Mokslo ir technologijų pasaulis

Ši mokslinės fantastikos megastruktūra mąstytojų dėmesį traukia jau ne vieną dešimtmetį. Žymus astrobiologijos ekspertas pasakoja, kaip ją sukonstruoti.

1960 metais britas fizikos teoretikas Freemanas Dysonas publikavo vieno puslapio apimties straipsnį Science žurnale, kuriame buvo iškelta ko gero viltingiausia žmonijos technologinės ateities vizija. Dysono įsivaizdavimu, pažangios civilizacijos didėjančius energijos poreikius galėtų patenkinti, apie žvaigždę statydami jos energiją sugeriančią sferą.

Straipsnyje buvo labiau susitelkta į teorinę reikalo pusę, nei inžinerinę, ir kaip tokia megastruktūra galėtų atrodyti ar kaip galėtume ją pastatyti, Dysonas detalių nepateikė. Savo sferą jis lakoniškai pavadino žvaigždę apsupančius „gyvenamu lukštu“. Tačiau tiek užteko įkvėpti astrofizikus, mokslininkus ir mokslinės fantastikos rašytojus. Kai kada vadinamoji Dysono sfera vaizduojama kaip masyvus žvaigždę juosiantis ir Žemę beveik liečiantis žiedas. O kai kur Sfera žvaigždę gaubia visiškai, ir megastruktūra sugeria visą tos žvaigždės energiją. Dysono Sferos figūruoja ne tik mokslo darbuose – romanuose, filmuose ir televizijos serialuose — įskaitant ir Star Trek — jos yra pažangių civilizacijų buveinė.

Pats Dysonas suvokė tokios masyvios struktūros statymo iššūkius, ir jos sukūrimo idėja jam rodėsi neįgyvendinama. Kaip bebūtų, jo Sfera išjudino ambicingas mūsų civilizacijos ateities idėjas, ir tebesiūloma kaip vienas iš kai kurių aštriausių žmonijos dilemų sprendimų. Visos Saulės – ar bet kokios kito žvaigždės – energijos surinkimas išspręstų dabartines ir būsimas energijos krizes, bet kai civilizacija gauna visą žvaigždės skleidžiamą energiją, žemiškų energijos poreikių patenkinimas tėra pati pradžia.

Su tiek prieinamos energijos, galėtume nukreipti galingus lazerio impulsus į egzoplanetas, kurios mūsų manymu gyvenamos, neišmatuojamai išplėsdami komunikavimo su tolimomis civilizacijomis šansus. Tokie Dysono sferos maitinami energijos spinduliai galėtų nuklysti toliau į Visatą, nei bet kokia dabar prieinama priemonė, įveikdami tankesnius erdvės ruožus, tarkime, dulkių debesis, kurie dabar siunčiamus signalus slopina.

Arba galėtume šia energija manipuliuoti kai kuriais astrofizikos postulatais ir kvantinės gravitacijos eksperimentais sutrumpinti savo pačių kelionę į egzoplanetas. Viena iš tokių intriguojančių galimybių būtų vadinamųjų Kugelblitzo juodųjų bedugnių vien iš fotonų sukūrimas – jos teoriškai galėtų varyti ateities tarpžvaigždinius erdvėlaivius. Iškreipdami patį erdvėlaikį, galėtume keliauti greičiau už šviesą arba sukurti kirmgraužas, suteikiančias trumpesniu kelius po galaktiką.

Dar patrauklesnis praktiškai neribotos Dysono Sferos teikiamos energijos panaudojimas vienų iš sudėtingiausių gyvybė plitimo barjerų įveikimas. Kriogenikos šalininkai supranta, kad platus ir ilgas jos naudojimas sukurs energijos poreikį, kuris gerokai viršija esamas galimybes. O 2018 metais tyrėjai Alexey Turchin ir Maxim Chernyakov iškėlė mintį, kad dirbtinis intelektas galėtų skaitmeniškai rekonstruoti žmones simuliuotame pasaulyje, panaudodamas mirusiųjų DNR ir kitą informaciją. Kurti pakankamai nuodugnioms simuliacijoms, kurios patenkintų praktinio nemirtingumo poreikį, reikia daugybės energijos — nekalbant jau apie daugelį etinių ir filosofinių kabliukų — bet tyrėjai pasiūlė naudoti Dysono technologijos teikiamą energiją.

Dysono ambicinga vizija dabar atrodo aktuali kaip niekad. Technologijai išlaikant dabartinį augimo tempą, pasaulinis energijos poreikis per ateinančius 30 metų galėtų išaugti 50 procentų, teigia JAV Energijos informacijos administracija. Vėjo, saulės ir kitų rūšių atsinaujinanti energija artimiausiu laiku padės, bet žvelgiant į ilgalaikę perspektyvą, reikės drąsesnės inžinerijos. Tokiu sprendimu galėtų tapti Dysono Sfera, bet toks sprendimas keltų akivaizdžias fizikines ir mechanines problemas, ir neaišku, ar jos įkandamos netgi tūkstančiais metų pažangesnėms už mūsiškę civilizacijoms.

