Технические детали "сферы Дайсона"

[alex_semenov]

Я помню времена, когда будущее вселенной было не столь однозначно (до открытия тёмной энергии).
Кстати это было совсем недавно.
Книга Типлера "Физика бессмертия", кусочки перевода из которой мне прислал некий Алекс в 1998-м, произвела на меня неизгладимое впечатление (одно из первых настоящих благ Интернета - возможность читать ТАКОЕ!). Типлер в книге полагал что модель вселенной закрытая. И он как раз предлагал там конкретный проект (!!!) управленя сжатием вселенной и превращение в финале ее в гигантский вычислитель-рай, где... в общем это надо читать.
Книга вызвала бурную критику за пропаганду религиозного мракобесия на Западе. Но сами критиканы - полные КРЕТИНЫ и дебилы. Типлер был предельно научен. И по сути для меня идея трансгуманизма (загрузка личности в компьютер, воспроизведение во вселенском компьютере всех возможных вариантов вашей жизни) начинается именно с Типлера.



Кстати, с Типлера происходит мой "возврат" в любимую с юных лет тему межзвёздых полётов. И именно с лазерных парусов как носителей загруженных в компрьютер цифровых личностей.

Сейчас книгу моно найти на просторах интернета (на английском) полностью



Кстати. Вот, кажется, кто-то выложил те кусочки-переводы хорошо оформленные

http://theor.jinr.ru/~kuzemsky/Tipler-The_Physics_of_Immortality-Modern_Cosmology.pdf

Это, насколько я знаю единственный план-проект управления вселенной (при этом полностью пренебрегая вниманием санитаров).

Увы!

Вселенная, которой собирался управлять астрофизик Типлер не состоялась. Была открыта тёмная энергия и стало ясно, что она теперь будет расширяться вечно, не сжимаясь. И единственный финальный сценарий связан не с её сжатием, а с ее слишком ускоренным расширением (великий "Рип").
Хотя эта модель финала не кажется убедительной.
Наиболее вероятная картина что не более чем за 10¹⁰⁰ лет мир превратится в термодинамическую пустоту...
Как с этим жить?
Счастливо.
Счастье в неведении. Надо надеяться, что мы как малые дети, не ведаем пути, который нам придётся пройти еще. Так стоит ли волноваться за столь отдалённое будущее?
Худшее что тут можно сделать - впасть в некий декаданс.
Мол, зачем упираться, например, и беспокоится за жизнь на Земле через миллиард лет (когда здесь жизнь станет невозможной), всё равно финал - один.
Тут лучшее что можно вспомнить - товарища Сухова.
- Тебя сразу прикончить или желаешь помучатся?
- Хорошо бы помучатся...

[PostAlien]

В принципе, возможно, есть альтернатива сценариям Дайсона и Типлера:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,96977.msg5886102.html#msg5886102

[Rattus]

Перенаправив часть излучения звезды обратно, мы заставим звезду расшириться, при этом температура в глубине звезды упадёт (хотя в начальный момент на поверхности она и вырастет, так работает самогравитирующий газ), и просядет энерговыделение. Упадёт общий отток тепла в бесконечность. Значит уменьшится и возвращаемый поток. Он опять вызовет расширение, но меньше, и т. д. В итоге через какое-то вермя звезда окажется в новом состоянии равновесия с большим радиусом, но меньшим энерговыделением внутри. И уж точно не получится звезду взорвать. Получается своего рода антипарниковый эффект. Похоже, что такая сфера годится только как дешёвый вариант программы сохранения водорода.

Любопытные заключения - в назидание интересующимся возможностями "астроформирования".

Аргонов в своём ролике "Неизбежность" вбросил идею расщепления звёзд. Но это для цивилизаций 3–4го типа.

Или, переводя на русский: "для сказочных богоподобных сверхцивилизаций, к тому же закрытых к обсудению по п.5(3.1.ж).2 Правил Раздела".

если экстраполировать до таких цифр, почему бы не предположить, что к тому времени возникнет сверхцивилизация, возможности которой позволят управлять эволюцией Вселенной?

