science >> Wetenschap >  >> Natuur

Hoe Dyson Spheres werken

Kunnen we ooit de energie van de zon in enorme hoeveelheden opvangen om alles op aarde van stroom te voorzien? © hadzi3/iStockphoto

De volgende keer dat u de benzinetank van uw auto vult, neem even de tijd om te onthouden dat fossiele brandstoffen een eindige hulpbron zijn. Eventueel, de mensheid zal haar honger naar energie uit andere bronnen moeten stillen.

De oplossing, misschien, staat in de sterren. Of beter gezegd, onze zon. Stel je voor dat je de tank van je auto niet met benzine vult, maar met pure zonneschijn. In een verre toekomst, dit kan gebeuren dankzij het concept van a Dyson bol .

Zie een Dyson-bol als een enorme, energievangende bal gebouwd rond een ster. Het grijpt zonne-energie en zet het om in het soort energie dat we kunnen gebruiken om voertuigen aan te drijven, computers of andere geavanceerde, energiezuigende technologieën die we in de komende paar miljoen jaar weten te ontwikkelen. Dat is, natuurlijk, als we erin slagen zo lang te overleven zonder alles op te blazen.

Dyson-bollen bevinden zich nog in de denkbeeldige ontwikkelingsfase. Maar het is niet moeilijk te begrijpen waarom we op een dag meer nodig zouden hebben, krachtigere energiebronnen. We verbranden fossiele brandstoffen in een steeds hoger tempo om allerlei gadgets en goederen te bedienen. Duurzame energiebronnen, zoals zonne- en windenergie, zijn goed voor het aanvullen van kolen en aardolie, maar op dit moment kunnen ze niet al onze auto's en smartphones van stroom voorzien.

Fantastische Dyson-bollen zijn een hoofdbestanddeel geworden van sciencefictionboeken en tv-shows en internetforums. "Star Trek"-junkies debatteren over de relatieve mogelijkheden (of belachelijkheid) om te proberen een hele ster in te kapselen met een door mensen gemaakte machine. Wetenschappers die van blogs houden, leggen ideeën bloot om deze gigantische bollen echt te maken; anderen halen hun ambities uit elkaar met bijtende opmerkingen.

Wat je ook van het idee vindt, één ding is zeker:als de kranen eindelijk drooglopen op olie, en uiteindelijk zullen ze de mensheid zal ofwel zijn energieverbruik moeten terugschroeven of nieuwe energiebronnen moeten vinden. Misschien is een Dyson-bol de juiste keuze.

Inhoud
  1. Je bent zo beschaafd
  2. Bomachtige kracht
  3. Zon Satellieten
  4. Het dilemma van een Dyson

Je bent zo beschaafd

Freeman Dyson spreekt tijdens de Digital Life Design-conferentie in München, Duitsland in 2012. ©Nadine Rupp/Getty Images

Niet alle beschavingen zijn hetzelfde, althans volgens sommige theorieën. In het begin van de jaren zestig, een astrofysicus genaamd Nikolai Kardashev stelde het idee voor dat er drie classificaties van beschaving in het universum kunnen zijn.

Type I beschavingen hebben geleerd hoe ze alle energiebronnen op hun thuisplaneet kunnen benutten. Dat zouden wij zijn. Of ten minste, ooit zijn wij het misschien. Volgens theoretisch natuurkundige Michio Kaku, we zouden dat niveau in de komende twee eeuwen kunnen bereiken.

EEN Type II beschaving begrijpt hoe alle energie van de ster in zijn zonnestelsel kan worden benut. En Type III beschavingen, een status die we over enkele miljoenen jaren kunnen bereiken, weten hoe de energie van hele sterrenstelsels te vangen en te focussen.

Wij mensen zijn duidelijk nog geen Type III materiaal. Eerst, we moeten beginnen met kleine stapjes - door de plundering van onze planeet te beëindigen om de resterende hulpbronnen aan te boren. En dan, we zullen proberen ons een weg te banen naar de meer luxe Type II-buurt door de immense energie van onze zon vast te leggen en te kanaliseren. Dit kan in de komende paar duizend jaar mogelijk zijn, als we zo lang in leven blijven.

In zijn boek uit 1937 "Stermakers, " Auteur Olaf Stapledon was misschien de eerste persoon die een zogenaamde "lichtval" bedacht die werd gebruikt om de energie van de zon te ontginnen. Hij schreef over systemen voor het opvangen van energie die zo enorm waren dat ze het licht van de sterrenstelsels feitelijk dimden.

