Демонтаж и утилизация звёзд

[Ruslan_Sharipov]

Несметное количество звёзд во вселенной тратит свою энергию зря, не принося никакой пользы. Один из вариантов использования этой энергии предложил Фримен Дайсон в своей концепции сферы Дайсона. Будучи реализованной (скорее в форме клубка из вращающихся колец, чем в виде сплошной сферы) она позволит извлекать энергию звёзд, но не их вещество. А вещество, большая его часть так и сгинет после выгорания звезд в виде плотных и мало полезных звёздных остатков. Поэтому предлагается обсудить проблему демонтажа звезд и утилизации звёздного вещества.

Начнём с вопроса - возможно ли это в принципе? Вещество в звезде находится в гравитационной потенциальной яме. Для его извлечения требуется произвести работу, то есть затратить энергию. Единственным источником такого количества энергии может быть сама звезда. Достаточно ли запасов термоядерной энергии в звезде, для того, чтобы демонтировать её саму? Разберём этот вопрос на примере Солнца.

Оценим запасы термоядерной энергии. Со́лнечная постоянная согласно Википедии - это суммарный поток солнечного излучения, проходящий за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы (то есть на орбите Земли). Он даётся следующей цифрой:

$\sigma=1.37\cdot 10^3\,\text{вт/м}^2.$

Умножаем его на площадь сферы с радиусом, равным радиусу орбиты Земли:

$W=4\,\pi\,R^2\,\simna=3.85\cdot 10^{26}\,\text{вт}.$

Это полная мощность, излучаемая Солнцем. Для грубой оценки считаем, что она останется неизменной в последующие $T=5$ миллиардов лет жизни Солнца. В действительности, пишут, что светимость Солнца будет постепенно возрастать. После перемножения получаем нижнюю оценку запасов ядерной энергии в Солнце:

$E_\text{ядерн}=W T=6.07\cdot 10^{43}\,\text{дж}.$

Глубина гравитационной потенциальной ямы на поверхности Солнца определяется формулой $\Pi=G M m/r$. Здесь $G$ - гравитационная постоянная, $M$ - масса Солнца, $r$ - радиус Солнца. Величина $\Pi$ - это количество энергии, необходимое для того, чтобы вытянуть массу $m$ из данной гравитационной потенциальной ямы. Для грубой оценки полагаем $m=M$, ведь мы хотим вытянуть всю массу Солнца. В итоге

$E_\text{грав}=G M^2/r=3.79\cdot 10^{41}\,\text{дж}.$.

Сравнивая две полученные величины, видим, что ядерной энергии в Солнце достаточно, для того, чтобы его полностью демонтировать.

Следующая задача - придумать механизм извлечения солнечного вещества. Он мог бы быть, например, таким. Используя конструкцию типа сферы Двйсона, возвращаем при помощи зеркал излучённую Солнцем энергию обратно на Солнце. При этом его поверхностный слой разогревается до температур, при которых начнётся "выкипание Солнца" (уход вещества на бесконечность в значительно больших количествах, чем это имеет место в солнечном ветре сейчас). Но есть небольшая загвоздка. При повышении температуры спектр излучения Солнца сместится в рентгеновскую область, а зеркал, эффективно отражающих рентгеновское излучение пока не придумано.

Другая потенциальная возможность связана с использованием орбитальных колец. Пропуская по ним ток, можно создавать дополнительное магнитное поле, которое наложится на собственное магнитное поле Солнца. Если колец много, то конфигурацию поля можно сделать сложной. Кроме того, это поле может быть переменным. Таким переменным магнитным полем можно попытаться раскачать солнечную плазму с тем, чтобы она в каком-то месте выплеснулась наружу. Если искусственно созданные выбросы солнечной плазмы окажутся более мощными, чем их естественные аналоги, или если их количество можно сделать очень большим, то это и будет ложка для вычерпывания Солнца.

[Pphantom]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139806 писал(а):

Сравнивая две полученные величины, видим, что ядерной энергии в Солнце достаточно, для того, чтобы его полностью демонтировать.

При условии, что режим термоядерного синтеза не поменяется в результате попыток переделать реактор на ходу.

