İşte yıldızları kapsayan bir mega yapı yapmanın ardındaki matematik.
1960 yılında, ileri görüşlü fizikçi Freeman Dyson, gelişmiş bir uzaylı uygarlığının bir gün rüzgar türbinleri ve nükleer reaktörler gibi anaokulu seviyesindeki şeylerle uğraşmayı bırakacağını ve sonunda mümkün olduğu kadar çok güneş enerjisi yakalamak için ana yıldızlarını tamamen çevreleyerek büyüyeceğini öne sürdü. Daha sonra, bu muazzam miktardaki enerjiyi bitcoin madenciliği yapmak, sosyal medyada komik videolar yapmak, Evrenin en derin gizemlerini araştırmak ve enerji açısından zengin medeniyetlerinin nimetlerinin tadını çıkarmak için kullanmaya devam edeceklerdi.
Ama ya uzaylı uygarlığı bizsek? Ya güneşimizin etrafında bir Dyson küresi yapmaya karar verseydik? Yapabilir miyiz? Güneş sistemimizi yeniden düzenlemek bize ne kadar enerjiye mal olur ve yatırımımızı geri almak ne kadar sürer? İnsanlığın teorik olarak bile olsa bu inanılmaz başarıya muktedir olup olmadığı konusunda çok fazla düşünmeden önce, çabaya değip değmeyeceğine karar vermeliyiz. Bir Dyson küresi inşa ederek gerçekten net bir enerji kazancı elde edebilir miyiz?
Küresel Dyson inekleri
Baştan belirteyim ki ben bir mühendis değil, teorik bir kozmologum. Güneş Sistemimizin çehresini yeniden şekillendiren bir yapı bir yana, nasıl bir köprü inşa edeceğime dair hiçbir fikrim yok. Ancak kimsenin bu tür mega mühendislik zorluklarına nasıl girileceğini bilmediğine bahse girerim. Güneşi kısmen dahi olsa çevreleyecek bir yapı inşa etmek için hangi teknolojilerde ne tür gelişmelere ihtiyaç duyulacağını kesin olarak söyleyemeyiz. Bu konuda spekülasyon yapmak bilimkurgu olurdu - eğlenceli ama çok etli değil.
Yine de bildiğim şey fizik ve bir Dyson küresinin fiziği hakkında söyleyebileceğimiz bazı şeyler var. Enerji, yörünge ve hareketin temel ilkelerini keşfetmek için bir düşünce deneyi oluşturmayı kullanabiliriz. Ve bu önemlidir, çünkü torunlarımız sihirden ayırt edilemeyecek kadar gelişmiş, gezegenleri parçalamalarına izin veren hangi teknolojiyi bulursa bulsun, yine de fiziğimizin soğuk ve sert gerçekleriyle yüzleşmek zorundalar. Hiçbir şey için bir şey alamazlar. Bir gezegeni yeniden şekillendirmek istiyorlarsa, bu enerji gerektirir. Dağ büyüklüğünde bir güneş panelini farklı bir yörüngeye taşımak isterlerse, bu da enerji gerektirir.
Bunlar ve diğer pek çok nedenden dolayı bir Dyson küresi enerji harcar. Bu nedenle, bir binanın enerji yatırımını telafi etmenin ne kadar süreceğini ve ilk yatırımı en aza indirmek için en uygun tasarımın ne olabileceğini göreceğiz.
Bazı sayılara ulaşmak için birçok varsayımda bulunacağız. İnsanlar karmaşık problemleri, bazen tanınmayacak kadar basitleştirdikleri için fizikçilerle dalga geçmeyi severler. Eski bir şakaya göre mandıra çiftçileri süt üretiminin neden düşük olduğunu anlamak için yakındaki bir üniversiteye başvurmuşlar ve fizikçilerden gelen yanıt ineklerin küresel olduğunu varsayarak başlamıştır.
