Концепт сферы Дайсона был впервые представлен Фрименом Дайсоном, американским физиком и астрономом, исследовавшим эту идею посредством мысленного эксперимента. Он представил сферу огромного радиуса, окружающую звезду и выступающую в роли коллектора солнечной энергии. По его мнению, достаточно развитая в технологическом плане цивилизация сможет использовать некую «оболочку», или «кольцо материи» (дословно), с помощью которых можно будет собирать до 100 процентов излучаемой звездой энергии и передавать ее на планету. Дайсон представил эту «сферу» в качестве попытки объяснить возможность существования внеземной жизни во Вселенной. Обнаружение подобного объекта где бы то ни было во Вселенной станет прямым доказательством наличия высокоразвитой инопланетной цивилизации.
Как говорил М. А. Булгаков, квартирный вопрос испортил москвичей. Уже сейчас проблема перенаселения стоит весьма остро не только в масштабах отдельных городов, но и в масштабе планеты Земля в целом. А представьте, что произойдет в будущем, в очень далеком будущем, если численность человечества продолжит увеличиваться в том же духе, что и раньше. Многие ученые предлагали космическую экспансию, как выход из этой проблемы, об этом написано огромное количество научно-фантастических произведений, снят ряд фильмов. Но, помимо «жилплощади», развивающейся цивилизации требуется энергия, очень много энергии! Самой безопасной и в некотором роде самым очевидным ее источником является Солнце – зачем сжигать органические вещества или осуществлять опасные ядерные реакции, если все необходимое, как говорится, с неба падает. Вопрос только в том, чтоб уловить достаточное количество этой энергии.
Примерно в таком ключе рассуждал английский физик Фримен Джон Дайсон. В 1960 году он предложил крайне интересный астроинженерный проект, способный разрешить одновременно проблему нехватки места обитания и дефицита энергии.
Астроинженерными можно назвать такие проекты, масштаб которых сопоставим с планетами, звездами и планетными системами. Разумеется, это идеи, предназначенные для далекого будущего, но, в отличие от простых фантазий, они научно обоснованы. Чтобы представить такие проекты, потребуется хорошее воображение и способность отбросить стереотипы.
Сфера Дайсона в некотором роде жемчужина астроинженерных идей в прямом и переносном смысле. Так что же это такое? Представьте огромную сферу, радиусом равную расстоянию от Земли до Солнца (1 астрономическая единица), внутри которой находится центральная звезда планетарной системы. Для строительства такого циклопического сооружения потребуется масса вещества как минимум равная массе Юпитера. На внутренней поверхности сферы будут располагаться обитатели, которые смогут улавливать практически все излучение своей звезды.
Цивилизация сферы не зависит от какого-либо топлива, пока светит ее звезда, а для светил вроде Солнца этот срок составляет миллиарды лет. Энергопотребление такой цивилизации может достигнуть значения примерно 4×10^26 Вт. Чтоб представить масштаб, вспомните, сколько киловатт вы потребляете в месяц. А уж сколько будет места: площадь внутренней поверхности подобной конструкции составляет примерно 600 миллионов земных поверхностей. Если разместить все современное человечество на таком количестве планет, подобных нашей, то на каждой из них обитало бы всего 10 человек, а здесь все в пределах одной планетарной системы. Какой уж тут квартирный вопрос, когда места хватит всем на тысячи поколений вперед.
Звучит фантастически… Кстати, сам Дайсон признается, что заимствовал идею сферы у фантаста Олафа Стэплдона, автора романа «Создатель звёзд», где описывается такая конструкция. А наш соотечественник К.Э. Циолковский был очень близок к идее сферы, предлагая строить вокруг Солнца множество космических поселений, которые в итоге смогут уловить всю солнечную энергию. Но именно Ф. Дайсон обосновал идею Сферы, рассчитал параметры конструкции, создал модели, так что название в честь него вполне справедливо.
А может, кто-то уже построил? Естественно, что Сфера Дайсона будет построена не в следующий десяток лет и даже не в следующее столетие, и для Землян этот проект – далекая мечта. Но ведь Земля не единственная в космосе планета, и возможно, наши братья по разуму, отстоящие от нас на световые годы по расстоянию и обгоняющие нас на миллионы лет развития, уже построили подобные сферы.
Опять фантастика? Однако исследователи проекта поиска внеземного разума SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) отнеслись к идее поиска «чужих» сфер вполне серьезно. Предполагается, что конструкция высокоразвитой цивилизации будет излучать в инфракрасном диапазоне, ведь излишки тепла никому не нужны. Параметры излучения твердого тела такого размера будут отличаться от излучения туманностей, что теоретически позволит найти подобные артефакты среди естественных объектов.
Для поиска Сфер других цивилизаций планируется использовать космический инфракрасный телескоп NASA SIRTF. Так что, может быть, мы найдем проект Дайсона уже реализованным нашими космическими соседями.
Сможет ли человечество осуществить такой амбициозный проект, сможет ли его осуществить кто иной во Вселенной? Согласно мнению критиков, Сфера Дайсона в изначальной модификации была бы нестабильной и разрушилась.
Дело в том, что для преодоления силы притяжения Солнца или другой звезды конструкция должна вращаться вокруг оси. Тогда центробежная сила скомпенсирует гравитацию. В некотором роде эффект, напоминающий юлу. Однако сложность заключается в том, что центробежная сила максимальна на экваторе, а на полюсах равняется нулю. То есть на полюсах Сферу ничего не будет уравновешивать. Это привело бы к гибели всего астроинженерного сооружения.
Для решения этого противоречия было предложено множество модификаций изначального проекта: это и кольцо Нивена, и менее амбициозные станции О’Нейла, и еще ряд смелых и грандиозных концепций, рассмотрение которых достойно отдельной статьи. Крайне сложно будет добыть столько вещества, возвести конструкцию, защитить ее от внешних воздействий – все это в наших глазах делает проект практически невозможным.
Но могли ли древние люди, сидя на дереве, представить ту же Останкинскую телебашню? Осуществим этот проект или нет, все равно идея заслуживает внимания, как минимум со стороны писателей-фантастов, максимум со стороны инженеров, астрономов и других ученых. Может быть, Сфера Дайсона – это сказка, миф современности, но вспомните – история Дедала и Икара была написана несколько тысячелетий назад. А тысячелетия в масштабах Вселенной – это ничтожно мало.
Общепринятый приоритет в изобретении концепции колоссального космического сооружения, обозначаемого термином «Сфера Дайсона», принадлежит англо-американскому ученому Фримену Дайсону. Но, как и всегда в истории, если хорошо поискать, то можно найти предшественников, излагавших нечто похожее, заложивших некие основы, опираясь на которые наш современник Дайсон смог предложить такую дерзновенную идею.
Сам Фриман Дайсон признавал, что вдохновился идеей из фантастического романа «Создатель Звезд», автор которого Олаф Стэпледон описал похожее сооружение (кольца вокруг звезд без планет и новые искусственные планеты) ещё в 1937 году.
Но и Олаф Стэпледон мог позаимствовать идею у ещё одного автора: Джон Десмонд Бернал в статье «Мир, Плоть и Дьявол» описывал сферические космические колонии, построенные из тонких оболочек вокруг перемещенных на новые орбиты астероидов. Он также неявно намекал, что когда таких колоний станет много, то тогда они будут перехватывать большую часть энергии нашего светила.
Основоположник космонавтики, наш соотечественник Константин Эдуардович Циолковский, тоже предлагал обитаемые космические колонии, но не в форме сферы, а в форме пирамиды или конуса, развернутые прозрачным основанием в сторону Солнца (с растениями и обитателями, расположенными на стенках конуса) – так называемые «эфирные города». Причём тут сфера Дайсона? А при том, что на картинке из дневника Циолковского видно, что он изображал эти конусы именно объединенными в упорядоченную сеть (чем не часть сферы Дайсона?) с помощью неких балок или тросов, проходящих через центры этих объектов.
Помимо этих авторов американский фантаст Раймонд З. Галлун тоже излагал нечто похожее.
Ещё в средневековье (XV век), итальянский мыслитель XV века Марсилио Фичино, предвидя возможности человека в будущем (интуитивно ощущая, что возможности человека развиваются на основе познания, т.е. точных знаний человека о законах природы) совершенно самоуверенно (для своего времени) написал: Человек измеряет землю и небо… Ни небо не представляется для него слишком высоким, ни центр земли слишком глубоким… А так как человек познал строй небесных светил, то кто станет отрицать, что гений человека почти такой же, как у самого творца небесных светил, и что он некоторым образом мог бы создать эти светила, если бы имел орудия и небесный материал.
Надо заметить, что хотя сфера Дайсона это не аналог светила – звезды или планеты, но она в некотором смысле использует первое и заменяет второе. Под сферой Дайсона можно понимать не только сферу, но любую конструкцию. Главное, чтобы эта конструкция была масштабной и перехватывала значительную часть излучения Солнца (а не тысячные доли процента, как существующие в нашей системе планеты). Конечно, итальянец Марсилио Фичино в XV веке не мог выдумать концепцию сферы Дайсона (ему не хватало знаний) и просто мечтал о создании подобия природных небесных тел, но тем не менее он смог обозначить в своем коротком тексте три из четырех основных проблем по созданию цивилизацией сферы Дайсона:
1. Метод создания – каким "некоторым образом" можно создать сферу, радиусом 50-250 миллионов километров?
2. Средства создания – какими "орудиями" можно создавать такую сферу, чтобы не навредить себе и всей своей системе?
3. Материал для создания – тот самый "небесный материал", который определяет своим наличием, количеством и качеством саму возможность создания такой сферы (а также методы и скорость строительства).
4. Место расположения – которое нужно определить заранее, до строительства, чтобы потом не оказалось, что наличие сферы в этом месте только усложняет жизнь цивилизации или просто опасно для своей системы.
Начнем с последней проблемы – с места расположения сферы, так как это самое важное решение, заметно влияющее на последующие. И ответ на вопрос о размещение сферы напрямую зависит от назначения сферы.
Классификация по расположению
Вариант А: Если нам нужна сфера Дайсона просто для получения максимума энергии от Солнца (без учета сохранения освещенности планет, особенно освещенности Земли), то было бы логичнее расположить сферу как можно ближе к Солнцу. Возникают три основные проблемы:
1. Проблема гравитационной устойчивости и стабильности – сфера не должна падать на Солнце, ломаться или деформироваться от гравитации Солнца, а также от гравитации ближайших планет (Меркурия и Венеры).
2. Проблема охлаждения сферы – сфера не должна плавиться или деформироваться от энергии Солнца.
3. Если проблема охлаждения решена, то остается проблема переноса массы с Солнца на сферу – солнечный ветер и коронарные выбросы будут достигать поверхности сферы, повреждать её, оседать на ней, утяжелять и заряжать её.
Вариант Б: Если нам нужна сфера как поверхность обитания для людей (со всей необходимой инфраструктурой, атмосферой, почвой, растениями и животными), то сфера должна быть прочной и располагаться там, где свет Солнца имеет примерно ту же интенсивность что и на поверхности Земли – т.е. на расстоянии орбиты Земли или даже дальше (чтобы скомпенсировать отсутствие или слабость атмосферы, магнитосферы, нужных для защиты от излучения Солнца). Возникают три новые основные проблемы (выше изложенные проблемы Варианта А не исчезают, но уходят на второй план):
1. Стабильность – сфера не должна задевать орбиты других планет (например Земли), не должна сильно притягиваться ими. Поэтому она должна быть далеко вне орбиты Земли (на 30-50 млн. км или на 0.2-0.3 а.е.).
2. Прочность и толщина сферы – вопрос в том, достаточно ли прочная поверхность сферы: помимо технологии во многом это определяется составом и качеством материала Солнечной системы.
3. Наличие материала – если его недостаточно, то и строить такую сферу не имеет смысла.
Вариант В: Если нам нужна сфера с тонкой примитивной (легко ремонтируемой) поверхностью, перехватывающей свет от Солнца, но не обязательно твердой (выдерживающей почву, людей), зато с максимальной площадью поверхности и с минимальным потоком энергии (чтобы не волноваться за перегрев сферы), то сфера должна располагаться где-то ещё дальше от светила. Для такой сферы тоже актуальны три основные проблемы (остальные проблемы менее важны):
1. Наличие материала – для такой огромной сферы его может и не хватить.
2. Стабильность сферы – остается проблемой, но не такой срочной.
3. Столкновения с астероидами, кометами и т.п. – проблема серьезнее, чем для ранее изложенных вариантов, так как поверхность такой сферы в единицу времени пересекают гораздо больше мелких небесных тел.
Классификация по назначению
Из беглого рассмотрения местоположения сферы Дайсона очевидно, что многое также определяется назначением сферы.
Назначение 1: Тесный энергетический кокон вокруг звезды
Как можно ближе к звезде создается вращающаяся (необязательно сплошная) прочная охлаждаемая оболочка с уловителями (а также преобразователями и излучателями) энергии – чтобы получить максимум энергии при минимальных объемах строительства. Как близко к Солнцу можно построить такую сферу? Если принять неопасным разогрев оболочки Солнцем до 1000 К (без специального охлаждения), то радиус будет равен около 23 млн км, что лежит внутри орбиты Меркурия (радиус его орбиты от 40 до 60 млн км) – эти расчеты взяты со списка ответов на типичные вопросы по сфере Дайсона.
Вся полученная световая энергия преобразуется в другую (например, в электрическую) и потом либо передается куда-то (например, лазером или радиоволной), либо применяется на месте. Состояние, освещенность, стабильность орбит планет и даже само их существование в расчет не принимаются – если нужно, то они разбираются на материалы для создания сферы.
Несмотря на некоторую экстремальность такого назначения сферы (нестабильность сферы надо постоянно парировать выпуском газов/солнечного ветра с разных направлений, или работой двигателей на внешней/внутренней оболочке сферы) и проблему прочности (для нашего уровня развития главной проблемой является прочности любых современных материалов) эта конструкция вполне оправдана для цивилизаций высокого уровня. Особенно если таким способом осваивается не своё светило, а чужая звезда. Это ведь не колыбель цивилизации, где разбирать или заслонять от светила планеты не поднимется рука (просто из уважения к истории своего мира), не говоря уже о нарушении стабильности орбит других планет при разборке даже одной планеты. Если такая чужая звезда имеет неудачный (с точки зрения цивилизации) спектр, не обладает пригодными для освоения и обитания планетами, то и жалеть такую систему со звездой никто особо не будет: планеты пойдут на создание сферы.
