Esfera de Dyson - Dyson sphere

Renderização 3D de uma esfera de Dyson utilizando grandes painéis orbitais

Uma esfera de Dyson é uma megaestrutura hipotética que envolve completamente uma estrela e captura uma grande porcentagem de sua produção de energia. O conceito é um experimento mental que tenta explicar como uma civilização espacial atenderia às suas necessidades de energia, uma vez que essas necessidades excedem o que pode ser gerado apenas com os recursos do planeta natal. Como apenas uma pequena fração das emissões de energia de uma estrela atinge a superfície de qualquer planeta em órbita , construir estruturas ao redor de uma estrela permitiria a uma civilização coletar muito mais energia.

A primeira descrição contemporânea da estrutura foi feita por Olaf Stapledon em seu romance de ficção científica Star Maker (1937), no qual ele descreveu "cada sistema solar ... cercado por uma rede de armadilhas de luz, que concentrou a energia solar que escapava para os inteligentes usar". O conceito foi mais tarde popularizado por Freeman Dyson em seu artigo de 1960 "Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation ". Dyson especulou que tais estruturas seriam a consequência lógica das crescentes necessidades de energia de uma civilização tecnológica e seriam uma necessidade para sua sobrevivência a longo prazo. Ele propôs que a busca por tais estruturas poderia levar à detecção de vida extraterrestre avançada e inteligente . Diferentes tipos de esferas de Dyson e sua capacidade de coleta de energia corresponderiam a níveis de avanço tecnológico na escala de Kardashev .

Desde então, outros designs variantes envolvendo a construção de uma estrutura artificial ou uma série de estruturas para abranger uma estrela foram propostos na engenharia exploratória ou descritos na ficção científica sob o nome de "esfera de Dyson". Essas propostas posteriores não se limitaram a usinas de energia solar, muitas delas envolvendo habitação ou elementos industriais . A maioria das representações ficcionais descreve uma concha sólida de matéria envolvendo uma estrela, que foi considerada pelo próprio Dyson a variante menos plausível da ideia. Em maio de 2013, no Starship Century Symposium em San Diego, Dyson repetiu seus comentários de que gostaria que o conceito não tivesse o seu nome.

Origem do conceito

Freeman Dyson em 2005

O conceito de esfera de Dyson foi o resultado de um experimento mental do físico e matemático Freeman Dyson , quando ele teorizou que todas as civilizações tecnológicas aumentavam constantemente sua demanda por energia. Ele raciocinou que, se a civilização humana expandisse as demandas de energia por tempo suficiente, chegaria um momento em que ela demandaria a produção total de energia do Sol . Ele propôs um sistema de estruturas orbitais (que ele se referiu inicialmente como uma concha ) projetado para interceptar e coletar toda a energia produzida pelo sol. A proposta de Dyson não detalhou como tal sistema seria construído, mas focou apenas em questões de coleta de energia, com base no fato de que tal estrutura poderia ser distinguida por seu espectro de emissão incomum em comparação com uma estrela. Seu artigo de 1960 "Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation", publicado na revista Science , é considerado o primeiro a formalizar o conceito da esfera de Dyson.

No entanto, Dyson não foi o primeiro a apresentar essa ideia. Ele foi inspirado pelo romance de ficção científica de 1937 , Star Maker , de Olaf Stapledon , e possivelmente pelas obras de JD Bernal .

Viabilidade

Embora tais megaestruturas sejam teoricamente possíveis, construir um sistema de esfera de Dyson estável está atualmente muito além da capacidade de engenharia da humanidade. O número de naves necessárias para obter, transmitir e manter uma esfera Dyson completa excede as capacidades industriais atuais. George Dvorsky defendeu o uso de robôs auto-replicantes para superar essa limitação em um prazo relativamente próximo. Alguns sugeriram que esses habitats poderiam ser construídos em torno de anãs brancas e até mesmo de pulsares .