Ancak bu basitleştirici yaklaşımda güçlü bir şey var, bu yüzden fizikçiler daha ilk günden bu konuda eğitiliyor. İlk olarak, başlangıçta kesin sayılarla ilgilenmediğimizde soruları yanıtlamamızı sağlar. Burada, sadece genel bir fizibilite duygusu istiyoruz - bir Dyson küresi inşa etmek (nispeten) küçük, orta veya aşırı miktarda enerji alacak mı? İkinci olarak, problemi basitleştirmek hataları örtmeye yardımcı olur (hesaplamalarda veya başlangıç varsayımlarımızda). Peşinde olduğumuz tek şey genel bir basketbol sahasıysa, o zaman iki faktörlü bir hata (hatta 10 veya 100), hesaplamalarımızın sağladığı genel sezgileri gerçekten değiştirmeyecektir.
Son olarak, bir Dyson küresini nasıl inşa edeceğimizi tam olarak bilmiyoruz, bu nedenle daha karmaşık bir şey yapmaya çalışmak, tüm küçük ayrıntıları ele almak için daha fazla varsayım sunmamıza yol açacaktır. Bu varsayımların her biri, ürettiğimiz herhangi bir sayının belirsizliğini artıracak ve bu belirsizlik muhtemelen önceden kolayca ifade edilmek yerine analizde gömülü kalacaktır.
İşletim varsayımları
Varsayımlara gelince, işte bu hikayenin geri kalanında yapacağım şey. Kendi değişikliklerinizi yapmaktan çekinmeyin—Umarım bu makale Dyson yapımı için bir formül değil, eğlenceli bir tartışma için bir sıçrama tahtası sağlar.
Buradaki amaç, tüm gezegenleri güneş enerjisi toplayıcılarına dönüştürmektir. Torunlarımızın enerjiyi yakalamak ve depolamak için hangi yöntemi kullanacağını bilmiyoruz ve umursamıyoruz, bu yüzden enerji toplayıcımızın (örneğin, Dyson küresinin bir bölümü) şu anda kayaların içinde bulunan maddelerden yapıldığını varsayacağım. bu nedenle, Dünya'nın kendisi ile aynı ortalama yoğunluğa sahip olacaktır. Diğer gezegenleri parçalara ayırmaya başladığımızda (gerektiğinde onların kayalık kısımlarına odaklanarak) bu varsayımı sürdüreceğim.
Ayrıca, Dyson küremizi inşa etmek için ihtiyaç duyduğumuz tüm unsurların ihtiyacımız olan miktarlarda mevcut olacağını varsayacağım. Bunun oldukça adil bir varsayım olduğunu düşünüyorum - sonuçta, tüm dünyaları toplamaktan ve onları başka bir şeye dönüştürmekten bahsediyoruz, yani üzerinde çalışılacak çok fazla malzeme var.
Son olarak, Dyson küremizin hacmi boyunca tekdüze bir kalınlığa ve yoğunluğa sahip olacağını ve küremizin herhangi bir bölümünün genel yapısı için yeterince iyi bir yaklaşım olduğunu varsayacağım. Orijinal Dyson küre fikriyle mi yoksa sadece devasa panellerden oluşan bir "sürü" ile mi devam ettiğiniz önemli değil. Her iki durumda da, umurumda olan şey, yapımızın belirli bir yörüngeye yerleştirildiğinde kaplayacağı kürenin kesridir.
Panel kalınlığı ve verimliliğine gelince, seçeneklerimizi keşfederken bu rakamlarla oynayacağız.
Dünyayı çöz
Dünyanın tüm yüzeyini güneş panelleriyle kaplasak bile, yine de güneşimizin ürettiği tüm enerjinin on milyarda birinden daha azını yakalamış oluruz. Çoğu, işe yaramaz bir şekilde boş uzaya yayılır. Büyük Galaktik Uygarlık statüsüne ulaşmak istiyorsak, bu enerjinin yayılmasını engellememiz gerekecek, bu nedenle biraz yeniden modelleme yapmamız gerekiyor. Sadece Dünya yüzeyinin güneş enerjisini tutmasını istemiyoruz; daha fazla enerji yakalamak için Dünya'yı yaymak istiyoruz.
Bu yüzden Dünya'yı parçalarına ayıracağız ve onu güneşin etrafında dönen, her biri ışığı yakalayıp enerjiye dönüştüren dev, ince panellere dönüştüreceğiz. Buradaki zorluk seviyesi hakkında genel bir fikir edinmek için, bağlanma enerjisi olarak bilinen bir niceliğe dönebiliriz. Dünyayı oluşturan tüm parçacıklar, karşılıklı yerçekimsel çekim kuvveti ile birbirine yapıştırılmıştır. Dünyayı parçalarına ayırmak istiyorsanız, her seferinde bir parçacığı seçip onu kaçış hızıyla fırlattığınızı hayal edebilirsiniz.
Bu süreç ilerledikçe kolaylaşıyor; her parçacık gittiğinde, Dünya'nın yerçekimi azalır ve bir sonraki parçacığın kaçış hızı biraz daha düşer. Sonunda, gezegendeki her bir parçacığı kaldırmış ve dünyamızı resmi olarak çözmüş olacaksınız. Aslında insan bu süreci çoktan başlatmıştır; yaklaşık 10.000–20.000 metrik ton malzemeyi yörüngeye ve ötesine başarıyla kaldırdık (ve bunun büyük bir kısmı orada kaldı). Sadece gitmemiz gereken 5.971.999.999.999.999.990.000 metrik tonumuz var ve altın değerindeyiz.
Torunlarımız, gezegenimizi bir dizi düz panele dönüştürmek için gereken çabayı en aza indirmenin ultra zekice bir yolunu bulabilirken, bağlanma enerjisi, bunu yapmak için gereken enerji miktarı için bize iyi bir oyun alanı sağlıyor. Dünya için bağlanma enerjimiz 2,5x1032 Joule civarındadır. Size bir bakış açısı kazandırmak için, her yıl insanlığın tamamı sadece 5x1020 Joule civarında, yani trilyon kat daha az tüketiyor.
Gezegenimizi parçalama işini bitirdiğimizi varsayarsak, onu yönetebildiğimiz kadar küre şeklinde yeniden düzenlemenin ve ardından bunu şimdi yapabileceğimizden daha fazla güneş enerjisinden yararlanmaya başlamak için kullanmanın zamanı gelecek. Anahtar soruyu yanıtlamaya hazırız: İlk etapta Dünya'yı çözmek için harcadığımız enerjiyi telafi etmek ne kadar sürer?
Kabuğumuzun kalınlığının 1 kilometre olduğunu varsayarsak, bu bize yaklaşık 2.000 Dünya'ya eşit bir yüzey alanı verecektir. Güneşimizi örtmeye yaklaşmayacak, ancak yörüngemizde olduğu gibi, tüm güneş ışığının yalnızca yaklaşık yüzde 0,0004'ünü yakalayabilir. Yine de, tamamen bağlı bir gezegenden alabileceklerimize göre bu çok büyük bir gelişme. Güneşimiz her saniye yaklaşık 3.8x1026 Joule enerji patlatır. Enerji dönüşüm sürecimizin yüzde 10 verimli olduğunu varsayarsak, o küçücük kısmı bile yakalamak, bağlayıcı enerji harcamamızı yalnızca 60.000 yılda geri kazanmamızı sağlar. Üzerinde çalıştığımız mega mühendisliğin ölçeği düşünüldüğünde, bu o kadar da kötü değil.
Panel kalınlığını bir metreye kadar küçültebilir ve verimliliği yüzde 90'a çıkarabilirsek, enerji yatırımımızı birkaç yılda geri ödeyebiliriz. O andan itibaren, sadece sos.