Dit verhaal heeft de geest van Freeman Dyson aangewakkerd, wiskundige en theoretisch natuurkundige. Hij begon na te denken over hoe mogelijk of onmogelijk het zou zijn om alle energie van een ster op te vangen voor menselijk gebruik.

Bomachtige kracht

De zon produceert een onvoorstelbare hoeveelheid energie. Om het op één manier te zeggen, het genereert ongeveer 5 x 1023 pk. Volgens NASA, dat is genoeg energie om een ​​ijsbrug (twee mijl breed en een mijl dik) te smelten die zich uitstrekt van de aarde naar de zon ... in één seconde [bron:NASA]. Dat is het ruwe equivalent van een biljoen bommen van 1 megaton die elke seconde afgaan. Om het wat minder eng te zeggen, een enkele seconde zonne-actie is genoeg om onze wereld een half miljoen jaar van stroom te voorzien [bron:Boston.com].

Dat is een serieuze hoeveelheid kracht. Elke seconde, de aarde ontvangt ongeveer 400 biljoen biljoen (nee, dat is geen typfout) watt van de kracht van de zon. Maar vanwege de afstand en richting, het meeste bereikt onze planeet niet. De zon omringen met een energieopname megastructuur zoals een bol een veel efficiëntere manier zou zijn om het gekke sap van de zon op te vangen.

Je zou een stevige bol rond de zon kunnen bouwen om elke laatste straal op te vangen. Daarbij, je zou 550 miljoen keer meer oppervlakte hebben dan onze hele planeet, allemaal vangende stralen om terug te sturen naar Moeder Aarde in de vorm van rauwe kracht.

Natuurlijk, naast het neerstorten van miljoenen mensen op aarde in een permanente seizoensgebonden affectieve stoornis, je zou worden geconfronteerd met zeer reële zwaartekrachtuitdagingen. Kortom, het zou heel moeilijk zijn om de zon in het midden van de bol te houden, wat betekent dat het zou kunnen botsen met een rand van een bol, een catastrofe veroorzaken die zo verbazingwekkend is dat het waarschijnlijk de meeste YouTube-views ooit zou opleveren ... als iemand het zou overleven om het te uploaden.

Er is ook de extreme moeilijkheid om voldoende grondstoffen te vinden om een ​​solide schaal te bouwen. Voor zo'n prestatie zou waarschijnlijk meer materiaal nodig zijn dan we in ons hele zonnestelsel zouden kunnen vinden.

Zelfs als we genoeg vast materiaal zouden kunnen vinden om een ​​stevige bol te bouwen om de hele zon te omhullen, de kracht van deze gigantische zonnebal zou Herculisch moeten zijn. Anders zou de bol gewoon in een onnoemelijk aantal stukken breken. Met andere woorden, het zou weer een spectaculaire mislukking zijn.

Dus, laten we de onhaalbare vaste bol helemaal overslaan. Op de volgende pagina leest u over ideeën die mogelijk meer binnen de realiteit vallen.

Zon Satellieten

Zonnezeilen die vergelijkbaar zijn met die in deze conceptkunst, kunnen de sleutel zijn om de kracht van de zon te benutten. © Victor Habbick Visions/Science Photo Library/Corbis

Het zou voor ons onmogelijk zijn om een ​​vaste bol rond een ster te bouwen. Freeman Dyson gaf hetzelfde toe. In plaats daarvan stelde hij een concept voor waarin we veel onafhankelijke machines uitbrachten om de zon te omcirkelen, energie verzamelen en naar de aarde sturen.

De satellieten kunnen in nette ringen zijn gerangschikt. Of ze zoomen in verschillende banen rond als een zwerm bijen die het stuifmeel van de macht verzamelen. Sommige zijn misschien bewoonbaar, of ze kunnen alleen worden gebruikt voor het verzamelen van energie.

In plaats van een massieve bol of ring van satellieten, er is een derde configuratie die een Dyson-bol zou kunnen vormen. Op dit moment, een aantal zonne zeilen om de zon zou draaien. Deze zeilen zouden een losse bel rond de zon creëren, op zijn plaats gehouden dankzij een balans tussen zwaartekracht en stralingsdruk van de ster binnenin.

Deze satellieten zouden eigenlijk heten staten (afgeleid van de woorden satelliet en statisch) omdat ze op één plaats zouden zweven in plaats van in een baan om de aarde te bewegen. Net als bij het ring- of zwermconcept, statites zouden uitgaande zonne-energie absorberen en vervolgens naar de aarde omleiden voor ons gebruik.

Ongeacht de uiteindelijke blauwdruk, een Dyson-ring, gebied, zeepbel of zwerm zal op ongekende schaal materiële hulpbronnen en energie vergen. We zullen op aarde niet genoeg grondstoffen vinden voor dit project. Dus sommige speculatieve types hebben een alternatief voorgesteld:de materialen van andere planeten oogsten, zoals Mercurius.

Als een onhandig moerasland dat vastloopt op een stuk land dat bestemd is voor commercieel gebruik, we zouden Mercurius eenvoudig uit elkaar kunnen halen en het door de zon verschroeide oppervlak voor een beter doel kunnen gebruiken. Dat is een idee voorgesteld door de natuurkundige Stuart Armstrong van de Universiteit van Oxford.

Mercurius zit boordevol nuttige materialen (zoals ijzer) en het is de planeet die het dichtst bij de zon staat, dus het is logisch om daar te beginnen. Zodra Mercury is gedemonteerd en de eerste Dyson-ringen zijn geïnstalleerd, het project zou momentum en snelheid krijgen, steeds meer energie verzamelen, het stimuleren van de productie van grotere en betere zonnecollectoren. En uiteraard, al die energie zou voor andere doeleinden worden gebruikt, zoals supercomputing (op een nooit eerder vertoonde schaal), snellere ruimtevaarttechnologieën en talloze andere ideeën die we niet eens hebben bedacht.

We zouden dit niet allemaal met moeizame arbeid hoeven te doen. Robots zouden het werk van mijnbouw en het monteren van nieuwe zonnepanelen uitvoeren. En het aantal robots zou voortdurend toenemen (dankzij zelfreplicerende mogelijkheden) naarmate de schaal van het project groeide, totdat ze een leger van automaten werden die planeten en asteroïden verpletterden om steeds meer energiecollectoren te produceren.

Het dilemma van een Dyson

Het universum is een koude, harteloze plek. Zodra we al onze op aarde gebaseerde energiebronnen hebben verbruikt, we hebben dringend een manier nodig om onze ovens en koelkasten van stroom te voorzien. Onze zon is als een gigantische energiecentrale, warm en levengevend. Het is onze beste kans om onze soort in stand te houden en te evolueren naar meer capabele wezens.

Momenteel, Hoewel, een Dyson-bol van welke aard dan ook is gewoon buiten onze mogelijkheden. Als we ervoor kiezen om Mercurius te ontginnen, bijvoorbeeld, we hebben robottechnologie nodig die op dit moment gewoon niet bestaat. Die robots zouden feilloos moeten opereren ver van hun menselijke commandanten, decennia bezig om grondstoffen om te zetten in technologie voor energiecollectoren. Dat betekent de waardevolle metalen uit steen halen en dan op de een of andere manier geavanceerde elektronica bouwen, allemaal zonder menselijke hulp ter plaatse.

Er is ook de uitdaging om de verzamelde stroom terug naar de aarde te krijgen, zodat deze je televisie van stroom kan voorzien. Een heel lang verlengsnoer zal het waarschijnlijk niet knippen. Mensen hebben in plaats daarvan voorgesteld om voor dit doel laserstralen of microgolven te gebruiken. Maar lasers verliezen hun efficiëntie na minder dan anderhalve kilometer te hebben afgelegd. Magnetrons werken op veel grotere afstanden (bijna 100 mijl, of 161 kilometer), maar lang niet ver genoeg voor de doeleinden van een Dyson-bol.

Hoewel het op dit moment niet mogelijk is om onze planeet op deze manier van stroom te voorzien, het concept van Dyson-bollen kan ons heel goed helpen buitenaardse wezens te vinden die voorbij het Type I-stadium zijn gegaan. 1960, Dyson dacht dat als een beschaving er inderdaad in slaagde de elektromagnetische energie van een ster te kanaliseren, er zou veel overgebleven warmte als bijproduct naar buiten worden geduwd.