Variantes

Em relatos fictícios, o conceito de Dyson-esfera é freqüentemente interpretado como uma esfera artificial e oca de matéria ao redor de uma estrela. Essa percepção é baseada em uma interpretação literal do breve artigo original de Dyson apresentando o conceito. Em resposta a cartas solicitadas por alguns jornais, Dyson respondeu: "Uma concha ou anel sólido em torno de uma estrela é mecanicamente impossível. A forma de 'biosfera' que imaginei consiste em uma coleção solta ou enxame de objetos viajando em órbitas independentes ao redor da estrela "

Enxame de Dyson

Um anel Dyson - a forma mais simples do enxame Dyson - em escala. A órbita tem um raio de 1 UA , os coletores têm 1,0 × 10 7 km de diâmetro (10 Gm ou ≈25 vezes a distância Terra-Lua ), espaçados 3 graus de centro a centro em torno do círculo orbital.
Um arranjo relativamente simples de vários anéis Dyson do tipo mostrado acima, para formar um enxame Dyson mais complexo. Os raios orbitais dos anéis estão espaçados 1,5 × 10 7 km um em relação ao outro, mas o raio orbital médio ainda é 1 UA . Os anéis são girados 15 graus um em relação ao outro, em torno de um eixo comum de rotação.

A variante mais próxima da concepção original de Dyson é o "enxame de Dyson". Consiste em um grande número de construções independentes (geralmente satélites de energia solar e habitats espaciais ) orbitando em uma formação densa ao redor da estrela. Essa abordagem de construção tem vantagens: os componentes podem ser dimensionados apropriadamente e podem ser construídos de forma incremental. Várias formas de transferência de energia sem fio podem ser usadas para transferir energia entre os componentes do enxame e um planeta.

Desvantagens resultantes da natureza da mecânica orbital tornariam o arranjo das órbitas do enxame extremamente complexo. O mais simples desses arranjos é o anel Dyson , no qual todas essas estruturas compartilham a mesma órbita. Padrões mais complexos com mais anéis interceptariam mais da saída da estrela, mas resultariam em algumas construções eclipsando outras periodicamente quando suas órbitas se sobrepõem. Outro problema potencial é que o aumento da perda de estabilidade orbital ao adicionar mais elementos aumenta a probabilidade de perturbações orbitais.

Essa nuvem de coletores alteraria a luz emitida pelo sistema estelar (veja abaixo ). No entanto, a perturbação em comparação com o espectro natural geral emitido por uma estrela provavelmente seria muito pequena para os astrônomos baseados na Terra observarem.

Bolha Dyson

Uma bolha de Dyson : um arranjo de estatísticas em torno de uma estrela, em um padrão não orbital. Desde que um satélite tenha uma linha de visão desobstruída para sua estrela, ele pode pairar em qualquer ponto do espaço próximo a sua estrela. Este arranjo relativamente simples é apenas um de um número infinito de configurações de estado possíveis, e serve como um contraste apenas para um enxame de Dyson. As estatísticas são retratadas com o mesmo tamanho dos coletores retratados acima e organizadas a uma distância uniforme de 1 UA da estrela.

Um segundo tipo de esfera Dyson é a "bolha Dyson". Seria semelhante a um enxame de Dyson, composto de muitas construções independentes e da mesma forma poderia ser construído de forma incremental.

Ao contrário do enxame de Dyson, as construções que o compõem não estão em órbita ao redor da estrela, mas seriam statites - satélites suspensos pelo uso de enormes velas de luz usando pressão de radiação para neutralizar a atração da gravidade da estrela. Tais construções não correm o risco de colisão ou de eclipsar umas às outras; eles seriam totalmente estacionários em relação à estrela e independentes um do outro. Como a razão da pressão de radiação para a força da gravidade de uma estrela é constante, independentemente da distância (desde que o satélite tenha uma linha de visão desobstruída para a superfície de sua estrela), esses satélites também podem variar sua distância de seu centro Estrela.

A praticidade dessa abordagem é questionável com a ciência dos materiais moderna , mas ainda não pode ser descartada. Um satélite 100% reflexivo implantado em torno do Sol teria uma densidade geral de 0,78 gramas por metro quadrado de vela. Para ilustrar a baixa massa dos materiais necessários, considere que a massa total de uma bolha de tal material 1 UA de raio seria cerca de 2,17 × 10 20 kg, que é aproximadamente a mesma massa do asteróide Pallas . Outra ilustração: o papel de impressão normal tem uma densidade de cerca de 80 g / m 2 .

Esse material ainda não foi produzido na forma de uma vela leve de trabalho. O material de vela leve de fibra de carbono mais leve produzido atualmente tem uma densidade - sem carga útil - de 3 g / m 2 , ou cerca de quatro vezes mais pesado do que seria necessário para construir um estatito solar.