Peki ya diğer gezegenler? Dünya'yı parçalara ayıramayacak kadar çok sevdiysek, sorun değil - bunu burada yapabiliyorsak, her yerde yapabiliriz. Merkür zaten güzel ve güneşe yakın olmanın avantajına sahiptir, bu nedenle onu sökmek, güneş çıkışının daha büyük bir bölümünü kapsamamıza izin verecektir. Ama aynı zamanda üzerinde çalışılacak daha az malzemenin olduğu daha küçük bir dünya. Merkür'den (ve bilirsiniz, cıva değil) yapılmış kilometrelerce kalınlıktaki panellerle, güneş çıkışının yüzde 0,0001'ini yakalayabiliriz. Yüzde 10 verimlilikte, Cıva bağlayıcılığı kaldırma maliyetimizi yaklaşık bin yıl içinde geri kazanırdık. Metre kalınlığındaki paneller ve yüzde 90 verimlilikle 100.000 Dünya'nın üzerinde bir yüzey alanına ulaşacak ve yatırımımızı bir yıldan daha kısa sürede geri ödeyecektik.
Spektrumun diğer ucunda, Jüpiter, Güneş Sistemindeki açık ara en büyük gezegendir, bu nedenle harika bir Dyson binası yapmalıdır. Ama çoğunlukla gaz; binlerce kilometrelik çoğunlukla işe yaramaz gazın altına gömülü yalnızca beş Dünya değerinde kayalık malzemeye (teorik olarak - emin değiliz) sahiptir. Tüm sallanma olayını çözmeliyiz ve o zaman gezegenin kütlesinin çoğunu bile kullanamayız. Her şey söylendiğinde ve yapıldığında, yaklaşık 10.000 Dünya değerinde yüzey alanı elde edeceğiz, ancak bu uzak yörüngede, Merkür'ün kapsama yeteneğinden daha iyi değil. O gaz devini çözmenin muazzam maliyeti göz önüne alındığında, paramızı geri almamız yüz milyonlarca yıl alırdı.
Daha ince panellere ve daha yüksek verimliliğe geçiş, durumu biraz iyileştirerek, yalnızca birkaç yüz bin yıl sonra olumlu bir yatırım getirisi elde etmemizi sağlıyor. Ama özellikle sabırlı bir kültür değiliz, bu yüzden bu oldukça zor bir satış olur.
Hareket eden dağlar
Tüm bu hesaplamalar, her gezegenin malzemesini mevcut yörüngesinde bıraktığımızı varsayar. Ama Güneş Sistemimizi yeniden yapılandırmaya girişeceksek, sonuna kadar gidelim. Belirli bir yüzey alanı ile yakalayabileceğimiz radyasyon miktarı, güneşe olan uzaklığın karesi ile azalır. Bu mesafeyi küçültün ve enerji yükselir. Gezegen parçalarımızı daha yakın bir yörüngeye taşıyabilseydik, yıldızımızın çıktısının daha büyük bir kısmını çevreleyebilirdik.
Ama bedava öğle yemeği diye bir şey yoktur. Evet, güneş, Güneş Sisteminin yerçekimi kuyusunun merkezinde yer alır, bu nedenle, belirli bir bakış açısından, güneş, diğer gezegenlerin "yokuş aşağısındadır". Herhangi bir şeyi güneşe yaklaştırmanın çok maliyetli olmaması gerektiğini düşünebilirsiniz. Ancak gezegenler zaten hareket halindedir ve onların yörüngelerini değiştirmelerini sağlamak için önce hızlarını değiştirmelisiniz.
Nesneleri bir yörüngeden diğerine taşımanın birçok yöntemi vardır. Hesaplamalarımız için belki de en basit olanı alacağız: Hohmann transferini. Bizim durumumuzda transfer, gezegenin güneşe doğru düşmesine neden olan hızının düşmesiyle başlar. Ama düştükçe daha hızlı gidecektir. Bu konuda bir şey yapmazsak, gezegen sadece güneşin etrafında dönecek ve uzun bir eliptik yörüngeyi izleyerek geri uçacak. Bu bizim için iyi değil, bu yüzden onu istediğimiz yörüngeye park etmek için bir kez daha itmemiz gerekiyor.
