Нека пресметнем дали си струва изграждането на Дайсънова сфера

Оригиналът е на Paul Sutter

През 1960 г. физикът Фрийман Дайсън предполага, че една напреднала извънземна цивилизация един ден ще престане да се занимава с такива детски неща като вятърни турбини и ядрени реактори и най-накрая ще се заеме със сериозни неща. Например, те биха могли напълно да изградят около своята родна звезда специална конструкция във формата на масивна сфера, за да уловят възможно най-много звездна енергия. След това те ще използват това огромно количество енергия, за да добиват биткойни, да създават забавни видеоклипове в социалните мрежи, да изследват най-дълбоките тайни на Вселената и да се наслаждават на благата на своята богата на енергия цивилизация.

Но какво би станало, ако тази извънземна цивилизация сме ние? Какво ще стане, ако решим да изградим сфера на Дайсън около нашето слънце? Ще можем ли да го направим? Колко енергия би ни коствало да преустроим нашата Слънчева система и колко време би ни отнело да възвърнем инвестицията си? Преди да започнем да мислим дали човечеството е способно на този невероятен подвиг, дори и теоретично, трябва да решим дали изобщо си заслужава да полагаме такива усилия. Можем ли наистина да постигнем нетно увеличение на енергията, като построим сфера на Дайсън?

Рентабилността на Дайсъновите сфери

Трябва веднага да отбележа, че аз съм теоретичен космолог, а не инженер. Нямам никаква представа как се строи мост, камо ли структура, която ще промени облика на нашата Слънчева система. Но съм готов да се обзаложа, че никой изобщо не знае как да се занимава с подобни мегаинженерни задачи. Не можем да кажем със сигурност какъв напредък в какъв вид технология ще е необходим, за да се създаде структура, която поне частично да покрие Слънцето. Да се спекулира по този въпрос би било научна фантастика – забавна, но не много съдържателна.

Това, което знам обаче, е физиката и може да направим някои предположения, които да ни позволят да разсъждаваме за физиката на сферата на Дайсън. Можем да проведем мисловен експеримент за създаване на такава сфера, за да изучим фундаменталните принципи на работа с енергията, орбитите и движението на небесните тела. И това е важно: независимо от това какви технологии, които ни позволяват да разкъсваме планети (дори и да са толкова напреднали, че да не могат да бъдат различени от магията), разработят нашите потомци, те все пак ще трябва да се сблъскат със суровата реалност на физиката. Те няма да могат да получат нищо даром. Ако искат да променят формата на планетата, за това ще им е необходима енергия. Ако искат да преместят слънчев панел с размерите на планина на друга орбита, това също ще изисква енергия.

Поради тези и много други причини изграждането на сферата на Дайсън изисква разход на енергия. Затова ще разгледаме за колко време ще се възвърне вложената енергия и каква би била оптималната конструкция, за да се сведе до минимум първоначалната инвестиция.

 

За да получим конкретни числа, ще трябва да направим много предположения. Хората обичат да се шегуват с физиците, че опростяват сложните проблеми, като понякога ги правят неузнаваеми

Но в този опростяващ подход има нещо мощно, на което физиците се обучават на него от първия си ден. От една страна, той ни дава възможност да отговаряме на въпроси, когато от самото начало не се интересуваме от точните числа. В този случай искаме само да получим обща представа за осъществимостта: дали изграждането на сфера на Дайсън би изисквало (относително) малко, средно или изключително голямо количество енергия. На второ място, опростяването на проблема помага да се скрият грешките (или в изчисленията, или в основните ни предположения). Ако всичко, което искаме да получим, е обща насока, грешка от два пъти (или дори 10 или 100 пъти) няма да промени общите предположения, които ни дават нашите изчисления.

И накрая, ние буквално не знаем как да конструираме сфера на Дайсън от началото до края, така че опитите още от самото начало да отчетем всичко ще доведат до затъване в дребни детайли. Всяко от предположенията за всеки малък детайл ще увеличи неопределеността на всяка една оценка.

Оперативните допускания

Целта на този проект е превръщането на цели планети в съоръжения за събиране на слънчева енергия. Не знаем и не ни интересува какъв метод ще използват нашите потомци за улавяне и съхраняване на енергията, затова ще приема, че нашата система за събиране на енергия (като сегмента на сферата на Дайсън) ще бъде направена от материал на минерална основа, така че ще има същата средна плътност като Земята. Ще се придържам към това предположение, когато стигнем до разглобяването на другите планети в нашите разсъждения (като се фокусираме при необходимост върху тяхната скалиста част).

 

Ще предположа също, че всички елементи, от които се нуждаем, за да създадем сферата на Дайсън ще бъдат налични в необходимите количества. Мисля, че това е доста справедливо предположение – в края на краищата, говорим за превземането и преработката на цели светове и превръщането им в нещо друго, така че ще имаме достатъчно материал за работа.

Що се отнася до дебелината и ефективността на панела, ще подбираме тези стойности, докато проучваме възможностите си.

Раздробяване Земята

Дори ако покрием цялата повърхност на Земята със слънчеви панели, пак ще уловим по-малко от една десетмилиардна част от енергията, която произвежда Слънцето. По-голямата част от нея просто се излъчва безполезно в празното пространство. Ако искаме да постигнем статут на Велика галактическа цивилизация, ще трябва да предотвратим излъчването на тази енергия в космоса, така че ще трябва да извършим известно преструктуриране на системата. Не искаме само повърхността на Земята да улавя слънчевата енергия – искаме да разпрострем Земята в пространството, за да улавяме още повече енергия.

 

Затова ще разглобим Земята и ще я превърнем в гигантски тънки панели, които ще обикалят около Слънцето, като всеки от тях ще улавя светлината и ще я превръща в енергия. За да добием обща представа за степента на сложност на тази задача, можем да се позовем на величина, известна като енергия на свързване. Всички частици, от които е съставена Земята, са слепени помежду си от силата на взаимното им гравитационно привличане. Ако искате да разглобите Земята, можете да си представите, че вземате по едно парче от планетата и го изпращате в космоса с необходимата скорост.

Този процес става все по-лесен; с всяка следваща изчезнала частица гравитацията на Земята намалява, което намалява необходимата скорост на излитане на всяка следваща частица. Накрая ще премахнете и последната частица от планетата и официално ще освободите нашия свят. Всъщност хората вече са започнали този процес; успешно сме издигнали около 10 000-20 000 тона материал в орбита и (и голяма част от него дори остава там). Остава ни да изхвърлим в космоса още 5 971 999 999 999 999 999 999 990 000 тона и сме готови.

Въпреки че нашите потомци може да измислят някакъв особено хитър начин да сведат до минимум усилията, необходими за превръщането на нашата планета в поредица от плоски панели, енергията на свързване ни дава добра представа за количеството енергия, необходимо за това. За Земята енергията на свързване е около 2,5х1032 Джаула. За да добиете представа за това количество, нека кажа, че цялото човечество ежегодно консумира около 5×1020 джаула – трилион пъти по-малко.

 

Когато приключим с разглобяването на нашата планета, ще дойде време да я преустроим в сфера, доколкото е възможно, и да я използваме, за да събираме повече слънчева енергия, отколкото можем в наши дни. Готови сме да отговорим на ключовия въпрос: Колко време ще ни е необходимо, за да възстановим енергията, която сме изразходвали за демонтирането на Земята?

Ако приемем, че нашата обвивка е с дебелина 1 километър, това означава, че нейната площ се равнява на почти 2000 Земи. Тя дори не би могла да покрие нашето Слънце – намирайки се в нашата орбита, тя би могла да улови само около 0,0004 % от цялата слънчева енергия. Въпреки всичко това е огромно число в сравнение с това, което можем да получим от една напълно свързана планета. Нашето Слънце излъчва около 3,8×1026 Джаула енергия всяка секунда. Ако приемем, че нашият процес на преобразуване на енергията е с нищожните 10% ефективност, улавянето дори на тази малка част би ни позволило да възстановим необходимите ни енергийни разходи за около 60 000 години. Като се имат предвид мащабите на мегаинженерството, с които работим, това не е чак толкова лошо.

Но ако успеем да намалим дебелината на панела до един метър и да увеличим ефективността на преобразуването до 90%, ще можем да възвърнем инвестициите си в енергия само за няколко години. След това само ще пресмятаме чистата печалба. Връзката между енергията и парите би трябвало да е ясна за всеки.

 

Ами другите планети? Ако сме твърде привързани към Земята, за да я разрушим, това не е проблем – щом можем да го направим тук, можем да го направим навсякъде. Предимството на използването на Меркурий, например, е, че той вече е близо до Слънцето, така че разглобяването му ще ни даде възможност да уловим по-голямата част от слънчевото излъчване. Но също така това е по-малък свят с по-малко материал за работа. С панели с дебелина километър, изработени от Меркурий, ще можем да уловим 0,0001 % от слънчевата радиация. При ефективност от 10% ще възстановим разходите си за разграждането на Меркурий за около хиляда години. Но с панели с дебелина един метър и 90% ефективност ще достигнем площ от над 100 000 земни площи и ще възвърнем инвестициите си за по-малко от година.

От друга страна, Юпитер е най-масивната планета в Слънчевата система и като такава би могла да бъде отличен материал за изграждане на сферата на Дайсън. Но тя се състои предимно от газ; на нея могат да се открият само около пет земни кълба скален материал ( и то само теоретично – не сме сигурни в това), погребани под хиляди километри безполезен газ. Ще трябва да я разглобим цялата, а при това няма да можем да използваме дори голяма част от масата на планетата. А когато приключим с този проект, ще имаме сфера с площ от около 10 000 Земи. Но на такава далечна орбита няма да уловим повече излъчване, отколкото в случая с Меркурий. Като се имат предвид огромните разходи за разглобяването на този газов гигант, ще ни трябват стотици милиони години, за да си възвърнем инвестицията. А и това няма да бъде сфера, а пръстенов свят, като в едноименната книга на талантливия Лари Нивън.

 

Преминаването към по-тънки панели и по-висока ефективност донякъде подобрява нещата, което ни позволява да възвърнем инвестициите си само за няколкостотин хиляди години. Но ние не сме особено търпеливи същества, така че да продадем такъв проект на инвеститорите ще бъде твърде трудно.

Така стоят нещата. В зависимост от степента на нашата решителност и инженерна изобретателност бихме могли да следваме препоръките на Дайсън и да преструктурираме Слънчевата си система, да започнем да улавяме значително количество слънчева енергия и да я използваме за всякакви цели. Но, както казах, не знам как да приложа това на практика и ще го оставя като домашна работа за моите приятели инженери. Аз само пресметнах какви ще са разходите във вид на енергия и за колко време ще се възвърне тази енергия при използването на най-различни проекти.