Пользователь
30 марта 2014 в 21:18

Возможно ли в теории создать корабль, движимый искусственной чёрной дырой? перевод



Межзвёздный полёт является одним из самых ошеломительных вызовов, когда либо стоявших перед человечеством. расстояния даже до ближайших звёзд столь велики, бессмысленно даже создавать моделировать их в масштабе. Например, если расстояние от Земли до Солнца принять равным 1 см, то ближайшая звезда будет на расстоянии примерно 2,7 км.

Самый быстрый из построенных людьми объект, Вояджер 1, движется со скоростью около 29 км/сек. Если бы он направлялся к Проксима Центавра, то достиг бы её через 80 000 лет. Очевидно, что раз межзвёздный полёт нужно осуществить в пределах одной человеческой жизни (или нескольких), то необходимо достичь гораздо более высоких скоростей. При скорости в 10% от скорости света (что в 1000 раз быстрее Вояджера 1), Проксиму Центавра можно достичь за 45 лет. Однако необходимое для достижения такой скорости количество энергии не укладывается в голове.



Каждый килограмм корабля, движущегося со скоростью в 99,9% от скорости света, будет обладать кинетической энергией, превышающей энергию мощнейших из когда-либо взорванных ядерных бомб. Несмотря на это, может существовать способ снабжения двигателя столь невообразимым количеством энергии.



В 1955 году Джон Вилер (John Wheeler), один из пионеров теории чёрных дыр, ввёл термин Kugelblitz (нем. шаровая молния). Вилер предположил, что если в некой точке пространства сфокусировать достаточно энергии, то в этой точке сформируется микроскопическая чёрная дыра, которую можно описать уравнением Карла Шварцшильда. Через 19 лет Стивен Хокинг предположил, что квантовые эффекты поблизости от горизонта событий чёрной дыры могут стать причиной радиационного излучения, так называемое «излучение Хокинга». Чем меньше дыра, тем больше энергия излучения и меньше её масса. Но и тем короче жизнь дыры до момента её полного «испарения». Постулат Вилера и теория Хокинга об излучении чёрных дыр делают возможным новый тип межзвёздных двигателей, использующих в качестве источника энергии Шаровую Молнию Шварцшильда.



Такая искусственная чёрная дыра должна быть достаточно мала, чтобы излучать нужное количество энергии. Должна быть достаточно легка, чтобы её можно было разогнать. И достаточно велика, чтобы прожить нужное время. Расчёты показывают, что размер такой дыры должен быть меньше размера протона.

Несмотря на такую микроскопичность, чёрная дыра Шварцшильда будет невероятно тяжёлой, массой примерно как два здания Empire State Buildings. При этом энергия излучения составит около 129 петаватт (1 петаватт = 10 квадрильонам ватт). Это в 10 млн раз больше, чем общее энергопотребление Нью-Йорка за июль 2013 года.

Кстати, в 1993 году чёрная дыра Шварцшильда даже проникла в массовую культуру, правда, под псевдонимом. В эпизоде «Timescape» сериала «Star Trek: The Next Generation» корабль Romulan Warbird был оснащён искусственной квантовой сингулярностью.

Купол Дайсона


В 1960 году физика Фримэн Дайсон (Freeman Dyson) сформулировал постулат, согласно которому чрезвычайно развитая цивилизация может окружить звезду сферической оболочкой с радиусом в 1 астрономическую единицу. Это позволило бы получить практически неисчерпаемый источник энергии. К сожалению, такая Сфера Дайсона почти наверняка останется технически неосуществимой для человечества в обозримом будущем.

Альтернативой полноценной сфере может стать её небольшой сегмент с радиусом менее 1 АЕ — Купол Дайсона. И это уже куда более реалистичный вариант. Такой купол можно расположить в носу корабля, чтобы он мог вобрать в себя энергию, излучаемую Чёрной Дырой Шварцшильда. Это позволило бы придавать кораблю ускорение. Однако расчёты не позволяют надеяться на реализацию такого проекта.

Рассмотрим Купол Дайсона, изготовленный, например, из титана. Энергия от искусственной ЧД расплавила бы его на уже расстоянии около 30 км. Однако на расстоянии 33 км для купола уже не будет риска быть расплавленным. Толщина и диаметр Купола нужно будет оптимизировать с целью уменьшения массы. Чем больше диаметр и толщина, тем больше энергии он абсорбирует. Однако масса такого купола сильно повлияет на ускорение корабля. И наоборот, лёгкий купол будет абсорбировать слишком мало энергии. Необходимость разместить Купол на большом расстоянии от ЧД также приведёт к тому, что очень небольшая доля излучённой энергии будет уловлена.