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139806 писал(а):

При этом его поверхностный слой разогревается до температур, при которых начнётся "выкипание Солнца" (уход вещества на бесконечность в значительно больших количествах, чем это имеет место в солнечном ветре сейчас). Но есть небольшая загвоздка. При повышении температуры спектр излучения Солнца сместится в рентгеновскую область, а зеркал, эффективно отражающих рентгеновское излучение пока не придумано.

Если это удастся сделать, Вас ждет сюрприз: звезда расширится, но ее внешние слои при этом остынут.

Кстати, потом придется решать еще одну проблему. У нынешнего Солнца плотность вещества фотосферы (проще говоря, в районе его видимой границы) составляет порядка $10^{-7}\text{~г/см}^3$. После расширения будет меньше.

[Munin]

Если извлекать вещество из звезды, она погаснет. Потому что термоядерная реакция поддерживается давлением внешних слоёв звезды.

Если вам приспичило чего-то извлекать (на самом деле, гиганты и сверхновые и сами с этим прекрасно справляются), то надо пользоваться энергией одной звезды, и извлекать вещество из другой, уже погасшей.

[Ruslan_Sharipov]

Pphantom в сообщении #1139814 писал(а):

Если это удастся сделать, Вас ждет сюрприз: звезда расширится, но ее внешние слои при этом остынут.

Это пусть. Если зеркала будут эффективно работать, то на границе прозрачности температура будет возрастать. После того, как она достигнет таких величин, когда средняя скорость теплового движения станет сравнимой со второй космической, эти расширившиеся внешние слои просто сдует.

Munin в сообщении #1139816 писал(а):

Если извлекать вещество из звезды, она погаснет.

Да. Но прежде она поменяет свой эволюционный класс и отдаст значительную часть своей массы. Оставшийся огрызок звезды закончит свой существование мирно без взрывов, и остывшую массу можно будет тоже извлечь и использовать.

Munin в сообщении #1139816 писал(а):

На самом деле, гиганты и сверхновые и сами с этим прекрасно справляются.

После них остаются нейтронные звёзды и черные дыры. Вы умеете извлекать вещество из таких объектов? А, оболочки сверхновых разлетается с околосветовыми скоростями. Как их потом собрать и использовать? Полагаю, эти процессы нужно гасить в зародыше, демонтируя звёзды до их эволюционной гибели.

[Pphantom]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139821 писал(а):

После них остаются нейтронные звёзды и черные дыры. Вы умеете извлекать вещество из таких объектов?

Подавляющее большинство остатков звездной эволюции и по количеству, и по суммарной массе - белые карлики. При требуемом уровне развития техники вскопать карлик проблемой не будет.

[Ruslan_Sharipov]

Это как? Белые карлики массивные и очень плотные. В Википедии написано: "Белые карлики представляют собой компактные звёзды с массами, сравнимыми или больше массы Солнца, но с радиусами в 100 раз меньше". То есть гравитационная потенциальная яма у них в 100 раз более глубокая, чем у Солнца, а термоядерные источники энергии уже исчерпаны или на исходе.

[Pphantom]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139829 писал(а):

Это как? Белые карлики массивные и очень плотные. В Википедии написано: "Белые карлики представляют собой компактные звёзды с массами, сравнимыми или больше массы Солнца, но с радиусами в 100 раз меньше". То есть гравитационная потенциальная яма у них в 100 раз более глубокая, чем у Солнца, а термоядерные источники энергии уже исчерпаны или на исходе.

Это просто кусок очень плотного (по обычным меркам) вещества. Но если для Вас не составляет проблемы постройка сферы Дайсона, то и проблема постройки экскаватора для копания БК очень уж страшной не будет.

[kry]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139806 писал(а):

Используя конструкцию типа сферы Двйсона

Которую надо сперва построить. В среде достаточно бедной ресурсами для подобного строительства. Откуда вы возьмёте для этого вещество? Начнёте разбирать планеты, их спутники, кометы и астероиды? И сколько времени всё это займёт? Миллионы лет? Десятки миллионов лет?

[Munin]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139821 писал(а):

Да. Но прежде она поменяет свой эволюционный класс и отдаст значительную часть своей массы.

Которая будет попросту неперегоревшим водородом. С тем же успехом его можно черпать прямо из галактической среды.

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139821 писал(а):

После них остаются нейтронные звёзды и черные дыры. Вы умеете извлекать вещество из таких объектов?

А зачем? После них остаются не только нейтронные звёзды и чёрные дыры. Десятки процентов (а то и большая часть) вещества рассеивается в пространстве.

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139821 писал(а):

А, оболочки сверхновых разлетается с околосветовыми скоростями.

Только поначалу с околосветовыми. Они очень быстро тормозятся о среду. Заодно сгребая её и повышая плотность.

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139821 писал(а):

Полагаю, эти процессы нужно гасить в зародыше, демонтируя звёзды до их эволюционной гибели.

Вот это ваше "полагание" происходит из непонимания самых азбучных школьных основ астрофизики.

Звёзды - это прекрасно работающие "домны", самостоятельные, с замкнутым циклом "межзвёздная среда - звезда - межзвёздная среда". А вы их зачем-то намерены портить. Не трогайте их, они вам всё сами дадут. А если их "демонтировать", то соответственно, не дадут. Как всякая разломанная машинка.

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139829 писал(а):

То есть гравитационная потенциальная яма у них в 100 раз более глубокая, чем у Солнца

В любом случае, с поверхности (с $R_\odot$) вы можете начерпать только водород. Тяжёлые элементы скапливаются в ядре звезды как раз в области размера $\sim R_{WD}.$

-- 24.07.2016 14:30:51 --

kry в сообщении #1139836 писал(а):

И сколько времени всё это займёт? Миллионы лет? Десятки миллионов лет?

Ерунда. К тому же, планеты дадут не так уж мало вещества.

[kry]

Munin в сообщении #1139842 писал(а):

Ерунда. К тому же, планеты дадут не так уж мало вещества.

Вещества они дадут немало, это понятно. Вопрос в том, сколько времени уйдёт на то, чтобы разобрать планеты, перевезти это вещество к Солнцу и собрать из них сферу Дайсона (а вернее кольцо или диск).

[Munin]

Миллионы - приемлемая цифра. Что вы мелочитесь, если готовы планеты разбирать?

[kry]

Munin в сообщении #1139846 писал(а):

Миллионы - приемлемая цифра. Что вы мелочитесь, если готовы планеты разбирать?

Я, как минимум, серьёзно сомневаюсь в осуществимости проектов с таким временным интервалом, учитывая, что человеческой цивилизации от времён неолитической революции всего пока что около 10 тысяч лет.

[Ruslan_Sharipov]

Munin в сообщении #1139842 писал(а):

Звёзды - это прекрасно работающие "домны", самостоятельные, с замкнутым циклом "межзвёздная среда - звезда - межзвёздная среда". А вы их зачем-то намерены портить.

У них слишком маленький КПД и много отходов. Да и продукт они свой выдают в плохо упакованном виде. Лучше сжигать водород в искусственных установках, получая всё, что нужно, в требуемых пропорциях и количествах.

kry в сообщении #1139849 писал(а):

Я, как минимум, серьёзно сомневаюсь в осуществимости проектов с таким временным интервалом, учитывая, что человеческой цивилизации от времён неолитической революции всего пока что около 10 тысяч лет.

Главное не тормозить, иметь план и следовать ему. Экспонента - быстро растущая функция.

[Pphantom]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139853 писал(а):

Лучше сжигать водород в искусственных установках, получая всё, что нужно, в требуемых пропорциях и количествах.

Э... а как Вы его, собственно, сжигать собираетесь?

[kry]

Ruslan_Sharipov в сообщении #1139853 писал(а):

Главное не тормозить, иметь план и следовать ему. Экспонента - быстро растущая функция.

В этом-то и проблема: нужно разработать совместный план действий всей цивилизации на срок на 2-3 порядка, превосходящий срок жизни этой самой цивилизации и практически неотступно следовать ему. Выглядит это не очень реалистично.