае рашэнне запатрабуе больш смелых інжынерных рашэнняў. Сфера Дайсана магла б стаць амбітным рашэннем, але яна звязана з відавочнымі фізічнымі і механічнымі праблемамі, і незразумела, ці зможа іх вырашыць нават цывілізацыя, развітая на многія тысячы гадоў болей за нашую.
Калі я быў прафесарам цэнтра астраноміі і астрафізікі пры Берлінскім тэхнічным універсітэце, я прысвяціў дзесяцігоддзі разуменню магчымасцяў, звязаных з развітымі іншапланетнымі цывілізацыямі. Я суаўтар пяці кніг пра пазаземнае жыццё, і мая цікавасць да гэтай навукі натхніла мяне на вывучэнне сфераў Дайсана як магчымай формы перадавой іншапланетнай тэхналогіі. Каля дзесяці гадоў таму я быў заінтрыгаваны тым, якія буйныя інжынерныя праекты можа ажыццяўляць іншапланетная цывілізацыя.
Мастацкая выява: скрыўленне прасторы-часу для стварэння міжгалактычнага тунэлю. Фота: Getty Images
У 2010 годзе я вывучаў магчымасць стварэння сферы Дайсана. Працуючы з Бруксам Харапам, маім былым студэнтам-фізікам з Універсітэта штата Вашынгтон у Пулмане, мы выявілі мноства праблем з агульнапрынятай канцэпцыяй сферы Дайсана, самай важнай з якіх была рызыка разбурэння сферы. Жорсткая канцэнтрычная сфера вакол зоркі будзе адчуваць гравітацыйнае прыцягненне ў кожным пункце. Ніводны вядомы сёння матэрыял не зможа супрацьстаяць гэтай сіле. Інжынеры маглі б супрацьпаставіць гэтаму складаную сістэму рухавікоў, якая ўтрымлівала б абалонку на месцы з дапамогай процідзейнай сілы, але ўлічваючы велізарную масу абалонкі — у большасці канцэпцый радыус структуры складае 93 мільёна міль, што адпавядае адлегласці паміж Зямлёй і сонцам — такая сістэма спажывала б велізарную частку, калі не ўсю, энергіі, сабранай абалонкай.
Але дапусцім, што нам удасца пераадолець гэтыя праблемы і пабудаваць сферу далёка ў будучыні: як яна будзе супрацьстаяць метэарытам, астэроідам, радыяцыі і выбліскам на сонцы? Аб'ект з масай каметы Галея ўрэзаўся б у канструкцыю з кінэтычнай энергіяй больш за мільён цар-бомбаў (магутнасць выбуху дасягнула ў эквіваленце 58.6 мільёнаў тон трацілу, а выбуховая хваля тройчы абагнула зямлю).
Дайсан прадбачыў гэтыя рызыкі і прызнаў, што абалонка або кола вакол зоркі, хутчэй за ўсё, няздзейсныя. Але фізік прапанаваў рашэнне: калекцыя, або рой, аб'ектаў, якія рухаюцца па незалежных арбітах вакол зоркі, збіраюць яе энергію, пазбягаючы пры гэтым большасці фізічных і механічных праблем цвёрдай сферы Дайсана. Спадарожнікі можна будаваць патроху і паступова падключаць да сеткі, з часам павялічваючы вытворчасць энергіі роем.
«Рой Дайсана». Фота: wikimedia.org
Рой Дайсана, які складаецца прыкладна з 10 мільёнаў спадарожнікаў, мог бы задаволіць энергетычныя патрэбы чалавецтва. Гэта шмат, але сучасныя спадарожнікавыя групоўкі ствараюць прэцэдэнт для такога інжынернага подзвігу. SpaceX можа запускаць 240 спадарожнікаў сувязі Starlink у месяц, і па стане на люты 2022 года ў космасе ўжо знаходзіцца больш за дзве тысячы спадарожнікаў. Да моманту завяршэння праекта флот можа налічваць дзясяткі тысяч спадарожнікаў — гэта, вядома, не «рой Дайсана», але дастаткова, каб распаліць наша ўяўленне.