Если принять срок «жизни» Чёрной Дыры Шварцшильда за 5 лет, то корабль размером со 100-этажное здание сможет разгоняться лишь на отрезке в 1,5 АЕ, а скорость увеличится лишь на 0,0004%. Даже если уменьшить массу всей конструкции в 1000 раз, то корабль успеет достичь лишь 4% от скорости света. Для сравнения, термоядерный реактор позволит достичь скорости в 8-12% от скорости света!

Сфера Дайсона


Если вся излучаемая энергия будет собрана и значительная её часть будет использована для движения, то ситуация существенно поменяется. Это возможно при использовании сферической оболочки вокруг ЧД Шварцшильда. В этом случае, корабль сможет, теоретически, достичь 72% от скорости света в течение 5-летнего периода «жизни» ЧД. Эта колоссальная субсветовая скорость позволила бы в течение человеческой жизни облететь несколько ближайших к нам звёздных систем.

Проблематика Чёрной Дыры Шварцшильда


Для создания Сферы Дайсона понадобится чрезвычайно лёгкий и энергоёмкий материал, потому что титановая сфера с радиусом в 33 км и толщиной в 1 см будет иметь массу как 1200 небоскрёбов Empire state Building. Если же ограничиться Куполом, то собранной энергии будет слишком мало.

Кроме того, на сегодняшний день единственным теоретически возможным способом создания самой ЧД Шварцшильда является использование гамма-лазера. Однако лазер с такой рабочей частотой требует увеличения современных рабочих частот более чем в миллиард раз. Длительность импульса должна быть в 100 миллиардов раз меньше, чем у современных лазеров. А общая энергия излучения должна быть эквивалентна объёму энергии, испускаемой Солнцем за 1/10 секунды…

Увы, пока что технологические трудности делают создание ЧД Шварцшильда невозможным в обозримом будущем. Искусственная ЧД может стать источником колоссального количества энергии, что сделало бы её идеальной «батарейкой» для межзвёздного корабля. Кто знает, возможно, когда-нибудь благодаря именно этой технологии человечество впервые достигнет звёзд.
Перевод: Jeff Lee, Icarus Interstellar
Мирра Руцких @mirrra
карма
0,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (67)

  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • +5
      Возможно дело в том, что переводчик непонятно почему перевёл только первую половину статьи. А основная суть — как раз во второй половине. Но и исходная статья тоже достаточно сумбурная, даже если читать её целиком.
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        • +2
          В кратце: дальше в статье предлагаются два варианта двигателя — 1) экран, который, как парус, принимает на себя рентгеновское излучение этой чёрной дырки, и 2) сфера вокруг дырки, которая преобразует всю энергию в реактивную тягу. Наколенные рассчёты показывают, что 1й вариант не подходит, а второй — в целом подходит, при условии 100% кпд. Потом говорится, что чтобы получить микроЧД, нужен рентгеновский лазер на 9 порядков мощнее, чем те, что есть сейчас.
          • 0
            Я в каком-то советском журнале типа ЮТ видел заметку об идее создания паруса для корабля, который ловит солнечный ветер, разумеется сам «корабль» оч легкий, грубо говоря один передатчик.То есть вывели его в космос, он аккуратно развернул многокилометровый парус и полетел)
            На сколько это реально?
            • 0
            • 0
              Реально, но далеко от Солнца он не улетит.
              • 0
                Почему?
                • 0
                  Ветра света не хватит.
                  • +1
                    ну так можно свернуть парус и по инерции лететь
                    • 0
                      Можно. Только долго.
                      • 0
                        Существуют проекты, в которых дополнительный импульс парусу придаёт лазерный луч, направленный с Земли.
    • 0
      Очевидно, что одного объекта, который может давать энергию, маловато будет для космического корабля.

