Может ли излучение Хокинга от маленькой черной дыры стать возможным источником движения?

JDługosz ответил на это великолепно, с цифрами и всем остальным. И вопрос рассматривался как минимум двумя учеными, а именно Crane & Westmooreland — их статью можно найти в arxiv здесь .

Содержит черную дыру:

Когда дело доходит до ее безопасного сдерживания, я, авторы вышеупомянутой статьи, пришел к выводу, что ЧД ограничивает себя. Все, что нужно сделать, это избежать столкновения с ним. Я бы сказал, что это довольно независимый способ решения проблемы, но опять же, может быть, это было несложно, и я единственный оставшийся читатель, желающий более глубокого объяснения этого аспекта проблемы.

Кормление черной дыры:

Их вообще не нужно кормить, чтобы они были эффективными. Если бы это было так, то они, скорее всего, были бы неприменимы в качестве движущих сил (вполне вероятно, что они в любом случае неприменимы, но по другим причинам, кроме проблемы с питанием). Накормить черную дыру радиусом 0,9 аттометра (10 в степени минус 18) железом было бы сложно по той причине, что, скорее всего, ЧД пронесется прямо через железный стержень. Среднее расстояние между связанными атомами железа составляет 0,7 пикометра (10 в степени минус 12), а это означает, что на расстоянии между двумя атомами железа в куске твердого железа можно разместить миллион ЧД. Процедура кормления поднимет термин «микроуправление» на совершенно новый уровень.

Размер (ы) черной дыры (ов):

Какой размер(ы) черной дыры(ов) был бы возможен? Согласно Crane & Westmoreland, есть золотая середина — это ЧД, достаточно большая, чтобы существовать и иметь возможность ускорять/замедлять корабль на протяжении всего рейса. Но не больше, чем необходимо, поскольку ЧД испускают излучение Хокинга обратно пропорционально их размеру, как упоминал Я.Длугош. Большее отверстие даст вам меньше энергии. Радиус 0,9 аттометра, который я использовал в качестве примера, был не случайным числом, а радиусом, который означал бы, что ЧД будет существовать в течение 3,5 лет. Это относительное время, которое потребовалось бы для путешествия в одну сторону от Земли до Альфы Центавра (около 4 световых лет), т. е. это была бы длина пути, измеренная часами на борту корабля, если бы этот корабль разогнался. по 1 г за половину пути,

Меньшие ЧД были бы полезны для быстрого ускорения зондов или ракет. Большие BH были бы полезны для более длительных поездок. Так что да, есть «сладкие места», когда речь идет о размере ЧД при использовании в качестве тяги. Эти размеры зависят от длины пути, массы корабля и т. д.

Но слишком большие ЧД, и время, необходимое для выработки энергии, достаточной для ускорения массы самой ЧД, будет очень большим. Дополнительные сведения см. в таблице и примерах, объясненных в статье.

Вывод:

Учитывая размер предполагаемых ЧД, мы, скорее всего, не могли игнорировать квантовые эффекты. А учитывая их плотность, мы не могли игнорировать и гравитационные эффекты. Поскольку в настоящее время нам не хватает понимания гравитации на квантовом уровне, и поскольку наше понимание черных дыр как с теоретической, так и с экспериментальной точки зрения крайне плохое, я бы сказал, что на данном этапе невозможно определить осуществимость этого метода движения. наше технологическое развитие. Лучше всего было бы пересмотреть этот вопрос, когда у нас будет работающая квантовая теория гравитации, если она останется в сфере точных наук, а не в области научной фантастики.

РЕДАКТИРОВАТЬ: минуту назад нашел более новую статью Крейна по этому вопросу. Не читал, но может быть актуально.

Очень интересная идея. Позвольте мне начать с некоторых важных фактов, приведенных в комментариях.

Ч. ч. излучает больше излучения, становясь горячее по мере того, как становится меньше. Температура обратно пропорциональна массе черной дыры . Но количество энергии для данной температуры уменьшается, потому что площадь поверхности становится меньше. Радиус равен ∝ массы, а площадь поверхности ∝ квадрату радиуса. Итак, T обратно r². Размер уменьшается быстрее, чем повышается температура! Но энергия излучения черного тела увеличивается быстрее, чем температура, так что же выигрывает?

На самом деле (красиво опубликовано в Википедии)

Чтобы откалибровать измерение мощности, учтите, что черная дыра с массой Солнца излучает$9 \times 10^{-29}$Вт. Черная дыра, живущая 1 секунду, имеет массу$2.28 × 10^5$кг имеет начальную мощность$6.84 × 10^{21}$В.

Таким образом, питая ч.д. массой, которая у вас есть под рукой, чтобы поддерживать его постоянный размер, и направляя излучение назад, вы можете обеспечить необходимое количество энергии за счет соответствующего размера ч.ч.

Сколько мощности вам нужно? Используйте формулу и следуйте примеру из Википедии , чтобы узнать. Теперь посмотрите на размер этого bh. Хм, уменьшение мощности означает возить с собой еще больше массы.

Проблема в том, что радиус ЧД в 1000 раз меньше протона!

Как вы можете накормить его большим количеством массы, необходимой для сохранения равновесия? Я думаю, что это невозможно сделать , даже пренебрегая тем, что выход сдует с него все. Вы не можете получить достаточно массы в достаточно маленьком объеме, чтобы его можно было проглотить с такой скоростью, не превратившись при этом в еще одну черную дыру.

Теперь неважно, что это не может быть сделано так, как подразумевается. Может быть, это большая среда обитания, испытывающая очень низкое ускорение, как сегодняшние ионные двигатели. Как вы держите его привязанным? Ч. ч. может быть заряжена электрически, но она сначала пытается сбросить свой заряд, так как излучение будет заряжено.

