Мощь чёрной дыры

magman67 — 18.04.2024 Межзвездный полет потребует огромного количества энергии, но мы, возможно, сможем хранить ее в миниатюрной черной дыре.

All About Space No 155 May 2024.

Межзвездные расстояния трудно себе представить. Ближайшая к нам звезда — Проксима Центавра, красный карлик, который находится на расстоянии 4,3 световых года — это более чем в 266 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Даже если бы наш самый быстрый космический корабль «Вояджер-1», летящий со скоростью 18 километров (11 миль) в секунду, направился туда, ему все равно потребовалось бы 80 000 лет, чтобы достичь цели. Для того чтобы люди могли исследовать галактику, нам понадобится другой способ путешествовать, но хотя основное внимание уделялось стороне головоломки, связанной с движением, не менее сложной задачей является то, как обеспечить такие путешествия. Но есть странная концепция, которая может решить обе проблемы: шварцшильдский кугельблиц, корабль, приводимый в движение черной дырой.
Чтобы совершать межзвездные путешествия за разумное время, нам придется достичь значительной скорости света, которая составляет около 300 000 000 метров (984 252 000 футов) в секунду. На каждый килограмм массы, составляющий космический корабль и его полезную нагрузку, при движении со скоростью 99,9% скорости света он будет иметь кинетическую энергию, более чем в шесть раз превышающую кинетическую энергию, содержавшуюся в Царь-бомбе 1961 года, крупнейшем ядерном заряде в истории, который был взорван. Вся эта энергия должна безопасно храниться в такой форме, чтобы её можно было встроить в космический корабль и доставить на перспективный звездолет, не разрушая его.




В 1955 году американский физик Джон Уилер – предположительно автор терминов «черная дыра», «червоточина» и «квантовая пена» – предположил, что если достаточно энергии можно сконцентрировать в небольшом пространстве, эта энергия образовала бы микроскопическую чёрную дыру. Он назвал эту концепцию kugelblitz – что по-немецки означает «шаровая молния» – и, поскольку чёрная дыра определяется как сжатая энергия массы так, что её гравитация не позволяет свету ускользнуть, сжатая в пределах радиуса Шварцшильда, она стала известна как Шварцшильдский кугельблиц.



Как ни странно, чёрные дыры на самом деле производят излучение. Впервые Стивен Хокинг в 1974 году предположил, что когда квантовые флуктуации происходят рядом с горизонтом событий чёрной дыры, это приводит к созданию двух частиц, но вместо того, чтобы частицы аннигилировали друг друга, одна из них затягивается в чёрную дыру, позволяя другоё сбежать. Из-за сохранения энергии этот процесс потребляет энергию чёрной дыры, и, если она не втянет в себя больше вещества, излучение Хокинга в конечном итоге приведет к его испарению. Этот эффект был бы ещё более выраженным в случае черной дыры кугельблиц, позволяющей нам извлекать из неё энергию. Но практический кугельблиц будет балансирующим актом: он должен быть достаточно маленьким, чтобы производить достаточно излучения Хокинга, и достаточно легким, чтобы несущий его космический корабль мог его нести, но достаточно большим, чтобы прослужить достаточно долго и быть полезным. Такой кугельблиц будет меньше протона, но будет иметь массу 606 000 тонн и производить 160 петаватт – более чем в 10 000 раз больше, чем потребляет человечество в течение 3,5 лет.
Самый простой вариант использования этого источника энергии — поместить его в фокус огромного параболического отражателя и использовать его для создания луча излучения Хокинга, который будет толкать корабль вперед. Хотя этот подход прост, он не позволит эффективно использовать силу кугельблица; он сможет достичь лишь четырех процентов скорости света, прежде чем кугельблиц испарится. Более сложным, но эффективным вариантом было бы заключить кугельблиц в сферическую оболочку, улавливая всю его энергию и используя её для привода какой-то тепловой машины. При 100-процентной энергоэффективности это могло бы разогнать корабль до десяти процентов скорости света за 20 дней. Инженерные задачи огромны, но кугельблиц — самый компактный источник энергии, когда-либо созданный, даже по сравнению с антивеществом. Возможно, однажды он позволит человечеству путешествовать между звездами.