Конструкция такого вида особенно оптимальна для белых карликов: эти неактивные, медленно (миллиарды лет) остывающие остатки звезды светят стабильно: температура их поверхности остывает со средней скоростью около 10000 K за 1 миллиард лет – эта оценка основана на разнице температур нового белого карлика: от 90000 К (оценка по линиям поглощения) или 130000 К (оценка по рентгеновскому спектру), до температур ниже 4000 К (так называемый черный карлик) для некоторых белых карликов, остывших за 13 миллиардов лет (время жизни Вселенной). Белые карлики светят без вспышек и выбросов коронарной массы, они невелики по размерам и по светимости – вокруг них можно сделать сферу радиусом в десятки раз меньше (даже менее 1 млн. км), чем вокруг активного Солнца или других звёзд схожего размера. Но проблема прочности сферы остается.
В 2015 году двое турецких ученых рассчитали радиусы сфер Дайсона (пригодных для обитания людей на внешней прочной поверхности с комнатной температурой) для разных типов белых карликов. Результаты лежат в пределах 2-5 млн. км, а количество материала на создание такого рода сфер с толщиной оболочки около 1 м примерно равно материалу всей Луны. Эту работу заметили в СМИ.
С красными карликами дело несколько сложнее: у них часто бывают вспышки, их жесткое излучение опаснее солнечного. Но и у них есть свои преимущества: их много, а их вес от 30% и вплоть до 8% от веса Солнца, значительно меньшие значения светимости и малые геометрические размеры позволяют построить сферы радиусом поменьше, чем для Солнца, а уж продолжительность их жизни далеко перекрывает и ожидаемую продолжительность жизни Солнца и время остывания белых карликов до уровня, когда получение энергии сферой уже мало.
Вывод: Данное назначение сферы Дайсона имеет смысл для определенных типов небольших звезд, но явно не для родной системы цивилизации и не для первой попытки любой цивилизации построить сферу Дайсона. Вот когда цивилизация выйдет на звездные просторы, то тогда и начнет «гасить» ближайшие звезды (особенно карлики) такими коконами, образуя тем самым в небе «пузырь Ферми» без звезд (термин Ричарда Кэрригана). В оптическом диапазоне это будет похоже на звёзды, находящимся в туманности, но при этом прилично светящиеся в ИК-диапазоне. Название «пузырь Ферми» было предложено из-за того, что подобная группа сфер Дайсона будет постепенно расширяться в соответствии предположением Энрико Ферми о скорости расширения ареала таких цивилизаций в 0,001 – 0,01 от скорости света.
Назначение 2: Огромная поверхность для заселения людьми
Самое амбициозное, трудное в создании и материально затратное назначение для сферы Дайсона. Требует воистину огромного количества материалов и ресурсов для создания. Если мы не считаем возможным разборку Земли или её затемнение, то радиус такой сферы должен быть около 190-250 млн. км (на 40-50 млн. км за земной орбитой для уменьшения взаимного влияния сферы и Земли).
В связи с простыми выводами из физических законов (Закон Гаусса) – так называемая теорема Ньютона об отсутствии гравитации внутри сферических тел – для любой равномерно плотной сферической оболочки гравитация внутри оболочки зависит только от массы внутри (а не от массы самой оболочки). Поэтому находиться людям на внутренней поверхности такой оболочки будет просто опасно: они будут притягиваться внутрь к Солнцу, а не к оболочке (какой бы толстой она не была). Некоторые оригиналы в связи с этим даже предлагают селиться на внешней оболочке такой сферы! (и упомянутая выше работа о белых карликах). Избавиться от падения внутрь можно: закрутив сферу до нормальной для такого радиуса орбитальной скорости, что добавит около 1/3 от земной силы тяжести направленной наружу.
Но атмосфера от этого особо удерживаться не будет (надо её ограждать от внутреннего вакуума), весь свет от Солнца будет переотражаться от оболочки и слепить со всех сторон, да и замкнутый внутри сферы солнечный ветер с интенсивностью около 2.5 на 10^12 ионов на метр квадратный за секунду не сможет никуда выйти.
Главная проблема в другом: необходимо достичь немалой прочности оболочки этой сферы, чтобы сфера под действием гравитации Солнца не упала внутрь, к Солнцу. Для невращающейся сферы требуется некая прочность, чтобы противостоять давлению, вызванному притяжением Солнца на пробный килограмм материала сферы.
Это вроде ерунда, какие-то мизерные доли от силы тяжести на Земле (9.8 ньютона действуют на пробный килограмм на поверхности нашей планеты). Но проблема в том, что ещё на этот килограмм оболочки давит вес всех других килограммов, составляющих сектора купола сферы снизу и сверху.
Да, их вес на таком расстоянии от Солнца минимален, те самые 0.04 миллиньютона, но эту мизерную силу надо векторно умножить на миллионы этих килограмм, составляющих массу сектора купола. Результирующая сила зависит от толщины оболочки и даже для сантиметровых толщин она просто ужасна (так как размеры и масса сектора купола огромна).