Может быть потому, что тогда это нарушит п.5(3.1.ж).2. Правил Раздела?

[ivanij]

Я понимаю через 100 миллиардов лет или  триллион лет.

Триллион это 1000 миллиардов. Кстати, возраст Вселенной по довольно точным современным оценка м находится где-то в районе 13,5 млрд. лет. Можно добавить, что через 10в100 степени лет и этого не будет. Вселенная полностью погрузится во мрак. Однако, если экстраполировать до таких цифр, почему бы не предположить, что к тому времени возникнет сверхцивилизация, возможности которой позволят управлять эволюцией Вселенной? 

 Это я не придумал. Взято из статьи И.Л.Генкин Будущее Вселенной. Альманах Вселенная и Мы, за № 2 от 1994 г. стр.5...13. Оказывается. выложено в Сеть, что избавляет меня от необходимости приводить цитату вручную.http://crydee.sai.msu.ru/Universe_and_us/2num/v2pap2.htm

[-Asket-]

Типлер был предельно научен.

...Типлер сказал, что вначале не воспринимал свою идею серьезно.
— Но вы думаете о ней и вам требуется принять решение: вы в самом деле верите в то, что вы создали, основываясь на физических законах, или вы просто собираетесь притворяться, что это чистая игра, не имеющая отношения к реальности?
Как только он принял теорию, он почувствовал умиротворение.
— Я убедил себя, может, обманул себя, что это будет великолепная вселенная.
Он процитировал великого американского философа Вуди Аллена, который сказал: «Я не хочу жить вечно благодаря своей работе. Я хочу жить вечно не умирая». «Я думаю, что это заявление несет в себе понимание того, что компьютерное воскрешение значит для меня».
В 1991 году, вспомнил Типлер, для передачи о «Точке Омега» у него брал интервью репортер «Би-Би-Си». Потом его шестилетняя дочь, смотревшая интервью, спросила Типлера, будет ли его бабушка, которая только что умерла, когда-нибудь воскрешена как компьютерная модель.
— Что я мог сказать? — спросил меня Типлер, пожимая плечами. — Конечно!
Типлер замолчал, и я подумал, что заметил сомнение, промелькнувшее у него на лице. Затем оно исчезло...
https://fil.wikireading.ru/25051

Книга вызвала бурную критику за пропаганду религиозного мракобесия на Западе. Но сами критиканы - полные КРЕТИНЫ и дебилы.

После "Физики бессмертия" Типлер написал книгу "Физика христианства", вот она и спровоцировала критику главным образом, и действительно было за что. Превращение тела Христа в нейтроны оставившие отпечаток на Туринской плащанице и прочие "объяснения чудес", причем откровенно прокатолического характера, это уже явный перебор. Одна из рецензий, которую Типлер сам разместил на своем сайте как лучшую: http://www.franktipler.com/best-review-physics-christianity-frank-j-tipler

[olenellus]

Обещанные расчёты.

Исходить будем из системы уравнений звёздной структуры в следующем виде:

              (уравнение непрерывности)                                     (1)
             (уравнение гидростатического равновесия)          (2)
     (уравнение лучистого переноса энергии) (3)
                   (уравнение сохранения энергии)                       (4)

Здесь r — расстояние от центра звезды, M_r — масса звезды от центра до r, — плотность на r, P — давление на r, T — температура на r, L_r — светимость части звезды от центра до r на поверхности этой части, — коэффициент непрозрачности, — скорость выделения энергии в ядерных реакциях. Остальные коэффициенты представляют собой стандартные физические и математические постоянные.

Эти четыре уравнения следует дополнить функциональными зависимостями плотности, коэффициента непрозрачности и скорости тепловыделения от других параметров, а также уравнением теплового баланса (общее выделение энергии равно общей её потере), снабдить подходящими граничными условиями в центре звезды и на её поверхности, и можно получить строение звезды путём итеративного численного интегрирования. По хорошему надо добавить уравнения для конвективного переноса, и условия переключения между лучистым и конвективным переносом, а также профиль химсостава по радиусу.