Каб пераадолець цяжкасці арыгінальнай канцэпцыі Дайсана, мы з Харапам вырашылі знайсці рэалістычны праект для яе замены — рой Дайсона. Мы назвалі нашу ідэю Solar Wind Power Satellites (SWPS, спадарожнікі для выпрацоўкі энэргіі, якія працуюць з дапамогай сонечнага ветру). Традыцыйныя сонечныя батарэі выкарыстоўваюць бачную энергію святла, а нашы спадарожнікі будуць збіраць электроны, якія складаюць палову сонечнага ветру. Хуткасць найхутчэйнага сонечнага ветру складае каля 750 кіламетраў у секунду, што робіць гэтыя электроны больш багатымі энергіяй, чым энергія бачнага святла, якая трапляе на сонечную панэль. Сэрцам нашага спадарожніка з'яўляецца доўгі металічны провад, накіраваны на сонца, які будзе зараджацца для стварэння магнітнага поля, а пасля накіроўваць ўваходныя электроны ў сферычны металічны прыёмнік. Гэтыя электроны будуць вырабляць ток, які, у сваю чаргу, будзе падтрымліваць магнітнае поле ў провадзе і ствараць сістэму паміж імі, якая будзе падтрымліваць сама сябе.
Большая частка току застанецца для сілкавання інфрачырвонага лазера, накіраванага на прыёмныя станцыі на зямлі — інфрачырвоны колер аптымальны дзякуючы празрыстасці «інфрачырвонага акна» ў нашай атмасферы, якое прапускае без паглынання хвалі даўжынёй прыкладна ад 8 да 13 мікрон. Пасля таго, як лазер адправіць электрычную энергію на прыёмную станцыю, астаткі электронаў вярнуцца на колавобразны ветразь, дзе ўваходнае сонечнае святло зможа ўзбудзіць іх дастаткова, каб утрымаць спадарожнік на арбіце вакол зоркі.
Фрымэн Дайсан ва ўласным яго кабінеце ў інстытуце перспектыўных даследаванняў, Прынстан, Нью-Джэрсі, 24 лютага 2009 года. Фота: Eugene Richards/Getty Images
Кожны спадарожнік будзе мець масу каля 3,7 тон (прыкладна ў тры разы больш, чым спадарожнік GPS) і забяспечыць бесперапынную выпрацоўку каля 2 мегават энергіі за суткі, што прыкладна адпавядае патрэбам у энергіі 1000 амерыканскіх аднасямейных дамоў. Цэлы рой спадарожнікаў SWP мог бы задаволіць усе патрэбы чалавецтва ў энергіі.
Гэтыя спадарожнікі могуць быць пабудаваныя з адносна простых і недарагіх матэрыялаў, асноўныя выдаткі на будаўніцтва складуць каля 300 метраў меднага проваду на спадарожнік. А паколькі ў якасці крыніцы энергіі яны выкарыстоўваюць сонечны вецер, гэтыя спадарожнікі будуць паглынаць мінімальную колькасць цяпла і працаваць амаль са 100-адсоткавым ККД. Традыцыйныя сонечныя батарэі, наадварот, дарагія ў вытворчасці, паколькі для іх вырабу патрабуецца крэмній высокай ачысткі, а іхні ККД, як вядома, невялікі — каля 20 адсоткаў.