Если создать вращающуюся сферу (при сборке сферы из элементов, только так и надо начинать: все элементы экваториального кольца должны предварительно выводится на стабильную орбиту, что требует вращения вокруг светила со скоростями близкими к орбитальным скоростям планет: 30 км/сек для Земли или около 25 км/сек для орбиты за земной, но до марсианской), то это вращение поможет собранной жесткой оболочке сферы только на экваторе и рядом с ним.
Но это ускорение не уменьшает силу притяжения к светилу на полюсах такой сферы, и не особо помогает на средних широтах. Проблема с давлением огромной массы секторов верхнего и нижнего куполов на быстро вращающийся экватор сферы остается. Остается и проблема недостатка ресурсов: ученый Андерс Сандберг оценивает, что в нашей Солнечной системе находится 1,82х10^26 кг легко используемого строительного материала, что является достаточным для строительства оболочки Дайсона радиусом 1 а.е., средней массой 600 кг/м2 при толщине приблизительно 8-20 см в зависимости от плотности материала. Если выкинуть материал ядр газовых гигантов, которые, сильно мягко говоря, труднодоступны, то внутренние планеты отдельно могут предоставить лишь 11,79х10^24 кг вещества, что хватит для строительства оболочки Дайсона радиусом 1 а.е. с массой всего 42 кг/м2 и около сантиметровой толщины.
Вывод: Данное назначение сферы Дайсона имеет смысл только для идеалистических мечтаний о мощи цивилизации. Современные материалы не позволяют создать такую сферу. Кроме того никакой материал и никакие новые технологии не изменят того факта, что внутренняя поверхность сферы не пригодна для обитания в чистом виде (нужна ещё внутренняя прозрачная сфера для удержания атмосферы от падения вниз к светилу), а сама сфера опасно нестабильна. И главное: материала в нашей системе просто не хватит.
Назначение 3: Легкие концентраторы энергии звезды
Такие сферы могут быть как дальше, так и ближе земной орбиты. Главное то, что их назначение это не проживание максимального количества людей на их внутренней поверхности, а использование излучаемой Солнцем энергии, пусть и не 100% этой энергии. Эти допущения по назначению открывают широкие возможности по формам и типам конструкций. Можно выбрать ту, которая доступна текущим технологиям, не замахиваясь на нереальное. Например можно отойти от сферы к отдельным элементам, составляющих так называемый Рой Дайсона, на орбите вокруг Солнца (у Меркурия), которые получают и перерабатывают энергию и посылают её дальше потребителям.
Можно рассмотреть и элементы без преобразования энергии, которые просто посылают отраженный солнечный свет в нужном направлении (упоминается здесь). Набор таких нежестких колец (из элементов роя) с разными радиусами и углами к плоскости эклиптики может в принципе перехватывать даже больше 50% солнечного излучения, даже если кольца не сплошные (не жесткие) и между самими кольцами есть зазоры.
Да, это не сфера в геометрическом смысле слова, но вполне практичная альтернатива сфере. Главное – это отказаться от самой сферы – как говорится: Вам шашечки или доехать надо?
Вывод: данное расплывчатое назначение сферы Дайсона придает большую гибкость всей концепции и позволяет рассмотреть несколько форм и типов конструкций, с разными исходными задачами и с разными результатами, а также с разными потенциалами совершенствования и модернизации.
К такому же выводу пришел и футурист Стьюарт Армстронг, выбрав в качестве естественной перспективы для цивилизации Рой Дайсона, построенный из материала Меркурия и расположенный примерно на его орбитe.
Классификация типов конструкций
Так называемый I тип сферы Дайсона это не сплошная условная сфера – Рой Дайсона – из отдельных, никак между собой не связанных элементов, движущихся по своим стабильным орбитам, на более-менее постоянном удалении от центрального светила. Орбиты регулируются тягой любых двигателей на самих элементах.
Так называемый II тип сферы Дайсона это не сплошная условная сфера из отдельных несвязанных элементов, парящих на постоянном удалении от центрального светила за счет баланса силы притяжения и силы давления света/солнечного ветра. Элементы названы статитами (типа стабильные сателлиты). Баланс этих сил (притяжения и давления света) достижим только при очень легком материале: с очень легкой прочной оболочкой: 0.78 грамм на м2, что недостижимо для современных технологий.
Так называемый III тип сферы Дайсона это простая и сплошная сфера в виде легкого баллона, так называемый «Пузырь Дайсона». Баланс сил основан на равенстве давлении света гравитации, как и тип II, но со сплошной оболочкой, очень легкой и тонкой: 0.78 грамм на м2, что недостижимо для современных технологий – для такой сферы радиусом 1 а.е. достаточно материала массой в один крупный астероид Паллада: 2.17 на 10^20 кг.
Отбрасывая II и III тип сферы Дайсона из-за отсутствия на данный момент (и в обозримом будущем) подобных материалов мы снова приходим к рою Дайсона – к сфере I типа, просто потому, что она реальнее всех остальных типов.
Есть и другие, экзотичные типы конструкций, но все они ещё сложнее и нереальнее.