      Не думаю, что при обсуждении таких тем может быть что-то очевидно, но мне очевидно другое: ученые часто находят микроскопические области в фазовом пространстве исследуемой системы, внутри которых получается совершать «чудеса» :)
      Примеров на разных масштабах много: сверхпроводимость, органическая жизнь, и даже максимальное разнообразие химических элементов во Вселенной.
  • +2
    А можно немножко офтопный вопрос?
    Дайте, пожалуйста, формулу расчета времени путешествия на N световых лет при одинаковом ускорении a (близком к g) со знаком + до середины пути и знаком минус после середины пути.
    Точнее 2 формулы — времени для земного наблюдателя и для путешественников.
    • 0
      При постоянном ускорении — никак. При постоянном изменении импульса — вроде бы есть формула, но какая — я не знаю.
    • 0
      Это все чистая утопия. Я даже не о использовании Черных Дыр. Я вообще про такого рода полеты на скоростях в единицы и десятки процентов от скорости света. Столкновение с малейшей пылинкой на такой скорости начисто уничтожит корабль. А ведь нет никаких шансов ни обнаружить эту пылинку где-то там впереди по курсу, ни уклониться. Про щиты можно вообще не говорить — там нужна будет энергия сопоставимая с энергией основного двигателя. Утопия, а не фантастика.

      Выход только один: телепортация. Уверен, что способ будет найден. Причем, в меру энергетически затратный. Если человек очень хочет, то в итоге это получает. Природа всегда имеет в потайном кармане какой-то приятный и нужный для людей сюрприз. (Ярчайшие примеры — колесо, самолет, ракета. В окружающем мире, по сути, аналогов нет, но природа все же дала нам эти чудесные вещи.)
      • 0
        Охрененно Толстый Абблятивный Щит, который «скидывается» при торможении… и у[redacted]ет кого-нибудь на х[redacted] много лет спустя совсем в другой системе.

        Живешь себе такой, никого не трогаешь, и в этот момент в твою планету на скорости в половину световой вламывает кусок абблятивного щита, который чей-то космолет «скинул» перед торможением эдак полмиллиона лет назад… романтика ;)
  • +8
    Напомнило фильм Event Horizon (Сквозь горизонт).
    image
    • +9
      Погуглил сюжет. Сделайте меня забыть это.
      • 0
        Идея мне показалась ничего. Вот реализация в виде фильма мне не понравилась.
      • –1
        Один из моих любимых фильмов. Правда, под конец ощутимо сдувается, но все равно очень милая помесь из готического дома-с-приведениями и научной фантастики.
        • +1
          Милая говорите… Белая и пушистая…
          • +1
            Сдается мне, что Вы не очень любите жанр ужасов…
            • +2
              Так оно и есть.
        • +2
          Мне показалось глупой идея смешать мистику и космос. Я то обрадовался сначала, а под конец совсем растоился. Просто космос — это что- приычное, почти реальное. Все можно, только поработать как-следует нужно. А тут на тебе — паралельная вселенная и 100% чистый ад, говорящий на английском. Ну чо за ерунда.
          • 0
            А мне нравится, необычно, космос с примесью сплаттерпанка. Эдакий Клайв Баркер вышел.
            • 0
              Кстати да, есть некоторый намек на «эстетическую общность» с Клайвушкой.
          • 0
            Ну не знаю, вопрос вкуса.

            Я вполне с удовольствием смотрю и мистику и фантастику, посему поначалу фильм меня очень радовалособливо пока «адЪ» и «мистика» сохраняли таинственность (некоторые моменты и вовсе напомнили «Солярис» Тарковского).
            Вы конечно правы в том, что ближе к концу фильм пооблез, и «адЪ» превратился в умеренно-унылый штамп (заезженные штампы из околохристианской мифологии — вообще бич «готического ужаса», ИМХО), хорошо хоть сотона с рожками под конец не вылез.

            Но, опять-таки, на мой вкус, исходной атмосферы и некоторых особенностей подачи вполне хватило, чтобы «дотащить» повествование до конца, не испортив впечатление окончательно.
        • 0
          Просто смешали не то. Вот первый Чужой — это действительно гениальная и достойная смесь жанров.
    • 0
      Искренне надеюсь, что если создадут подобную тягу она ни на йоту не приблизится к сюжету этого фильма.
    • +1
      Странно, почему «сквозь горизонт»? Event horizon — это «горизонт событий», устоявшийся термин в физике, какое-то художественное осмысление названия кажется неуместным. Когда ж переводчики научатся делать свою работу?..
      • 0
        Мне тоже не нравится этот перевод локализаторов, поэтому сначала написал название фильма в оригинале.
    • 0
      Только перевод названия фильма традиционно кривой. Фильм-то называется «Горизонт событий», а у нас шёл в прокате как «Сквозь горизонт».