На шляху да стварэння «роя Дайсана» стаіць некалькі тэхнічных перашкодаў. Хоць спадарожнікі не патрабуюць асаблівага абслугоўвання, яны не ачышчаюцца самі. Калі станоўчыя іёны, а не электроны сонечнага ветру патрапяць у ветразь, яны знізяць эфектыўнасць спадарожніка і з часам прывядуць да дэградацыі сістэмы. Мы таксама не вырашылі, як падтрымліваць стабільнае становішча ў космасе ва ўмовах ваганняў сонечнага ветру або як арганізаваць арбіты мільёнаў (або, у выніку, мільярдаў) спадарожнікаў вакол зоркі. І хоць малагабарытныя лазерныя сістэмы, якія выпраменьваюць энергію, дамагліся вялікіх поспехаў апошнія гады, сістэма, якая працуе ў космасе, усё яшчэ застаецца складанай задачай. Змены тэмпературы менш, чым на градус Цэльсія прывядуць да значных зменаў даўжыні хвалі і зыходнай эфектыўнасці лазера. Падтрыманне пастаяннай тэмпературы ў космасе з'яўляецца галаўным болем, бо цяжка пераносіць цяпло ад больш гарачых целаў да больш халодных у месцы, дзе няма атмасферы. Мы яшчэ не вырашылі ўсе праблемы рою Дайсана, але, магчыма, іншая цывілізацыя ўжо вырашыла іх.
У сваёй кнізе «Касмічны заапарк: складанае жыццё ў шматлікіх светах», напісанай у суаўтарстве з Уільямам Бейнсам, старшым навуковым супрацоўнікам Кардыфскага ўніверсітэта, мы сцвярджалі, што калі на планеце паўстане жыццё, то з часам яна эвалюцыянуе і стане разумнай — пры ўмове, што планета застанецца прыдатнай для жыцця дастаткова доўга. Асновай гэтага аргументу з'яўляецца тое, што ўсе асноўныя пераходы ў эвалюцыі жыцця на зямлі, мяркуючы па ўсім, адбываліся некалькі разоў і незалежна адзін ад аднаго або па розных біяхімічных шляхах. Гэта дазваляе выказаць здагадку, што некаторыя з трыльёнаў іншых планет у Сусвеце маглі прайсці той жа эвалюцыйны працэс, і частка формаў жыцця на гэтых планетах магла стаць разумнай. Ці дастаткова яны развітыя, каб пабудаваць сферу Дайсана? Фрыман Дайсан выказаў здагадку, што калі б яны гэта зрабілі, мы маглі б гэта пабачыць.
Звычайныя сферы Дайсана з цвёрдай абалонкай могуць выпраменьваць энергію ў сярэднім інфрачырвоным дыяпазоне хваляў, які выяўляецца сучаснымі чалавечымі прыборамі. Прынамсі, адна даследчая група шукала такі сігнал. Джэйсан Райт, прафесар астраноміі і астрафізікі ў Пенсільванскім універсітэце, і Мэт Павіч з кафедры фізікі і астраноміі Каліфарнійскага дзяржаўнага палітэхнічнага універсітэта выкарыстоўвалі дадзеныя з касмічнага зонда НАСА Wide Field Infrared Survey Explorer (WISE) для пошуку моцнага інфрачырвонага сігналу ў космасе, які можна было б чакаць ад сферы Дайсана. Сферу знайсці не атрымалася, але, магчыма, прычына, па якой нашы тэлескопы не ўбачылі ніякіх мегаструктураў у космасе, палягае ў тым, што іншапланецяне прыйшлі да той ж высновы, што і мы ў сваім артыкуле: гіганцкая і цвёрдая сфера Дайсана непрактычная нават для цывілізацыі больш развітай, чым наша.
Хоць мы, магчыма, ніколі не ўбачым сонца, абгорнутае ў мегаструктуру, і не будзем атрымліваць энергію ад мільёнаў спадарожнікаў, якія верцяцца вакол яго, навука і фантастыка, натхнёныя сферай Дайсана, працягваюць натхняць некаторыя з нашых самых амбіцыйных разважанняў пра жыццё на гэтай планеце і за яе межамі. Магчыма, гэта і ёсць яе самы каштоўны ўнёсак — даць нам амбіцыйную мэту, да якой мы павінны імкнуцца, і падрыхтаваць глебу для рэвалюцыйных адкрыццяў падчас гэтай спробы.