Рассмотрим сам процесс создания Сферы Дайсона, точнее Роя Дайсона в виде Кольца. С чего техническая цивилизация начнет монтаж любой сферы Дайсона? С вывода отдельных элементов сферы на орбиту. Только элементы сферы Дайсона, двигающиеся по стабильной круговой орбите с нужным радиусом, могут быть собраны вместе (без жесткого соединения, с зазорами), чтобы постепенно шаг за шагом сформировать… увы, не сферу, а только кольцо, так как чем выше или ниже элемент над плоскостью кольца, тем сложнее его поставить на стабильную орбиту, не пересекающую уже созданное кольцо и не сильно удаленное от него по радиусу. Хотя есть прикидки, как сделать много индивидуальных непересекающихся орбит для элементов.
Монтаж скорее всего начнется со сборки части кольца Дайсона в плоскости эклиптики. Ведь вне плоскости эклиптики меньше астероидов и другого материала для создания элементов кольца. А в плоскости эклиптики и материала больше, и доставить на нужный радиус этот материал легче, и придать ему (или уже построенному элементу кольца) нужную орбитальную скорость проще. Назовем такую нежесткую конструкцию из отдельных близко расположенных элементов роя Кольцом Дайсона (так как Кольцо Нивена по определению обязательно жесткое).
После создания гибкого (состоящего из несвязанных или слабо связанных элементов) кольца заданного радиуса, с накоплением опыта и усовершенствованием технологии, цивилизации можно создавать и другие кольца, уже поперек плоскости эклиптики и под углом к ней, но эти кольца должны быть с заметно увеличенным или уменьшенным радиусом, чтобы не задевать первоначальное кольцо.
Итак предположим, что конструкция сферы Дайсона и целесообразность ее возведения во многом зависят от трех факторов:
1. Физические характеристики звезды и планетной системы, где возводится сфера. Кстати, существуют исследования, авторы которых предполагают искать сферы Дайсона вокруг белых карликов.
2. Назначение сферы Дайсона – энергетическое (колоссальная солнечная электростанция) или жизненное пространство (заселение внутренней поверхности сферы). Чисто энергетическое назначение представляется более реалистичным.
3.Степень сложности и интеллектуальности отдельных модулей сферы Дайсона. Возможно, рой зондов фон Неймана вполне мог бы сам собирать сферу Дайсона из частиц этого же роя – при условии, что сами роботы состояли бы из подходящего материала, например, углеродной нанопены, а также имели выверенный жизненный цикл – отработав положенный срок, разбирались бы другими роботами на материал, который идет на строительство или ремонт сферы.
Для любого человека, интересующегося научной фантастикой, сфера Дайсона может выступать чуть ли не в качестве Святого Грааля. Более чем полвека назад знаменитый физик Фримен Дайсон сначала предложил, а затем и популяризировал идею о том, что высокоразвитая сверхтехнологичная цивилизация будет способна добывать столько полезной энергии, сколько способна вырабатывать целая звезда – достаточно лишь построить специальную конструкцию вокруг светила.
Оригинальный концепт этой конструкции Дайсон предложил в контексте желания найти внеземную жизнь. Он предположил, что человечество должно искать новые звездные системы и стараться разглядеть в них признаки наличия подобных космических мегаструктур.
«Такой изначально темный объект будет излучать столько же энергии, сколько сама звезда, скрывающаяся за ним. Но это излучение будет находится в дальнем инфракрасном диапазоне спектра с длиной волны около 10 микрон. Я предлагаю проводить целенаправленный поиск источников подобного инфракрасного излучения, либо отдельно, либо вместе с поиском искусственных источников радиосигналов. Более предпочтительным было бы заниматься поиском и исследованием объектов 5-й или 6-й звездной величины…», – писал когда-то Дайсон.
Своих читателей физик также вдохновил замечанием о том, что жители Земли однажды, достигнув выдающихся технологических высот, тоже смогут построить собственную мегаструктуру Дайсона.
«Это возможно. В течение нескольких тысяч лет с момента начала индустриальной эпохи любая разумная цивилизация может выйти на уровень развития и жизни внутри искусственной биосферы, расположенной вокруг родной звезды той или иной системы».
Безусловно подобное сверхмасштабное строительство пока неосуществимо, но начинать планировать никогда не рано! И доктор Стюарт Армстронг, исследователь из Института будущего человечества при Оксфордском университете, как раз и решил этим заняться, представив, каким образом человечество однажды сможет возвести так называемый рой Дайсона (не путать со «сферой») вокруг Солнца.
В отличии от сферы Дайсона, конструкции хоть и полой, но обладающей элементами с цельной обшивкой, рой Дайсона может представлять модульную конструкцию, состоящую из множества жилых модулей, спутников и солнечных коллекторов, объединенных в общую сеть в виде сферы вокруг звезды. Генерируемая же энергия будет беспроводным способом передаваться между модулями этого роя и собственно самой Землей. В качестве альтернативы можно использовать миллионы зеркал, которые будут фокусировать энергию Солнца на меньшее число коллекторских станций.