Но мы решать уравнения не будем. Вместо этого мы напишем очень грубое к ним приближение, понимая под величинами некоторые их средние значения по звезде, заменив производные одной величины по другой отношениями этих величин и опустив несущественные для дальнейшего численные постоянные. Заодно воспользуемся грубыми степенными приближениями к зависимостям давления, непрозрачности и энерговыделения для звёзд околосолнечной массы:

     (уравнение состояния Клапейрона-Менделеева)                         (5)
(приближение Крамерса для связно-свободных переходов)   (6)
                 (приближение для скорости pp-канала )                            (7)

(Величиные с нулями здесь некоторые константы, зависящие от конкретной звезды.)

При таком приближении система (1–4) превращается в

                          (1')
                   (2')
        (3')
                          (4')

Здесь L^- отвечает за полную лучистую энергию внутри звезды и в конце концов за её потерю вовне и за светимость звезды, а L⁺ отвечает за полное энерговыделение в звезде. M и R это масса и радиус звезды. Величины , P, T имеют смысл неких средних плотности, давления и температуры недр звезды. Обычно при таких качественных расчётах эти уравнения дополняют условием теплового баланса в виде

      (8 )

предполагая, что звезда излучает вовне ровно столько, сколько выделяется в ходе термоядерных реакций. У нас же задача другая. Предположим, что назад на звезду сфера посылает часть A излученной звездой энергии L^- (пусть даже в виде теплового излучения самой сферы). Тогда (8 ) следует переписать как , или, введя обозначение ,

    (8')

После подстановки (5–7) в (1'–4') видим, что коэффициент входит только в уравнение (3') для L^- в степени -1, а коэффициент входит только в (4') для L⁺ в степени 1. В остальных уравнениях они не пристутствуют. Тогда если перемассштабировать или , то (8') перейдёт в (8 ). То есть переотражение света на звезду качественно эквивалентно либо повышению непрозрачности (), либо повышению скорости энерговыделения в недрах звезды.

Система восьми уравнений (1'–4',5–7,8') (если считать знак ~ за равенство) содержит семь переменных (R, , P, T, L^-, L⁺, , последнюю считаем переменным параметром, зависимость от которого нам надо найти) и четыре константы (, , и M, так как масса звезды не меняется). Опуская константы, выразим зависимость переменных друг от друга. Так как у нас одна степень свободы, выразим все переменные через одну, а именно через . Получим следующие масштабные преобразования:








Ещё полезно ввести эффективную температуру поверхности T_eff:



Пусть без сферы звезда имеет параметры L_*, R_*, T_eff^*. Возьмём коэффициент возврата излучения A = 0,9. Тогда , и новые параметры после установления теплового равновесия внутри звезды будут

        (светимость звезды немного просядет)
        (энерговыделение внутри и внешняя светимость сферы сильно просядут)
            (звезда разбухнет)
     (и немного остынет её поверхность, чуть покраснев)

Надо только учитывать, что характерное время установления теплового равновесия в звезде очень большое. Это так называемое время Кельвина-Гельмгольца



Например, для Солнца это десятки миллионов лет. Так что первое время, довольно долгое, энерговыделение внутри звезды не просядет, а сфера будет хорошо наддута. Но потом звезда постепенно начнёт тухнуть.

[elind]

Пусть без сферы звезда имеет параметры L*, R*, Teff*. Возьмём коэффициент возврата излучения A = 0,9. Тогда , и новые параметры после установления теплового равновесия внутри звезды будут

И с чего это вдруг такие значения? Такое впечатление, что для вас Сфера Дайсона туго натянута прямо на поверхность звезды.
Если брать для примера Солнечную систему, а радиус сферы 1 а.е., то, при реалистичных параметрах зеркал, равновесная температура внутри сферы будет 700-1000 К, а поверхности солнца - 6000 К. Изменение теплового потока (пропорционального четвёртой степени температуры) составит от 0.08% до 0.02%. Вот таким коэффициент возврата излучения A и будет.

