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戴森球体:终极巨型结构,能从太阳中提取丰富能量的新家园

时间:2019-08-29

  人类对不同能量的利用塑造了人类历史。起初,我们只使用自己最原始的肌肉,随后我们发现了火,并学会了如何控制为我们供能。后来,我们学会了用煤和石油来推动工业的发展。然后我们迎来了原子时代,在那里我们掌握了核裂变并为我们制造大量的能量。在每个新的历史阶段,我们都将能量利用率提高到前所未有的水平。目前,我们正在寻找新的方法来收获可再生能源,以满足我们不断增长的能源需求。

  

  随着人类的进一步发展,我们可能会将地球的潜力开发到极致。在那个阶段,我们可能会耗尽资源,并且急需探索和殖民宇宙中其他可居住的地方。然而,太空很复杂,因此探索它需要大量的能量。幸运的是,我们知道从哪里获得如此巨大的能量......太阳 - 我们太阳系的最终能源。

  

  图解:人类,地球和太阳

  很长一段时间,科学家都知道太阳能的巨大,但是现有的太阳能电池板对太阳能的利用率非常低。如果我们可以设计一种方法来收集所有太阳的能量呢?科学家提出了某种形式的称为戴森球体的巨型结构。

  戴森球体

  戴森球是一种的巨型球体结构,完全包围住太阳(或任何其他恒星)以利用其能量。对于人类来说,建立一个戴森球将是一个技术上的飞跃,与我们的祖先发现轮子相提并论。戴森球体可以帮助我们从行星物种转变为星际物种。

  

  图解:发明轮子;发明车;建造飞机;建造戴森球

  戴森球体的概念首先由一位名叫Freeman Dyson的物理学家在他的论文“ 寻找红外辐射的人造恒星源”中提出。他假定,随着人类文明变得先进并耗尽地球能源,人类需要在地球外提取能量。从最近的恒星中提取能量将是最好的选择。要做到这一点,人类需要围绕太阳创造一个人造球体,以利用其巨大的能量。Freeman认为,封装太阳的实体球将在重力上不稳定,并且太阳系中所有行星所能提供的材料加起来也无法制造。所以他提出戴森球体可以由数百万个单独的太阳能收集卫星替代。

  

  我们太阳系中的戴森球体的半径为1 AU,最小表面积为2.72x 10 17 km 2 -地球表面积的6亿倍。太阳的输出能量约为4×10 26 W,随着我们技术的进步,这将很容易满足我们不断增长的能源需求。

  

  图解:如果我们能够成功建立一个戴森球体

  其他形式的类戴森球

  自从该概念首次提出以来,已经设计了许多版本的戴森球以改善其实际可行性。让我们来看看Dyson球体的两个最流行的版本:

  戴森卫星群

  最接近原始戴森球体方案的变体是戴森卫星群。在这种设计方法中,有大量独立的太阳能卫星(或先进的太阳能电池板)在太阳周围的密集地层中运行。基本上,这个想法是使用不同形式的无线能量传递方法在这些群体组件和我们的星球之间传递能量。

  与这种方法相关的两个主要优点是,可以根据我们的要求确定单个轨道部件的尺寸,并且这种结构可以逐步进行。

  

  图解:戴森卫星群构想图

  戴森卫星群 (图片来源 : В?щун/Wikimedia Commons)

  这种方法的缺点在于它没有从天体物理动力学角度考虑轨道的稳定性,因为随着我们开始发送越来越多的太阳能收集卫星,维持轨道稳定性将变得越来越难。

  戴森泡

  实现戴森球体的另一种方法是使用称为戴森泡的东西。就戴森卫星群一样,戴森泡理论上由许多独立的结构组成。然而,有一个问题......这些结构不会绕太阳运行!

  在戴森泡理论中,提议使用小卫星实现包络结构。小卫星上装配有太阳光帆。太阳光帆本身是一个假设的概念,其中使用太阳光在大镜面上施加的辐射压力来实现卫星推进。小卫星相对于太阳是静止的,但也是彼此独立的。

  

维基百科)

  从现有的材料科学看来,这种方法的可行性很低。围绕太阳的100%光反射材料需要具有每平方米0.78克的密度。这种超低密度材料尚未在实验室环境中生产。普通打印纸的密度约为每平方米80克; 要制作密度为0.78 gms / m 2的面板,我们需要在材料科学上有新的突破。

  

  但这并不影响我们制定关于建立革命性大型结构的理论,这将有助于我们从太阳能中获取所有能量,但实际上这样做是目前超出了人类工程能力的范围。利用我们目前在地球上拥有的资源,建立一个基础设施来建立、部署和维护太阳能收集卫星或围绕太阳的卫星群体是根本不可能的。我们需要某种形式的“自我复制”机器 - 正如乔治·德沃斯基所提出的 - 建立一个真正的戴森球体。

  参考资料

  1.WJ百科全书

  2.天文学名词

  3.scienceabc-洲小腰

  科学杂志

  哈佛大学

  斯坦福大学

  康奈尔大学

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