Detecteren dat uitgaande infraroodstraling de sleutel kan zijn tot het detecteren van andere intelligente levensvormen aan de andere kant van het universum, die onderzoekers momenteel onderzoeken. Ze hebben al gebieden gevonden met veel van de hitte van een ster, maar zonder het licht, waardoor sommigen denken dat buitenaardse wezens een groot deel van de energie kunnen vangen.

Wat dit allemaal betekent, is dat we op dit moment gewoon vastzitten in de categorie van de Type I-beschaving. Naarmate de eeuwen verstrijken, Hoewel, onze technologieën kunnen exponentieel vooruitgaan. En als ze dat doen, misschien ontdekken we dat we in staat zijn om van onze zon een krachtbron te maken die ons hele ras kan veranderen, waardoor we technologisch vaardiger en ruimtewaardiger zijn dan we ooit hadden kunnen dromen.

Veel meer informatie

Opmerking van de auteur:Hoe Dyson Spheres werken

Het is onmogelijk om te weten wat de toekomst van de mensheid te wachten staat. Reeds in onze geschiedenis, grote beschavingen zijn opgestaan ​​en ingestort. Zal onze huidige incarnatie zijn weg vooruit vinden zonder zichzelf te vernietigen? Zullen we onszelf terug in de donkere middeleeuwen bombarderen? Of maakt een klimaatverandering of een ontembaar virus een einde aan het leven zoals we dat kennen? Als we toevallig uit onze huidige vorm naar een hogere staat van zijn komen, we zullen zeker meer energie nodig hebben. En zonder een of andere onvoorziene doorbraak in de natuurkunde, de zon is de enige manier waarop we onze ontwikkeling de komende duizenden of miljoenen jaren kunnen voeden.

gerelateerde artikelen

  • Hoe zonnecellen werken
  • Hoe snelwegen met zonnepanelen werken
  • Kunnen lichtgevende zonneconcentratoren zonne-energie betaalbaarder maken?
  • Hoe zonnezeilen werken

bronnen

  • Boyle, Rebekka. "Waarom het niet de moeite waard is om Mercurius in een Dyson-bol te veranderen om zonne-energie te oogsten." Populaire wetenschap. 4 april, 2012. (8 aug., 2014) http://www.popsci.com/science/article/2012-04/why-death-star-attack-mercury-harvest-solar-energy-not-worth-it
  • Byrd, Debora. "Wat is een Dyson-bol?" Aarde Hemel. 21 maart, 2014. (8 aug., 2014) http://earthsky.org/space/what-is-a-dyson-sphere
  • Kaïn, Fraser. "Wat is een Dyson-bol?" Universum vandaag. 19 september 2013. (8 augustus, 2014) http://www.universetoday.com/104919/what-is-a-dyson-sphere/
  • Hofland, Rachel en Gorman, Celia. "Freeman Dyson voorspelt de toekomst." IEEE-spectrum. 18 juli 2014. (8 aug., 2014) http://spectrum.ieee.org/tech-talk/aerospace/space-flight/freeman-dyson-predicts-the-future
  • Dvorsky, George. "Hoe bouw je een Dyson Sphere in vijf (relatief) eenvoudige stappen." Io9. 17 april 2012. (8 aug., 2014) http://io9.com/5902205/how-to-build-a-dyson-sphere-in-five-relatively-easy-steps
  • Gilster, Paulus. "ET vinden in de gegevens (jacht op Dyson Spheres wordt warm)." Vrije Republiek. 17 april 2013. (8 augustus, 2014) http://www.freerepublic.com/focus/chat/3008904/posts
  • Knap, Alex. "Het is een slecht idee om Mercurius te vernietigen om een ​​Dyson-bol te bouwen." Forbes. 3 april, 2012. (8 aug., 2014) http://www.forbes.com/sites/alexknapp/2012/04/03/destroying-mercury-to-build-a-dyson-sphere-is-a-bad-idea/
  • Knap, Alex. "Nog een paar opmerkingen over de onpraktischheid van het bouwen van een Dyson Sphere." Forbes. 4 april, 2012. (8 aug., 2014) http://www.forbes.com/sites/alexknapp/2012/04/04/a-few-more-notes-on-the-impracticality-of-building-a-dyson-sphere/
  • Taat, Karel. "Dyson Spheres:hoe geavanceerde buitenaardse beschavingen de melkweg zouden veroveren." Ruimte. 14 januari 2014. (8 aug., 2014) http://www.space.com/24276-dyson-spheres-how-advanced-alien-civilizations-would-conquer-the-galaxy-infographic.html