      Я буду обновлять страницу перед тем, как писать комментарии! Я буду обновлять страницу перед тем, как писать комментарии! Я буду обновлять страницу перед тем, как писать комментарии! Я буду обновлять страницу перед тем, как писать комментарии! Я буду обновлять страницу перед тем, как писать комментарии! :))
  • 0
    Не проще ядерный корабль? Теоретические характеристики для технологий шестидесятых у него всего на один порядок меньше требуемых, при этом никаких малоизученных физических явлений ему не требуется — только старые технологии в больших масштабах.
    • 0
      Это был бы логичный шаг. Для безопасности корабли подобного типа можно собирать на луне или марсе, где внезапный взрыв никому не повредит.
      • –1
        С чего бы им внезапно взрываться, интересно.
        • +3
          Он летит за счет того, что взрывает по «кузькиной матери» каждые три секунды.
      • 0
        Вот тут мы и натыкаемся на единственную причину, по которой на Марсе еще не цветут яблони. Называется она «вывод на орбиту». Все проблемы кроме этой — решаемы.
        • 0
          Захотели бы — собрали корабль прямо на орбите. МКС же собрали, и Мир собрали. Такой кораблик снабдить топливными баками и отправить бороздить солнечную систему.
          • 0
            Там нужно много больше 9000 тонн. Минимум 400000 тонн до Проксимы, если совсем точно (МКС в 1000 раз легче). Плюс еще по деньгам — около четырехсот миллиардов долларов по курсу шестьдесят восьмого.
            • 0
              Вот деньги — и есть главный барьер.
              • 0
                Это само собой и всегда. Деньги, гравитация и атомофобия.
  • +34
    image оно?
    • +2
      Нет. Черную дыру как-то надо создать, а в процессе она испаряется. Т. е. она скорее энергоноситель.
    • 0
      офтопик, Интересно многие ли мои знакомые вспомнят закон Ньютона, который укажет почему это невозможно?
      • +8
        Смотря кем вы и ваши знакомые работаете.
      • +8
        Законы Ньютона наоборот требуют, чтобы всё выглядело именно так (ведь машинка равномерно и прямолинейно летит в пустом пространстве image).
      • –2
        Интересные у вас, должно быть, знакомые :)
        imageСодержимое
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • +1
    У меня возникло несколько воросов. А где достать столько энергии? И сколько времени её прийдется собирать? И как предотвратить существенные потери энергии за время её сбора? Логично, что придется изобрести способ, как вырабатывать её с довольно большой скоростью. И тогда еще один вопрос: а не проще ли поставить новоизобретенный реактор сразу в корабль?
    • 0
      Реактор может быть очень тяжелым
  • +3
    Хорошо, мы достигли 72% от скорости света. Облетели ближайшие звездные системы. А как торомзить то? ЧД больше нет, она испарилась. Похоже это полет в один конец.
    • +2
      Не надо дожидаться момента когда она испарится. Это как с бензином: не стоит ехать на машине куда то очень далеко если нет уверенности, что хватит бензина или попадётся заправка.
    • +1
      Когда осталось 50% энергии или расстояния — энергию надо тратить на торможение, как и любым другим двигателем.
  • +7
    image

    «плотность чернухи огромна − каждый её фунт весит 10000 фунтов»
    • +2
      Русские зрители, видимо, слишком тупы, чтобы воспринять и осмыслить термин «темная материя», поэтому его заменили на более понятный.
      • +1
        Перевод в Футураме вообще убил большую часть научных шуток. Видимо, переводчики их не поняли :)
  • +1
    Если бы он направлялся к Проксима Центавра, то достиг бы её через 80 000 лет.

    При скорости в 10% от скорости света (что в 1000 раз быстрее Вояджера 1), Проксиму Центавра можно достичь за 45 лет.