Uma única folha de grafeno , a forma bidimensional do carbono, tem uma densidade de apenas 0,37 mg por metro quadrado, tornando essa folha única de grafeno possivelmente eficaz como uma vela solar. No entanto, a partir de 2015, o grafeno não era mais fabricado em folhas grandes e tinha uma taxa de absorção de radiação relativamente alta, cerca de 2,3% (ou seja, ainda cerca de 97,7% será transmitido). Para frequências na faixa de GHz superior e inferior de THz, a taxa de absorção é tão alta quanto 50–100% devido à polarização de voltagem e / ou dopagem.

Ultra-leves nanotubos de carbono engrenadas através de fabricação moleculares técnicas têm densidades entre 1,3 g / m 2 a 1,4 g / m 2 . Quando uma civilização estiver pronta para usar esta tecnologia, a fabricação do nanotubo de carbono pode ser otimizada o suficiente para que eles tenham uma densidade inferior aos 0,7 g / m 2 necessários , e a densidade média da vela com cordame pode ser mantida em 0,3 g / m 2 (uma vela leve " estabilizada por rotação " requer uma massa adicional mínima no cordame ). Se tal vela pudesse ser construída nesta densidade de área , um habitat espacial do tamanho do cilindro O'Neill proposto pela Sociedade L5 - 500 km 2 , com espaço para mais de 1 milhão de habitantes, medindo 2,72 × 10 9 kg (3 × 10 6 toneladas ) - pode ser suportado por uma vela leve circular de 3.000 km de diâmetro, com uma massa combinada de vela / habitat de 5,4 × 10 9 kg. Para efeito de comparação, isso é apenas ligeiramente menor que o diâmetro da lua de Júpiter , Europa (embora a vela seja um disco achatado, não uma esfera), ou a distância entre São Francisco e Kansas City . Essa estrutura, entretanto, teria uma massa bem menor do que a de muitos asteróides. Embora a construção de tal estatito habitável maciço fosse um empreendimento gigantesco, e a ciência material necessária por trás disso esteja em um estágio inicial, existem outros feitos de engenharia e materiais necessários propostos em outras variantes da esfera de Dyson.

Em teoria, se um número suficiente de satélites fosse criado e implantado em torno de sua estrela, eles comporiam uma versão não rígida da concha Dyson mencionada abaixo. Tal concha não sofreria das desvantagens de uma pressão compressiva maciça, nem os requisitos de massa de uma tal concha são tão elevados quanto a forma rígida. Tal concha, entretanto, teria as mesmas propriedades ópticas e térmicas da forma rígida e seria detectada pelos pesquisadores de maneira semelhante (veja abaixo ).

Concha de Dyson

Um diagrama em corte de uma concha de Dyson idealizada, uma variante do conceito original de Dyson, com um raio de 1 UA

A variante da esfera de Dyson mais freqüentemente retratada na ficção é a "concha de Dyson": uma concha sólida e uniforme de matéria ao redor da estrela. Tal estrutura alteraria completamente as emissões da estrela central e interceptaria 100% da produção de energia da estrela. Tal estrutura também forneceria uma superfície imensa que muitos imaginam que seria usada para habitação, se a superfície pudesse ser tornada habitável.

Uma concha esférica Dyson sphere no Sistema Solar com um raio de uma unidade astronômica , de modo que a superfície interna recebesse a mesma quantidade de luz solar que a Terra por unidade de ângulo sólido , teria uma área de superfície de aproximadamente 2,8 × 10 17  km 2 (1,1 × 10 17  sq mi), ou cerca de 550 milhões de vezes a área da superfície da Terra. Isso interceptaria todos os 384,6 yotta watts (3,846 × 10 26 watts) da saída do Sol. Projetos que não sejam de concha interceptariam menos, mas a variante de concha representa o máximo possível de energia capturada para o Sistema Solar neste ponto da evolução do Sol . Isso é aproximadamente 33 trilhões de vezes o consumo de energia da humanidade em 1998, que era de 12 terawatts.

Existem várias dificuldades teóricas sérias com a variante de casca sólida da esfera de Dyson:

Tal concha não teria interação gravitacional líquida com sua estrela englobada (ver teorema da concha ) e poderia derivar em relação à estrela central. Se tais movimentos não fossem corrigidos, eles poderiam eventualmente resultar em uma colisão entre a esfera e a estrela - provavelmente com resultados desastrosos. Essas estruturas precisariam de alguma forma de propulsão para neutralizar qualquer desvio ou de alguma forma de repelir a superfície da esfera para longe da estrela.