[-Asket-]

при реалистичных параметрах зеркал, равновесная температура внутри сферы будет 700-1000 К

Мне вот интересно, кто-то пытался оценить темпы потери вещества "горячим" астросооружением? Ведь если мы говорим о конструкции призванной существовать на космологических масштабах времени, то уже нельзя пренебрегать банальной сублимацией материала в вакуум. Железная оболочка при 1000 К потеряет 1 мм толщины всего за 10 тыс. лет. Причем это явно необратимые потери, никакие чудо-нанороботы и рециклинг от этого не спасут, вещество просто распыляется на атомы и разлетается в межзвездном пространстве. Его придется для ремонта сооружения восполнять из доступных запасов планетной системы и вся эта космическая деятельность в итоге приведет к дефициту даже наиболее распространенных элементов.

[Fall63]

Железная оболочка при 1000 К потеряет 1 мм толщины всего за 10 тыс. лет. Причем это явно необратимые потери, никакие чудо-нанороботы и рециклинг от этого не спасут, вещество просто распыляется на атомы и разлетается в межзвездном пространстве

И такие проблемы потери вещества для цивилизаций, живущих в пространстве низких g, будут возникать сплошь и рядом. Но товарисч Семенов видимо таки предал сей факт анафеме...

А еще к тому времени на большинстве звездно-планетных систем, кроме каких-нибудь совсем уж глубоких гравиям и их окрестностей (см. ниже), тектоника сдохнет скорее всего, и возобновление залежей "витаминов" прекратится... Тут все зависит от товарисча тория и его радиоактивного ряда - ибо за ним (14 млрд. лет) уже земли более долгоживущих радионуклидов-актиноидов не видать... Вообще нуклидов в интересующем нас диапазоне полураспадов (от околомиллиарда до околотриллиона лет) вообще мало - тут еще торий хорош тем что у него целый радиоактивный ряд - энерговыделение большое. Нет тория - и у нас остаются разогревать планеты только самарий-147 и рубидий-87 - а у них энерговыделение никудышное по сравнению с рядом тория. В теории помимо актиноидных радиоактивных рядов есть еще малоизвестный один лантаноидный, куда более маленький - диспрозий-154-гадолиний-150-самарий-146... Но вот незадача - у них периоды полураспада порядка миллионов лет...

Так что к отметке 100 млрд. лет уже тектоника почти везде затухнет... Урана мало где будет - ибо 235-ый вообще во вселенной не накапливается - ибо во-первых слишком нестабильный, во-вторых килоновых сильно больше в будущем не станет, скорее меньше... Конечно "хвост" килоновых какой-никакой будет, но результатом их деятельности будут именно "оазисы Урании" в море тектонически мертвых миров.... Кроме разве что тех миров, что вокруг массивных планет-гигантов вращаются, но там радиации до афедрону будет - короче это очень жесткий вызов там выжить как для биологической, так и для гипотетической механоцивидизации Семенова...

Так что для Семенова вся надежда на то что достаточно быстро таки смогут запилить чернодырные приводы - иначе космологическая клетка захлопнется, причем куда раньше, чем собственно даже галактики начнут гаснуть (через 800 млрд. лет снижение светимости), и будущие цивилизанты окажутся заперты в далеко не самом злачном месте вселенной (будут куда более крупные галактики после "закрытия космологической тюрьмы")...

[EmperioAf]

Например, для Солнца это десятки миллионов лет. Так что первое время, довольно долгое, энерговыделение внутри звезды не просядет, а сфера будет хорошо наддута. Но потом звезда постепенно начнёт тухнуть.

Замечательно! Т.е. около 10 триллионов лет, которые живёт Красный Карлик массой 0.08 массы Солнца - это не предел.
Можно взять звезду побольше и с помощью сферы Дайсона сделать так, чтобы темп энерговыделения у звезды был минимален.