    80 000 / 1 000 = 80 != 45. Y u no use math?
    • +4
      45 лет по времяисчислению корабля?..
  • 0
    Есть еще одна небольшая проблема требующая решения до того, как проектировать межзвездный двигатель. При скорости 0,1 от световой межзвездная пыть будет стачивать 90 см титановой брони за световой год.
    • 0
      Нужны энергетические щиты. Ну т.е. если брать относительно реальные конструкции, то нужна «подушка» из высокоэнергетических частиц, удерживаемых магнитным полем. Понятно, что на это требуется энергия — на поддержание энергии частиц, на поддержание энергии поля.
      • 0
        То самое любимое всеми фантастами «поле», да. Которое отожрет львиную долю энергии у двигателя.
  • +3
    Для любого движения необходимы две составляющие:
    1. Источних энергии
    2. Контролируемый механизм преобразования энергии в кинетическую.
    Если по первому пункту изливаются бурные фантазии, второй вообще никак в статье не озвучен. А именно он является принципиальной проблемой. Бензин горит просто. ДВС — довольно сложная штука. Водород с кислородом — тоже просто понять и зажечь. Ракетный двигатель — результат десятков лет исследований, разработок и экспериментов. Цепная реакция в уране тоже очень проста для осознания. Ядерный реактор — тоже вещь достаточно нетривиальная.

    Так вот, опуская фантастику черной дыры, можно отметить следующие вещи:
    — излучение Хокинга еще не доказано. Есть много споров на этот счет.
    — самый простой способ движения — зеркало-рефлектор, отражающий испускаемые черной дырой высоконергенические частицы и тем самым приобретая ускорение. Озвученная попытка собирать энергию куполом, аккумулировать и преобразовывать как-то по-другому просто лишена смысла.
    — черная дыра указанных размеров испарится примерно за несколько минут, а не за 5 лет, и с эффектом подобно взрыву. Помешать или замедлить этот процесс не представляется возможным даже теоретически.
    — для долгосрочного действия черной дыры необходима постоянная подпитка веществом. Дыра, размером с протон и массой с несколько зданий сама не будет ничего «засасывать». В нее нужно будет точно стрелять веществом из шланга, размером с тот самый протон, при этом прокачивая килограммы и тонны массы.
    — тепловой спектр микроскопической черной дыры содержит исключительно высокоэнергетические частицы: от гамма фотонов вплоть до массивных ядер. Такие энергии гарантированно разрушат структуру любого вещества, из которого будет сделан рефлектор. Защитить экипаж от действия подобных энергий тоже задача не из простых.
    Ну и вот ссылка на википедию по данному вопросу: ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80
    • 0
      Кстати, про этот шланг закачивающий массу в чёрную дыру. Это ведь получается, что такая чёрная дыра — идеальный преобразователь массы в энергию — в неё закидывают массу m и почти тут же получают излучения ровно на mc^2 — никаких хитроумных бензиносжигательных агрегатов с низким КПД, надо просто закинуть любую ненужную фигню и получить кучу энергии назад точно соответствующей массе этой фигни и совершенно не зависящей от того из чего эта фигня состоит. Хотя подозреваю, что мысль эта не нова :)
      • 0
        Надо чтобы струя материи преодолела встречное давление испускаемых дырой частиц, что для сравнительно маленьких дыр очень сложно.

        Кстати, в принципе что (кроме очевидной проблемы создания конструкций с планетарными размерами) мешает использовать более «жирную» черную дыру, которую легче «накачивать»?
        • 0
          Прям «в лоб» наверно не получится закидывать «топливо» в ч.д., но можно выкрутиться с помощью более хитрого механизма сбора излучения. Там выше в комментариях писали, что если поставить железную сферу какой то впечатляющей толщины за три девять земель от ч.д., то эту сферу всё равно расплавит за секунды. Такой способ сбора излучения (хорошо хоть не контейнер с водой) — это всё равно как если бы инженеры феррари размышляли о том какой сорт дерева лучше подойдёт для изготовления колёс со спицами для новой модели феррари.

          Чтобы собирать.излучение из ч.д. надо, по сути, неким образом перенаправить это излучение в нужном направлении и без потерь и такое перенаправление делает кривое пространство. Мне кажется, что вокруг такой ч.д. будет сфера радиусом 1 см полученная на основе какого то хитрого эффекта квантовой гравитации чтобы можно было разворачивать излучение чуть ли не в обратном направлении и прямо на месте без необходимости использования огромной массы которая бы так сильно исказила пространство. Тогда можно будет построить чуть ли не карманный двигатель с ч.д. внутри который будет выкидывать всё излучение в одном направлении. Точно также можно организовать закидывание «топлива» — пространство некой хитрой конфигурации вокруг ч.д. будет позволять закинуть что угодно внутрь с одной стороны, тогда как излучение будет лететь в другую сторону.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.