Pela mesma razão, tal concha não teria nenhuma interação gravitacional líquida com qualquer outra coisa dentro dela. O conteúdo de qualquer biosfera colocado na superfície interna de uma concha de Dyson não seria atraído para a superfície da esfera e simplesmente cairia na estrela. Foi proposto que uma biosfera poderia estar contida entre duas esferas concêntricas, colocadas no interior de uma esfera giratória (nesse caso, a força da "gravidade" artificial é perpendicular ao eixo de rotação, fazendo com que toda matéria colocada no interior da esfera para agrupar ao redor do equador, efetivamente tornando a esfera um anel Niven para fins de habitação, mas ainda totalmente eficaz como um coletor de energia radiante) ou colocado do lado de fora da esfera, onde seria mantido no lugar pelo gravidade. Em tais casos, alguma forma de iluminação teria que ser planejada, ou a esfera tornada pelo menos parcialmente transparente, porque de outra forma a luz da estrela estaria completamente oculta.

Se assumindo um raio de 1  UA , então a resistência à compressão do material que forma a esfera teria que ser imensa para evitar a implosão devido à gravidade da estrela. Qualquer ponto selecionado arbitrariamente na superfície da esfera pode ser visto como estando sob a pressão da base de uma cúpula de 1 UA de altura sob a gravidade do Sol a essa distância. Na verdade, pode ser visto como sendo a base de um número infinito de cúpulas selecionadas arbitrariamente, mas como grande parte da força de qualquer cúpula arbitrária é neutralizada pelas de outra, a força resultante nesse ponto é imensa, mas finita. Nenhum material conhecido ou teorizado é forte o suficiente para suportar essa pressão e formar uma esfera estática e rígida ao redor de uma estrela. Foi proposto por Paul Birch (em relação a construções menores "Supra-Júpiter" em torno de um grande planeta em vez de uma estrela) que pode ser possível sustentar uma concha de Dyson por meios dinâmicos semelhantes aos usados ​​em uma fonte espacial . Massas viajando em trilhas circulares no interior da esfera, em velocidades significativamente maiores do que a velocidade orbital, pressionariam para fora em rolamentos magnéticos devido à força centrífuga . Para uma concha Dyson de 1 UA de raio em torno de uma estrela com a mesma massa do Sol, uma massa viajando dez vezes a velocidade orbital (297,9 km / s) suportaria 99 (a = v 2 / r) vezes sua própria massa adicionalmente estrutura de concha.

Além disso, se assumindo um raio de 1 UA, pode não haver material de construção suficiente no Sistema Solar para construir uma concha Dyson. Anders Sandberg estima que haja 1,82 × 10 26 kg de material de construção facilmente utilizável no Sistema Solar, o suficiente para uma concha de 1 UA com uma massa de 600 kg / m 2 - cerca de 8–20 cm de espessura em média, dependendo da densidade do material. Isso inclui os núcleos de difícil acesso dos gigantes gasosos; os planetas internos sozinhos fornecem apenas 11,79 × 10 24  kg, o suficiente para uma casca de 1 UA com uma massa de apenas 42 kg / m 2 .

A concha seria vulnerável a impactos de corpos interestelares, como cometas , meteoróides e material no espaço interestelar que está sendo defletido pelo choque da proa do Sol . A heliosfera , e qualquer proteção que ela teoricamente forneça, deixaria de existir.

Outros tipos

Rede Dyson

Outra possibilidade é a "rede Dyson", uma teia de cabos amarrados ao redor da estrela que poderia ter unidades de coleta de energia ou calor amarradas entre os cabos. A rede Dyson se reduz a um caso especial de concha ou bolha Dyson, no entanto, dependendo de como os cabos são suportados contra a gravidade do sol.

Bubbleworld

Um mundo de bolhas é uma construção artificial que consiste em uma concha de espaço vivo em torno de uma esfera de gás hidrogênio. A concha contém ar, pessoas, casas, móveis, etc. A ideia foi concebida para responder à pergunta: "Qual é a maior colônia espacial que pode ser construída?" No entanto, a maior parte do volume não é habitável e não há fonte de energia.

Teoricamente, qualquer gigante gasoso poderia ser encerrado em uma casca sólida; em um determinado raio, a gravidade da superfície seria terrestre e a energia poderia ser fornecida aproveitando a energia térmica do planeta. Esse conceito é explorado perifericamente no romance Accelerando (e no conto Curator , que é incorporado ao romance como um capítulo) de Charles Stross , no qual Saturno é convertido em um mundo habitável pelo homem.