Hohmann transferini, bir arkadaşa tepeden aşağı bir top göndermenin yörünge eşdeğeri olarak düşünmeyi seviyorum. İlk önce topu hareket ettirmek için tekmelemelisin. Bu enerji gerektirir. Top, hareket ettikçe hızlanarak yuvarlanmaya devam edecektir. Arkadaşınız hiçbir şey yapmazsa, top yanlarından geçer. Bunun yerine, topu ayaklarının dibinde durdurmak için başka bir enerji patlamasına ihtiyaç duyarak tekrar tekmelemeleri gerekir.
Bir gezegenin yörüngesi ve hızı ile bir yörüngeden diğerine geçmek için gereken enerji arasındaki ilişkiyi vis-viva denklemiyle tahmin edebiliriz. Adı Latince "yaşayan güç" anlamına gelir ve Orta Çağ enerji ve hareket kavramlarından bir kalıntıdır. Ancak gelecekteki torunlarımızın bir gezegeni hareket ettirmek için enerji bütçelerini hesaplamak için yine de kullanacaklarını garanti ederim.
Dünya'ya geri dönersek, kilometrelerce kalınlıktaki Dyson panelleriyle güneşin tüm çıktısını yakalamayı asla umamazdık. Ama biraz daha yakın olsaydık yapabilirdik. Gezegenimizi mevcut yörüngesinin onda birine (veya 0,1 astronomik birime) taşısaydık, güneşin yüzde 0,04'ünü kaplayabilirdik - enerji üretiminde yüz kat artış. Ancak gezegenimizi hareket ettirmek, onu çözmek için ihtiyaç duyduğumuzdan yaklaşık 10 kat daha fazla enerjiye mal olacak.
Neyse ki, artan enerji yakalama oranıyla, yalnızca yüzde 10'luk bir panel enerji verimliliğiyle bile ROI süremiz yalnızca 10.000 yıla düşüyor. O zaman, gelecek çağlar boyunca ek yakalanan enerjinin tadını çıkarabiliriz.
Merkür için hareket etmek gerçekten bizim lehimize çalışmıyor. 0,1 AU'ya taşımanın artan enerji maliyeti, geri ödeme süremizi birkaç bin yıla çıkarıyor.
Jüpiter'i aynı yörüngeye ya da en azından merkezindeki kayalık parçalara taşımak; Hidrojen ve helyumu sürüklenmeye bırakabiliriz) - 1034 Joule civarında muazzam miktarda enerjiye mal olur. Ancak çabalarımız karşılığında güneşin neredeyse yüzde 20'sini kaplayabiliriz. Olumlu bir yatırım getirisi elde etmemiz yine de bir milyon yıldan fazla sürecektir, ancak ondan sonra buna tamamen değecektir.
Yüzde 90 verimlilikle çalışan daha ince, metre kalınlığındaki paneller için oyun tamamen değişiyor. 0,1 AU'da Dünya, güneşin üçte birini kaplar ve yaklaşık bir yıl içinde enerji yatırımımızın geri dönüşünü alırdık. Jüpiter'e gelince, 0,1 AU'ya gitmemiz bile gerekmez. Bundan yaklaşık yüzde 30 daha uzak bir mesafede, hayal edilemeyeni başarabiliriz: güneşimizi tamamen çevrelemek. Enerji maliyetimizi yalnızca birkaç yüz yıl içinde telafi edecektik ve o andan itibaren güneşin üretiminin tamamına sahip olabilecektik.
İşte burada: Taahhüt seviyemize ve mühendislik becerimize bağlı olarak, Dyson'ın tavsiyelerini uygulayabilir ve güneş çıkışının önemli bir bölümünü yakalayarak ve bu enerjiyi istediğimiz her amaca harcayarak Güneş Sistemimizi yeniden yapılandırabiliriz. Ama dediğim gibi, Dysonhood'a gerçekten nasıl ulaşacağımı bilmiyorum - bunu mühendislik arkadaşlarım için bir ev ödevi olarak bırakacağım.
Tags:
Bilim ve Keşif