Итак, кормите его сильно заряженным веществом, чтобы он оставался заряженным, и полагайтесь на заряженное излучение, чтобы направлять его, и на заряд ч. ч., чтобы удерживать его в центре полости. Бросьте оставшуюся противоположно заряженную материю в выхлоп после того, как она будет направлена.

Более практичный способ получить энергию от ч. ч. — через эргосферу . Однако это было бы сделано с немикроскопической (не горячей) ч.ч.

есть бумага

http://arxiv.org/pdf/0908.1803.pdf

Эти 2 парня

https://www.phys.ksu.edu/personal/westmore/

http://www.math.ksu.edu/people/personnel_detail?person_id=1330

Подводя итог: да, это, вероятно, возможно, но вам нужно направить лучи частиц на черную дыру, чтобы сохранить ее размер стабильным и контролировать ее положение.

Требования к конструкции звездолета BH

1. использовать излучение Хокинга для управления кораблем
2. водить BH с тем же ускорением
3. кормить BH для поддержания его температуры

Пункт 3 не является абсолютно необходимым. Мы могли бы изготовить SBH, использовать его для управления кораблем в одном направлении и выпустить остаток в пункте назначения. Однако это сильно ограничило бы нас в отношении производительности и очень разочаровало бы применение силовой установки, обсуждаемое ниже.

Мы обсудим эти три проблемы только в общих чертах здесь; на инженерном уровне каждый из них потребует расширенного обсуждения. Нетрудно понять, как мы можем удовлетворить требование 1. Мы просто размещаем SBH в фокусе параболического отражателя, прикрепленного к корпусу корабля. Поскольку SBH будет излучать гамма-лучи и смесь частиц и античастиц, это не так просто. В контексте ракет на антивеществе было сделано предложение сделать отражатель гамма-излучения из электронного газа [11].

Неясно, возможно ли это (например, [2]).

В качестве альтернативы, мы могли бы позволить гамма-лучам уйти и направить только часть заряженных частиц излучения Хокинга (см. [2]), хотя тогда корабль будет менее боеспособен. Чтобы улучшить производительность, мы могли бы добавить толстый слой вещества, которое будет поглощать гамма-лучи, переизлучать на оптических частотах и ​​фокусировать результирующие световые лучи. Поглотитель, который останавливает только гамма-лучи, направляющиеся к передней части корабля, и позволяет остальным выходить через заднюю часть, приводит к асимметричному излучению гамма-лучей от корабля. Таким образом, даже уходящие непоглощенные гамма-лучи вносят некоторую тягу (ср. [12] или [13]). Из соображений безопасности по модулю нежелательно, чтобы поглотитель был слишком массивным. Чрезвычайно массивный амортизатор может настолько увеличить массу транспортного средства, что дополнительная тяга, которую он помогает создать, не приведет к улучшению ускорения.

Еще одна идея использования энергии гамма-излучения заключается в использовании явления образования пар. Взаимодействуя с электрическим полем атомных ядер, гамма-лучи высокой энергии могут быть преобразованы в заряженные пары частица-античастица, такие как электроны и позитроны. Эти частицы могут быть направлены электромагнитными полями. Однако маловероятно, что даже половина энергии гамма-излучения может быть использована таким образом (см. Вулпетти [14], [15]).

Может оказаться выгодным использовать излучение Хокинга для возбуждения вторичного рабочего тела, которое затем может быть выброшено в виде выхлопа (как это делается в тепловых и ионных ракетах). Однако выброс рабочего вещества должен осуществляться с 10 релятивистскими скоростями, чтобы удельный импульс был достаточно высок для межзвездного путешествия.

Самый оптимистичный подход — решать требования 2 и 3 вместе, прикрепляя пучки частиц к корпусу корабля за ЧД и направляя их в материю. Это одновременно ускорит ЧДД, поскольку ЧД «двигаются, когда вы их толкаете» (см. [3] стр. 270), и добавит массу ЧДД, продлив срок службы.

Дело здесь в сечении поглощения частицы, попадающей в ЧД. Мы намерены исследовать этот вопрос в будущем. Если простое наведение луча на ЧДД не работает, мы можем попытаться сформировать аккреционный диск вблизи ЧДД и положиться на то, что частицы будут туннелировать в него. В качестве альтернативы мы могли бы использовать небольшой кластер ЧДД вместо одной, чтобы создать большую эффективную мишень, зарядить ЧБД и т. д. Также возможно, что из-за квантовых эффектов ЧБД имеют большие радиусы, чем классические, из-за аналога энергии нулевой точки . Этот пункт должен оставаться вызовом на будущее.

Как уже отмечалось, черная дыра имеет довольно впечатляющую выходную мощность, особенно микрочерные дыры.

Недостатком является то, что те, у которых практическая масса для питания корабля или колонии, также являются массой астероидов для небольших лун. Помимо практических инженерных трудностей подачи массы объекту размером с атомное ядро, это также означает, что ваш корабль буксирует массу черной дыры. Как и в случае с ионными двигателями, прирост производительности с использованием двигателя компенсируется дополнительной массой, которую вам нужно носить с собой (в случае с ионным двигателем вам нужен либо ядерный реактор и защита, либо гектары солнечных панелей для обеспечения энергии). для большого ионного или плазменного накопителя).

Полное обсуждение находится в этой статье: ВОЗМОЖНЫ ЛИ ЗВЕЗДОПОРОЖДЕНИЯ ЧЕРНЫХ ДЫР? Авторы Луи Крейн и Шон Уэстморленд, Университет штата Канзас.