Kaip Berlyno technikos universiteto astronomijos ir astrofizikos profesorius, ne vieną dešimtmetį skyriau suprasti pažangių nežemiškų civilizacijų galimybes. Buvau penkių knygų apie nežemišką gyvybę bendraautorius, ir domėjimasis šiuo mokslu įkvėpė studijuoti Dysono Sferas kaip galimą pažangios ateivių technologijos formą. Maždaug prieš dešimtmetį susidomėjau, kokių didelių inžinerinių projektų galėtų imtis nežemiška civilizacija.

2010 metais pradėjau vertinti Dysono Sferos pastatymo galimybe. Drauge su buvusiu Vašingtono valstijos universiteto Pullmane fizikos studentu Brooks Harrop, aptikome daug šiuolaikinės Dysono Sferos koncepcijos problemų, iš kurių svarbiausia – sferos kolapso grėsmė. Kiekviename standžios koncentrinės sferos taške ją veiktų gravitacijos trauka. Jokia žinoma medžiaga tokiai jėgai nepasipriešintų. Galima būtų ją įveikti sudėtinga sistema, kuri lukštą išlaikytų vietoje, bet turint omenyje gigantišką masę — daugumoje koncepcijų struktūros spindulys lygus atstumui nuo Žemės iki Saulės, 150 milijonų kilometrų — tokia sistema sunaudotų didelę surinktos energijos dalį, jei ne visą.

Bet tarkime, tolimoje ateityje pavyks šias problemas įveikti ir pastatyti sferą: o kaip ji atlaikys meteoritus, asteroidus, ar radiaciją ir Saulės blyksnius? Halley'o kometos masės objektas į struktūrą trenktųsi kinetine energija, viršijančia 1 milijoną termobranduolinių Caro bombų, galingiausių kada nors susprogdintų branduolinių užtaisų.

Dysonas tokias grėsmes numatė ir pripažino, kad žvaigždę supantis lukštas ar žiedas tikriausiai nebūtų įmanomas. Bet fizikai pasiūlė sprendimą: spiečius objektų nepriklausomai besisukančių apie žvaigždę ir renkantis jos energiją, išvengdami didžiumos fizinių ir mechaninių vientisos Dysono Sferos problemų. Palydovai gali būti gaminami ir į tinklą įsijungti pamažu, taip didindami spiečiaus surenkamą energiją.

Dysono Spiečius iš maždaug 10 milijonų palydovų patenkintų žmonijos energijos poreikius. Tai daug, bet modernūs palydovų tinklai yra tokių inžinerijos pasiekimų precedentai. SpaceX gali iškelti 240 Starlink komunikacijų palydovų per mėnesį, ir 2022 metų vasario duomenimis, kosmose jau yra daugiau nei 2 000 tokių palydovų. Kai bus užbaigtas, flotilėje bus dešimtys tūkstančių palydovų — toli gražu ne Dysono Spiečius, bet fantazijai peno teikia.

Siekdami įveikti originaliosios Dysono koncepcijos iššūkius, mes su Harropu nutarėme surasti realistinį jos pakaitalo, Dysono Spiečiaus, dizainą. Pavadinome savo idėją Saulės vėjo galios palydovais (Solar Wind Power Satellites – SWPS). Jei tradiciniai saulės skydeliai naudoja regimosios šviesos energiją, mūsų palydovai renka elektronus, kurie sudaro pusę Saulės vėjo. (Kita pusė – protonai ir alfa dalelės.) Saulės vėjas pučia ~750km/s⁻¹ greičiu — tad, šie elektronai turi daugiau energijos, nei į saulės skydelius krentanti regimoji šviesa. Mūsų SWP palydovo pagrindas yra į Saulę nukreipta ilga, elektriškai įkrauta metalinė viela, kurios magnetinis laukas atskriejančius elektronus nukreiptų į sferinį metalinį imtuvą. Šie elektronai kurtų srovę, kuri ir palaikytų magnetinį lauką ir sukurtų save palaikančią sistemą.

Didžioji dalis srovės maitintų infraraudonąjį lazerį, spindulius siunčiantį į Žemėje esančius imtuvus — infraraudonąjį spinduliavimą naudoti optimalu, nes mūsų atmosferoje yra „infraraudonasis langas“, per kurį be absorbcijos gali sklisti ~8-13 µm ilgio bangos. Lazeriui nusiuntus elektros energiją į imtuvą, likę elektronai patektų į žiedo formos burę, į kurią krentanti Saulės šviesa suteiktų jiems energijos, kurios pakaktų išlaikyti palydovą Saulės orbitoje.