Motor estelar

Os motores estelares são uma classe de megaestruturas hipotéticas cujo objetivo é extrair energia útil de uma estrela, às vezes para fins específicos. Por exemplo, os cérebros Matrioshka extraem energia para fins de computação; Os propulsores Shkadov extraem energia para fins de propulsão. Alguns dos projetos de motores estelares propostos são baseados na esfera de Dyson.

Um buraco negro pode ser a fonte de energia em vez de uma estrela, a fim de aumentar a eficiência de conversão de matéria em energia. Um buraco negro também seria menor que uma estrela. Isso diminuiria as distâncias de comunicação que seriam importantes para sociedades baseadas em computador como as descritas acima.

Pesquise megaestruturas

No artigo original de Dyson, ele especulou que civilizações extraterrestres suficientemente avançadas provavelmente seguiriam um padrão de consumo de energia semelhante ao dos humanos e acabariam por construir sua própria esfera de colecionadores. A construção de tal sistema tornaria tal civilização uma civilização Kardashev do Tipo II .

A existência de tal sistema de coletores alteraria a luz emitida pelo sistema estelar. Os coletores absorveriam e irradiariam novamente a energia da estrela. O (s) comprimento (s) de onda da radiação emitida pelos coletores seriam determinados pelos espectros de emissão das substâncias que os compõem e pela temperatura dos coletores. Porque parece mais provável que esses coletores seriam compostos de elementos pesados ​​não normalmente encontrados nos espectros de emissão de sua estrela central - ou pelo menos não irradiando luz com energias relativamente "baixas" em comparação com o que eles estariam emitindo sem energia núcleos na atmosfera estelar - haveria comprimentos de onda atípicos de luz para o tipo espectral da estrela no espectro de luz emitido pelo sistema estelar. Se a porcentagem da saída da estrela assim filtrada ou transformada por essa absorção e re-radiação fosse significativa, ela poderia ser detectada em distâncias interestelares.

Dada a quantidade de energia disponível por metro quadrado a uma distância de 1 UA do Sol , é possível calcular que a maioria das substâncias conhecidas estaria re-irradiando energia na parte infravermelha do espectro eletromagnético . Assim, uma esfera de Dyson, construída por formas de vida não diferentes dos humanos, que viviam nas proximidades de uma estrela semelhante ao Sol , feita com materiais semelhantes aos disponíveis para os humanos, provavelmente causaria um aumento na quantidade de radiação infravermelha no espectro emitido do sistema estelar. Conseqüentemente, Dyson selecionou o título "Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation" para seu artigo publicado.

O SETI adotou essas suposições em sua pesquisa, procurando por espectros "pesados ​​no infravermelho" de análogos solares . Em 2005, o Fermilab tem uma pesquisa contínua para esses espectros, analisando dados do Satélite Astronômico Infravermelho (IRAS) . Identificar uma das muitas fontes infravermelhas como uma esfera de Dyson exigiria técnicas aprimoradas para discriminar entre uma esfera de Dyson e fontes naturais. O Fermilab descobriu 17 candidatos potenciais "ambíguos", dos quais quatro foram considerados "divertidos, mas ainda questionáveis". Outras buscas também resultaram em diversos candidatos, porém, não confirmados.

Em 14 de outubro de 2015, os cientistas cidadãos do Planet Hunters descobriram flutuações de luz incomuns da estrela KIC 8462852 , capturada pelo Telescópio Espacial Kepler . A estrela foi apelidada de "Estrela do Tabby" em homenagem a Tabetha S. Boyajian - a principal autora do estudo inicial. O fenômeno levantou especulações de que uma esfera de Dyson pode ter sido descoberta. Uma análise mais aprofundada com base em dados até o final de 2017 mostrou escurecimento dependente do comprimento de onda consistente com poeira, mas não um objeto opaco, como uma megaestrutura alienígena, que bloquearia todos os comprimentos de onda de luz igualmente.

Ficção

A esfera de Dyson teve origem na ficção e é um conceito que apareceu com frequência na ficção científica desde então. Em relatos de ficção, as esferas de Dyson são mais frequentemente representadas como uma concha de Dyson, com as dificuldades gravitacionais e de engenharia dessa variante observadas acima em grande parte ignoradas.

Veja também

Referências

links externos

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Este arquivo de áudio foi criado a partir de uma revisão deste artigo datada de 7 de maio de 2012 e não reflete as edições subsequentes. ( 07/05/2012 )