Так каким же образом можно реализовать эту грандиозную идею? Выступая на лекции в 2012 году Армстронг предложил крайне абстрактный вариант. Во-первых, весь процесс строительства будет выполняться в автономном режиме, то есть роботами, обладающими функцией самостоятельной замены. Сломался один робот, несколько других взяли и произвели нового из старых запчастей. Армию подобных механических работников также нужно будет заслать и на Меркурий, где будут добывать полезные ископаемые, на базе которых будут создаваться необходимые для строительства материалы. По подсчетам ученого, полезной в плане добычи будет только половина этой планеты. Приблизительно в течение 50 последующих лет роботы будут множится и строить различные модули и спутники, после чего ресурсы Меркурия скорее всего будут истощены.
Конечно одной планеты в Солнечной системе мы в таком случае скорее всего лишимся, но будем ли мы так скучать по этому выжженному аду? Без грамма сожаления Армстронг даже озаглавил один из представленных на лекции слайдов как: «Прости, Меркурий, ничего личного…».
Если вы очень скептически относитесь к вышеозвученному плану – хорошо. Так и должно быть, потому что мы даже близко не подобрались к такому уровню технологических возможностей. Тем не менее, мечтать никто не запрещал.
И все же, Армстронг представил аргумент, согласно которому строительство роя Дайсона является полностью достижимой задачей. Он указывает на то, что если даже в природе существует много того, чего в принципе существовать не должно, то и причин считать, что человечество никогда не сможет достигнуть такого технологического уровня у нас тоже нет. В качестве двух основных необходимых технологий, которые позволят приблизиться к возможности создания роя Дайсона он привел искусственный интеллект и технологию репликации клеток. При наличии этих двух фундаментальных инструментов единственное, что нам потребуется, это подходящая технология автоматизации и продвинутая технология 3D-печати – два направления в которых человечество уже показывает определенные успехи.
«Масштаб строительства сам по себе не является фактором, выступающим в качестве непреодолимого барьера. Разобрать планету по камушку, это то же самое, что разобрать астероид. Просто делать это придется дольше, существенно дольше», – прокомментировал Армстронг.
С развитием технологий растет и потребление энергии. Что же делать человечеству, когда на Земле ее перестанет хватать? Еще в 1959 году американский физик-теоретик Фримен Дайсон предложил гипотетическое астроинженерное сооружение – оболочку вокруг Солнца радиусом 1 а.е. и толщиной 3 м. По задумке, сфера Дайсона позволила бы решить проблему нехватки энергии и перенаселения. Такая сфера площадью в 550 млн раз больше площади Земли могла бы накапливать почти 100% излучаемой энергии Солнца, а если бы удалось создать и удерживать на ее внутренней поверхности атмосферу, то в ней можно было бы поселить в миллиард раз больше людей, чем сегодня есть на Земле. Правда, на постройку такой сферы ушло бы количество материала, равное по массе Юпитеру.
Впрочем, такая конструкция в реальности существовать не может. Чтобы сфера не деформировалась под силой притяжения Солнца, ее пришлось бы раскрутить до орбитальной скорости (20–30 км/сек). Но если на экваторе сила притяжения будет компенсироваться центробежной силой, то на полюсах скорость будет минимальной, и это приведет к разрушению сферы под действием гравитации звезды.
Эту проблему можно решить изменением самой конструкции – вместо сферы сделать кольцо. Конечно, кольцо получало бы сильно меньше энергии, чем сфера, но при необходимости можно построить несколько непересекающихся колец с разными углами наклона. Такую конструкцию придумал американский фантаст Ларри Нивен, который в 1970 году описал ее в серии романов «Мир-кольцо».
К счастью, ни сфера Дайсона, ни кольцо Нивена не понадобятся нам еще очень и очень долго. Требуемую нашей цивилизации энергию пока еще можно добыть на Земле: мы сейчас не относимся даже к первому типу цивилизации по шкале Кардашёва.
Предположим, однако, что какая-то другая, более развитая цивилизация, уже использует энергию своей звезды при помощи сооружения, подобного сфере Дайсона. Сможем ли мы ее обнаружить? Да, сможем – по инфракрасному излучению, которое будет исходить от нагреваемой изнутри искусственной оболочки звезды. В этом, кстати, и состояла главная идея статьи Фримена Дайсона, в которой была высказана идея сферы, – она называлась «Поиск искусственных звездных источников инфракрасного излучения». Дайсон предложил дополнить поиск внеземных цивилизаций в радиодиапазоне поиском характерных инфракрасных источников.
В 2015 году астрономы заметили, что у находящейся в 1480 световых годах от нас звезды KIC8462852 в созвездии Лебедя яркость за считаные дни падала на 20%, а потом так же быстро восстанавливалась. Было высказано предположение, что изменения в светимости могут быть вызваны наличием у звезды искусственных оболочек. Однако избытка инфракрасного излучения от KIC8462852 обнаружено не было, так что от этой гипотезы пришлось отказаться. Сейчас наиболее правдоподобным объяснением колебаний светимости этой звезды считается экранирование вращающимися вокруг нее кометами.