[olenellus]

Если брать для примера Солнечную систему, а радиус сферы 1 а.е., то, при реалистичных параметрах зеркал, равновесная температура внутри сферы будет 700-1000 К, а поверхности солнца - 6000 К. Изменение теплового потока (пропорционального четвёртой степени температуры) составит от 0.08% до 0.02%. Вот таким коэффициент возврата излучения A и будет.

Это верно для абсолютно чёрной сферы. Я же имел в виду зеркальную сферу с коэффициентом отражения где каждый статит отражает свет звезды обратно на звезду. Именно такая сфера (была) интересна как с точки зрения утолщения плёнки, так и с точки зрения разогрева звезды. В таком случае . Впрочем, существенно ли влияет геометрия на это соотношение, надо смотреть отдельно. Надо заметить, что из-за разбухания звезды сама геометрия меняется, а значит и коэффициент A меняется вместе с разбуханием. Но для чёрной сферы само разбухание мало, а для зеркальной — влияние радиуса на A мало.

[olenellus]

Или, переводя на русский: "для сказочных богоподобных сверхцивилизаций, к тому же закрытых к обсудению по п.5(3.1.ж).2 Правил Раздела".

Развели же Вы лысенковщину…

[PostAlien]

Это верно для абсолютно чёрной сферы

Вообще, внутри абсолютно чёрной сферы радиусом 1 АЕ будет 393,6 K. А 700-1000 K... ещё бы знать, какие это реалистичные параметры зеркал.

[elind]

Это верно для абсолютно чёрной сферы. Я же имел в виду зеркальную сферу с коэффициентом отражения где каждый статит отражает свет звезды обратно на звезду. Именно такая сфера (была) интересна как с точки зрения утолщения плёнки, так и с точки зрения разогрева звезды.

Как раз для зеркальной всё и приведено. Чёрная будет иметь всего 400 К. Зеркальная отражать точно на звезду не может - из-за того, что, во-первых, звезда в сфере не является точечным источником, и, даже для идеальной сферы отражённые лучи большей частью будут лететь мимо, а во-вторых Сфера дайсона не будет идеалной сферой - скорее набором "небольших" (100-1000 км) параболических ячеек, фокусирующих свет на "бизкие" приёмники, в результате чего отражение на расстояниях поряка размера Сферы будет полностью диффузным.

[PostAlien]

Это верно для абсолютно чёрной сферы. Я же имел в виду зеркальную сферу с коэффициентом отражения где каждый статит отражает свет звезды обратно на звезду. Именно такая сфера (была) интересна как с точки зрения утолщения плёнки, так и с точки зрения разогрева звезды.

Как раз для зеркальной всё и приведено. Чёрная будет иметь всего 400 К. Зеркальная отражать точно на звезду не может - из-за того, что, во-первых, звезда в сфере не является точечным источником, и, даже для идеальной сферы отражённые лучи большей частью будут лететь мимо, а во-вторых Сфера дайсона не будет идеалной сферой - скорее набором "небольших" (100-1000 км) параболических ячеек, фокусирующих свет на "бизкие" приёмники, в результате чего отражение на расстояниях поряка размера Сферы будет полностью диффузным.

А насколько хорошо сфера Дайсона из диффузных отражателей будет надуваться?

[olenellus]

Как раз для зеркальной всё и приведено. Чёрная будет иметь всего 400 К. Зеркальная отражать точно на звезду не может - из-за того, что, во-первых, звезда в сфере не является точечным источником, и, даже для идеальной сферы отражённые лучи большей частью будут лететь мимо, а во-вторых Сфера дайсона не будет идеалной сферой - скорее набором "небольших" (100-1000 км) параболических ячеек, фокусирующих свет на "бизкие" приёмники, в результате чего отражение на расстояниях поряка размера Сферы будет полностью диффузным.

А давайте Вы всё это резцом из своей подписи обработаете. Всем будет полезно.

[PostAlien]

во-вторых Сфера дайсона не будет идеалной сферой - скорее набором "небольших" (100-1000 км) параболических ячеек, фокусирующих свет на "бизкие" приёмники, в результате чего отражение на расстояниях поряка размера Сферы будет полностью диффузным.