Kiekvieno SWP palydovo masė būtų ~3,7 tonos (maždaug tris kartus sunkesni už GPS palydovą) ir per 24 valandas pateiktų maždaug 2 MWh energijos, kas atitinka maždaug 1 000 JAV vienos šeimos namų energijos poreikį. Visas SWP palydovų spiečius galėtų patenkinti visos žmonijos energijos poreikius.

Šie palydovai galėtų būti konstruojami iš santykinai paprastų, nebrangių medžiagų; pagrindinę konstrukcijos kaštų dalį sudarytų kiekviename palydove esantys 390 metrų varinės vielos. O kadangi kaip energijos šaltinį naudotų saulės vėją, šie palydovai sugertų mažai karščio ir veiktų beveik 100 procentų efektyvumu. Tuo tarpu tradicinių fotovoltinių elementų gamyba brangi, nes jo puslaidininkiams naudojamas didelio grynumo silicis, ir ~20 procentų jų efektyvumas susižavėjimo nekelia.

Dysono Spiečiaus kelyje stovi kelios techninės kliūtys. Nors SWP palydovams daug priežiūros nereikia, savaime jie nenusivalo. Į burę vietoje elektronų patenkantys teigiami saulės vėjo jonai mažina palydovo efektyvumą, ir bėgant laikui gadina sistemą. Taip pat neišsprendėme stabilios vietos išlaikymo nuolat kintančio saulės vėjo fone problemos, arba kaip išdėstyti milijonų (ar galiausiai milijardų) palydovų orbitas apie Saulę. Ir nors nedidelio masto, galią spinduliuojančių lazerių sistemos pastaraisiais metais gerokai patobulėjo, kosmose veikiančių sistemų kūrimas tebėra iššūkis. Nedideli, laipsnio dalies temperatūros pokyčiai lemia didelius lazerio spinduliuojamų bangų ilgio ir produktyvumo pokyčius. Pastovios temperatūros išlaikymas kosmose yra tikras galvos skausmas — be atmosferos sunku perkelti šilumą iš karštesnių kūnų į šaltesnius. Dar neišsprendėme visų Dysono Spiečiaus problemų, bet gal kitoms civilizacijoms pavyko.

Mano knygoje The Cosmic Zoo: Complex Life on Many Worlds, kurią parašiau drauge su Cardiffo universiteto vyr. mokslo darbuotoju Williamu Bainsu, argumentuojame teiginį, kad planetoje atsiradus gyvybei, ji galiausiai evoliucionuoja į protingą — jei planeta pakankamai ilgai išlieka tinkama gyvybei. Toks teiginys remiasi faktu, kad visi svarbiausi gyvybės Žemėje evoliucijos pokyčiai įvyko kelis kartus, nepriklausomai vienas nuo kito, ar skirtingais biocheminiais būdais. Tai rodo, kad kai kuriose iš trilijonų Visatos planetų vyko toks pats evoliucinis procesas, ir daliai šiose planetose esančių gyvybės formų galėjo išsivystyti protas. Ar jie pakankamai protingi, kad galėtų pastatyti Dysono Sferą? Freemanas Dysonas iškėlė hipotezę, kad jeigu jos tai atliko, mes galėtume jas aptikti.

Tradicinės Dysono Sferos su tvirtu lukštu galėtų spinduliuoti atliekamą energiją kaip infraraudonąsias bangas, kurias žmonių turimi instrumentai gali aptikti. Tokių ženklų ieškojo bent viena tyrėjų komanda. Pensilvanijos valstijos universiteto astronomijos ir astrofizikos profesorius Jasonas Wrightas, ir Mattas Povichas iš Kalifornijos valstijos politechnikos universiteto fizikos ir astronomijos fakulteto, panaudodami NASA Wide Field Infrared Survey Explorer (WISE) duomenis, kosmose ieškojo stiprių infraraudonųjų signalų, kokius, tikėtina, skleistų Dysono Sfera. Šiuo tyrimu Sferos aptikti nepavyko, bet gal teleskopai megastruktūros neaptiko dėl to, kad ateiviai priėjo prie tokios pat išvados, kaip ir mes savo straipsnyje: gigantiška, tvirta Dysono sfera nepraktiška netgi pažangesnėms civilizacijoms už mūsų.

Nors gal niekuomet neišvysime mūsų saulės įkalintos megastruktūroje, ar negausime energijos iš milijonų aplink ją skriejančių palydovų, Dysono Sferos įkvėptas mokslas —ir mokslinė fantastika — įkūnija vieną iš ambicingiausių minčių apie gyvybę šioje planetoje ir už jos ribų. Tai gali būti vertingiausias jos indėlis — suteikti ambicingą siektiną tikslą, kurio siekiant, padaromi revoliuciniai atradimai.

Dirk Schulze-Makuch
www.popularmechanics.com