Возможно, в далеком будущем наши потомки построят вокруг Солнца огромную энергостанцию под названием Сфера Дайсона, которая будет поглощать звездную энергию и направлять ее на благо человека. Также вероятно, что многие инопланетные цивилизации, если они существуют и достигли нужного уровня технического прогресса, уже пошли по этому пути, пока на Земле люди все еще стоят гипотезы. Если это так, то именно благодаря подобным мегаструктурам человечество однажды и обнаружит в космосе следы братьев по разуму.
Когда в 1959 году Фримен Дайсон придумал свою концепцию сферической звездной энергостанции, он и не предполагал, что нечто подобное сможет создать человек (по крайней мере, в обозримом будущем). Напротив, по его задумке нечто подобное мог создать только инопланетный разум, и именно такие структуры люди и должны искать, чтобы доказать существование других представителей разумной жизни в космосе. Сам по себе концепт имеет множество преимуществ: фактически, звезда – это источник колоссального количества энергии, большая часть которой бесцельно излучается в космос. Именно она может стать потенциальным решением экономического кризиса и большинства экологических проблем на многие столетия вперед. По шкале Кардашёва цивилизация, получившая полный доступ к энергии звезды, будет относиться ко 2-му типу и ее энергопотребление будет сравнимо с мощностью центральной звезды планетной системы — примерно 4·1026 Вт.
Конечно, основная проблема – это не только постройка, но и поддержание такой колоссальной структуры в рабочем состоянии. Сама оболочка должна располагаться от звезды примерно на том же расстоянии, что Земля отстоит от Солнца. Следовательно, количество материалов, необходимых для создания даже сравнительно тонкого оболочечного слоя, будет воистину космическим. Некоторые астрономы предполагают, что для создания одной Сферы Дайсона нам придется полностью демонтировать Меркурий, Венеру и, возможно, еще и пояс астероидов. К сожалению, это может нарушить деликатный гравитационный баланс Солнечной системы и привести к смещению орбит, что может вылиться и в столкновение крупных небесных тел друг с другом. Существует и множество других проблем, к примеру построение и поддержание самой оболочки, а также устранение бесконечного ущерба, который будут регулярно наносить астероиды и кометы.
На сегодняшний день человечество не обладает достаточными знаниями и ресурсами для создания столь масштабной конструкции вокруг Солнца. Большинство проблем, которые могут возникнуть при создании сферы Дайсона, можно выделить в четыре определенные проблемы:
• Не разработаны методы и технологии, которые позволили бы человечеству создать конструкцию, радиус которой может составлять около 150 млн. километров.
• Человечество не обладает требуемыми инструментами и знаниями, чтобы создать достаточно прочное сооружение, которое бы выполняло описанные выше функции.
• Как уже упоминалось, для создания сферы Дайсона потребуется немыслимый запас материала, из которого будет состоять конструкция.
• Требуется точно определить расположение сферы относительно Солнца. Данная проблема единственная из перечисленных, над решением которой можно размышлять уже сегодня.
Возможные вариации конструкции:
• Первый тип сферы Дайсона представляет собой множество не связанных объектов, каждый из которых движется по своей собственной орбите. Орбиты могут контролироваться при помощи двигателей, расположенных на самих этих объектах. Такая конструкция несколько напоминает рой насекомых, в результате чего и называется Рой Дайсона.
• Согласно второму возможному типу – конструкция представляет собой также набор несвязанных элементов, которые, однако, стабильно парят на определенном расстоянии от звезды за счет балансирования двух сил: гравитации с одной стороны, и давления света – с другой. Чтобы подобная модель была осуществима, требуется, чтобы элементы сферы состояли из неизвестного сегодня материала, очень легкого и прочного, около 0,78 грамм/м2. Такие элементы называют «стабильные сателлиты», для краткости – «статиты».
• Третий предполагаемый тип структуры говорит о сплошной сфере, которая, как и второй тип, парит за счет баланса гравитационных сил и давления света. Отличным есть то, что данная сфера не состоит из множества объектов, а представляет собой цельное тела. Для создания сферы Дайсона III-го типа также требуется сверхлегкий и прочный элемент.
Очевидно, сфера Дайсона способна решить ряд проблем, которые могут возникнуть у человечества в будущем, среди которых две основные: ограниченность жилого пространства на Земле и недостаток энергетических ресурсов. Однако, на сегодня построение такой конструкции невозможно по ряду причин, связанных с имеющимися технологиями и недостатком требуемых ресурсов.
В то время как часть исследований направлена на изучение новых веществ и материалов, другая часть занимается теоретическим описанием требуемых параметров конструкции. Успехи современной науки позволяют нам предполагать о возможности создания столь масштабного проекта в пределах нашей Солнечной системы, а также не исключают существования сферы Дайсона за ее пределами.
Если мы однажды обретем технологии, которые позволят нам создать сферу Дайсона вокруг Солнца, то мы сможем генерировать 384 йотаватта энергии, что по сути является всей генерируемой мощностью ядра Солнца.
| 