Вообще, со стороны такие параболические солетты-концентраторы, фокусирующие свет на приёмники (двигатели Стирлинга, например (хотя мне такой стимпанк не очень нравится)) будут выглядеть ЧЁРНЫМИ, так как не излучают в направлении звезды – весь свет перехватывается. Что бы надуть сферу Дайсона фотонным газом нам придётся внести в систему зеркала, которые просто отражают и ничего не концентрируют. Подобное, правда, не имеет особого смысла – если вы не укладываетесь в поверхностную плотность отдельного статита, то просто можете использовать Mass-Stream технологии, вроде той, что используется в идее космического фонтана. Или радиосферу Elind'а. Или его же магнитосферу Дайсона. Или просто вернуться к идее роя Дайсона. Я наоборот считаю давление света ПРОБЛЕМОЙ, которая задаёт нижнюю границу поверхностной плотности статитов. Особенно это плохо, в том случае, если мы строим сферу Дайсона вокруг яркой звезды. Сириуса там, Садальмелика или вообще вокруг WR 25. Хотя, как я уже писал, вполне вероятно ,что мы сможем уложиться в сотню или даже десяток миллиграмм на квадратный метр, так что это проблема даже для сферы Дайсона вокруг Солнца. Использовать зеркальную сферу имеет смысл только если таким возможно увеличить мощность сферы Дайсона. Если же результат обратный, то сфера однозначно должна быть чёрной. Более того, имеет смысл, если возможно, поиграть с коэффициентами черноты на внутренней и внешней сторонах, так чтобы вовне она изучала сильнее, нежели внутрь. Это сведёт к минимуму влияние на сферы на светимость звезды и позволит сделать её более лёгкой.

[PostAlien]

Но это для цивилизаций 3–4го типа. Сфера может делать то же самое, но доступна уже цивилизации 2го типа

Насколько я знаю, концепция StarLifting'а (которую, в частности, разрабатывал Дэвид Крисвелл) предполагает использование мощностей именно цивилизации второго типа по шкале Кардашева. И для этой идеи ваш расчёт – это ПЛОХАЯ новость. В начале демонтаж звезды солнечной светимости может идти довольно бодро, но по мере уменьшения её массы светимость будет падать, так что процесс затянется не на миллионы, а на миллиарды (как бы не триллионы) лет. Эту проблему можно было бы сгладить раскочегарив звезду при помощи зеркальной сферы Дайсона. Но это, к сожалению, невозможно. Хотя надо заметить, что увеличение радиуса звезды снизит энергию и мощность, необходимые для StarLifting'а, так что возможно в этом есть какой-то смысл. Кроме того, если нельзя увеличить мощность сферы Дайсона таким образом, то может быть получится какой-нибудь другим?

[PostAlien]

Или, переводя на русский: "для сказочных богоподобных сверхцивилизаций

Что богоподобного или тем более сказочного в цивилизации, распологающей мощностями, сопоставимыми со светимостью галактики или галактического сверхскопления? Это же просто цивилизации 2го типа, которая вовремя занялась экспансией.

[Trend]

Книга Типлера "Физика бессмертия", кусочки перевода из которой мне прислал некий Алекс в 1998-м, произвела на меня неизгладимое впечатление (одно из первых настоящих благ Интернета - возможность читать ТАКОЕ!). Типлер в книге полагал что модель вселенной закрытая. И он как раз предлагал там конкретный проект (!!!) управленя сжатием вселенной и превращение в финале ее в гигантский вычислитель-рай, где... в общем это надо читать.
Книга вызвала бурную критику за пропаганду религиозного мракобесия на Западе. Но сами критиканы - полные КРЕТИНЫ и дебилы. Типлер был предельно научен. И по сути для меня идея трансгуманизма (загрузка личности в компьютер, воспроизведение во вселенском компьютере всех возможных вариантов вашей жизни) начинается именно с Типлера.

А "Последний вопрос" Айзека Азимова такой: "Ну да, пошел я нафиг".