Waarom Dysonschillen onwaarschijnlijk zijn

Share Button

Schrijver dezes denkt vaak na over de Fermi Paradox. Hoe kan het dat in dit onmetelijk grote heelal, geen sporen zijn waar te nemen van buitenaardse beschavingen? Mogelijk kijken we verkeerd. En onderschatten we aliens.

Wat kunnen zeer vergevorderde beschavingen, wat wij niet kunnen?
Wat ik nu doe, is heel erg gevaarlijk. Ik probeer mij in te leven in wezens die miljoenen jaren aan technische ontwikkeling op ons voorlopen. Dit speculatief noemen is een understatement. Gelukkig hebben we een handvat. We weten dat de natuurwetten in grote lijnen kloppen en wat de technische beperkingen zijn die ze ons stellen. Het kan zijn dat er volkomen nieuwe natuurkunde wordt ontdekt. Die kans is zelfs erg groot, als je beseft hoe relatief lomp het Standaardmodel van de moderne fysica is opgebouwd. Uiteraard kunnen we geen voorspellingen doen over hoe deze nieuwe natuurkunde er uit zal gaan zien.

Relatie tussen temperatuur en vermogen dat een zwarte straler uitzendt

Relatie tussen temperatuur en vermogen dat een zwarte straler uitzendt

Wat we wél kunnen doen, is uitgaan van het principe: alles wat niet expliciet is verboden door de natuurwetten zoals we die nu kennen, zal ooit technisch haalbaar zijn. Sneller-dan-licht reizen, bijvoorbeeld, is een schending van Einsteins speciale relativiteitstheorie. Dat zal dus volgens de huidige nooit lukken. Alleen als de ruimtetijd van het heelal zelf wordt vervormd, zoals in een hypothetische Alcubierre warp drive, of gebruik wordt gemaakt van (eveneens hypothetische) tachyonen (deeltjes die altijd sneller MOETEN bewegen dan het licht), kunnen we -met de huidige natuurkunde- aan deze beperking ontsnappen. Daarentegen kunnen we wel bijvoorbeeld ooit een ruimtelift bouwen, of ruimtefontein. Er zijn namelijk geen bekende natuurwetten die dat verbieden. Deze strategie zal ik dus volgen.

Waarom dysonschillen onzin zijn
Op dit moment wordt veel gespeculeerd over dysonschillen. Dysonschillen zijn zwermen van om een ster draaiende zonnepanelen, die in theorie alle licht van een ster kunnen opvangen. Dysonschillen hebben ongeveer de afmeting van de omloopbaan van de aarde. Ze zijn dus vrij gemakkelijk waar te nemen, immers: ze moeten hun afvalwarmte kwijt. Een vierkante meter dysonschil die zich op de omloopbaan van de aarde bevindt, vangt 1361 W zonne-energie op: de zonneconstante. Als de schil een gelijke temperatuur moet houden, moet deze per vierkante meter ook 1361 watt uitstralen. De stralingswet van BoltzmannP = ε A σ T4, zegt hiermee dat een zwarte straler die per vierkante meter 1361 watt uitstraalt, een temperatuur van rond de 121 graden heeft. Dit komt overigens opmerkelijk nauwkeurig overeen met de dagtemperatuur op de maan, wat alles te maken heeft met het zeer sterk lichtabsorberende oppervlak van de maan. Een zwart lichaam van deze temperatuur straalt het felst op de 7,3 micrometer band, infraroodstraling dus. Onze telescopen hebben dysonschilachtige objecten met deze golflengte niet waargenomen.

Wat mijns inziens ook logisch is. Dysonschillen bestaan waarschijnlijk niet. Een dysonschil bouwen om een gloeiende gaswolk is namelijk niet het meest slimme om te doen. Een beetje snuggere alien stookt die gaswolk op in een kernfusiecentrale, of nog slimmer: gaat materie in een zwart gat dumpen en hier energie aan onttrekken. Zo heb je de energie direct bij de hand en hoef je die niet 150 miljoen kilometer ver te transporteren. Weliswaar is kernfusie, laat staan de proton-proton fusiestap, voor ons op dit moment onhaalbaar, er is geen natuurwet die verbiedt om twee protonen direct, of via de CNO-cyclus,  met elkaar te laten fuseren. De atoomkernen willen wel. Het is een kwestie van ze exact met de juiste energie en trefhoek samen te brengen. Voor ons is dit onhaalbaar, tenzij in een lomp femtotechnisch apparaat als een waterstofbom. Voor onze verre nazaten – als we dan als soort nog bestaan – zal dit vrij eenvoudig zijn. Een nog uitzinniger idee is een zwart gat met de massa van Jupiter maken. Uit materie die in een zwart gat valt is bijna honderd procent energie te winnen, omdat de temperatuur van zwarte gaten nanokelvins bedraagt (uitleg volgt). De Schwarzschildradius van een dergelijk zwart gat zou 2,2 meter zijn, wat het erg nuttig zou maken als energieopwekker en dumpplaats voor entropie. Op dit moment volkomen onuitvoerbaar, maar het is volgens de bekende natuurwetten niet onmogelijk om een dergelijk micro-zwart gat te creëren, bijvoorbeeld door een kugelblitz. Uiteraard ligt dit ver buiten bereik van onze technische mogelijkheden anno nu.

Maar waar zitten ze dan? Hint: hoe kouder hoe beter
Weer biedt de thermodynamica uitkomst. Op dit moment ligt de achtergrondtemperatuur van het heelal rond de 2,7 kelvin. Dat betekent dat naar schatting 99 procent van de warmte-energie op aarde in nuttige arbeid kan worden omgezet: \eta_{th} \le 1 - \frac{T_C}{T_H} \ waarbij Tc, de ‘dumpplek’ van warmte, één procent is van de omgevingstemperatuur Th. Het slimst is daarom om een zwart gat als dumpplaats te gebruiken voor de afvalwarmte. Een zwart gat heeft namelijk een temperatuur die gelijk is aan de temperatuur van een zwarte straler, die golven met een golflengte gelijk aan de Schwarzschildradius uitzendt.

Een voorbeeld: een zwart gat met één zonsmassa heeft een Schwarzschildradius van drie kilometer. Dat betekent dat zijn temperatuur gelijk is aan een zwarte straler die radiogolven van 15,9 x 3 km is rond de 48 km golflengte uitzendt. Dit is extreem energiearme radiostraling. Volgens de verschuivingswet van Wien komt dat overeen met een temperatuur van 48 nanokelvin. Als jouw warmteapparaat de afvalwarmte van de aarde in dit gat kan dumpen, heeft dat apparaat een maximale theoretische efficiëntie van, schrik niet, 1 - \frac{48*10^-9 K}{293 K} \, oftewel 99,999999984 procent.

 

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

2 reacties

  1. antares schreef:

    Geweldig dit artikel, helemaal mee eens. Een Dyson schil is sowieso ronduit belachelijk als je over kernfusie beschikt. Leuk concept, maar een stokoude vinding. Alleen idealisten, nostalgische dierenvrienden, en vaak religieuze idioten rijden nog rond in paarden koetsen. Heb ik geen tijd voor.

  2. antares schreef:

    Huh, in moderatie???

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger