Можно ли использовать космический фон для получения энергии?

Я предполагаю, что вы имеете в виду космическое микроволновое фоновое излучение.

Радио, настроенное на пустую частоту, слышит «статический» шум. Небольшая часть статических помех, принимаемых аналоговым телевидением, на самом деле является реликтовым излучением. Может ли антенная система собрать часть этого и с помощью диода или чего-то подобного преобразовать часть в небольшое количество полезного электричества? Детекторы CMB обычно представляют собой болометры - антенны + резисторы + датчики температуры, но в этом случае они могут быть диодами, как вы указали здесь , которые могут обеспечивать некоторую мощность постоянного тока от исходного переменного тока.

tl;dr: нет! Термодинамика всегда побеждает, если температура вашего космического корабля и электроники не ниже 2,7 К.

Но давайте посмотрим, что мы потеряли:

Чтобы получить приблизительное представление о количестве потенциально доступной мощности, не принимая во внимание реальную функционирующую схему, которая должна быть достаточно широкополосной, чтобы эффективно использовать спектр, вот быстрый расчет доступной мощности падающей микроволновой мощности. Это только верхний предел того, что можно было бы собрать.:

Вместо интегрирования теплового распределения давайте просто используем полную ширину 200 ГГц и высоту 400 МЯн/ср (см. ниже). Данные также доступны здесь .

MJy — это 1E+06 Дженси. Один Янский это 1Е-26 Ватт на квадратный метр на Герц.

Скажем, у антенны есть какая-то направленность (они всегда бывают, если только не шалят с поляризацией) и назовем акцепт 1/2 сферы, или 2$\pi$старший

400E+06 Ян/ср * 2$\pi$ср * 200E+09 Гц * 1E-26 Вт/м^2 ~ 1E-06 Вт/м^2

Таким образом, возможен 1 микроватт на квадратный метр . Ваш пробег может отличаться.

Чтобы проверить это дважды, используйте уравнение Стефана-Больцмана . $P=\sigma T^4$. С$\sigma$=5,67E-08 ватт на квадратный метр на градус Кельвина^4, что дает 3E-06 Вт/м^2. Если вспомнить о коэффициенте приема антенны 0,5, получается неплохо.

Но может ли горячий (скажем, 273 К) кварцевый радиоприемник (диодное выпрямление) извлекать мощность из холодного теплового распределения? Нет, тепло переходит от горячего к холодному, если только вы не используете энергию для привода теплового насоса. С точки зрения радио, случайные электрические колебания в электронике вашего радио также будут передавать микроволны обратно в космос.

Таким образом, вам придется охлаждать радиостанцию ​​ниже 2,7 К, чтобы получить хоть какую-то мощность . И в этот момент вы только что построили тепловой коллектор, и холодная радиочерная пластина могла бы работать примерно так же, как радио. Но вы не будете получать энергию, потому что будете выполнять больше работы по ее охлаждению .

Так одним словом, нет! Термодинамика всегда побеждает, если температура вашего космического корабля и электроники не ниже 2,7 К.

выше: Спектр реликтового излучения отсюда .

выше: Спектр реликтового излучения , построенный с единицами измерения по оси X, преобразованными из 1/см в ГГц, данные отсюда .

Да! Если мы предположим, что у вас есть доступ к большой черной дыре и материалам, которые, вероятно, не могут существовать, вы можете запустить тепловую машину на космическом микроволновом фоновом излучении.

Черные дыры разумного размера холодные. Очень холодно. Миллиардные доли Кельвина для черной дыры звездной массы, которая на несколько порядков холоднее реликтового излучения. Температура черной дыры называется температурой Хокинга.

Это означает, что вы можете взять тепловую машину, использующую гелий в качестве рабочего тела. Ваша холодная раковина будет большим радиатором, обращенным к черной дыре, вокруг которой вы вращаетесь очень близко. Ваш источник тепла — такая же пластина, обращенная в сторону от черной дыры. Вам понадобится своего рода многослойная изоляция между ними для оптимальной работы. В этот момент следует отметить, что если какая-либо материя падает в черную дыру, она будет производить излучение, и вы не сможете использовать ее в качестве поглотителя холода.

Сколько энергии вы получите? Немного, но поскольку гелий не был бы газом, я не знаю, как его рассчитать. Однако в качестве верхнего предела закон Стефана-Больцмана ограничивает его менее чем 3,1 микроватт на квадратный метр.

Честно говоря, вероятно, было бы проще использовать процесс Пенроуза, если бы вы могли заниматься реальным проектированием так близко к черной дыре. https://en.wikipedia.org/wiki/Penrose_process

Вы, вероятно, хотите собрать полезную энергию , физик скорее назовет это низкой энтропией . Сбор энергии будет означать, что вы нагреваетесь бесконечно. Признание того, что термодинамика управляет детерминированными техническими процессами (а также жизнью на Земле), является ключом к пониманию этой проблемы.

Большая часть вашего поля зрения, космический микроволновый фон, представляет собой излучение почти идеально черного тела с температурой 3,7 К. Как только ваш космический корабль полностью остынет до этой точки, ваш баланс энтропии станет равным.

Однако вы можете использовать небольшие флуктуации в пространственном распределении для сбора полезной энергии, подвергая «горячий конец» устройства сбора более горячим, чем в среднем, частям неба, а «холодный конец» — другим частям. Возникнет температурный градиент, и его можно будет использовать.

Любое электромагнитное излучение, отклоняющееся от планковского спектра, также можно использовать, переизлучая его как тепловое излучение с более высокой энтропией (солнечные панели делают именно это, если подумать). Видимый свет и излучение квазара были бы хорошим источником. К сожалению, точечные источники и источники узкополосного излучения занимают очень малую часть вашего поля зрения. Квазары встречаются редко, а мощность убывает по закону обратных квадратов, поэтому получить видимый свет от звезд может быть проще.

Может ли тактовый генератор питаться от солнечных батарей в открытом космосе? Зависит от площади поверхности. Резервуары с низкой энтропией, такие как РИТЭГи, являются гораздо более простыми решениями.

(некоторые комментарии ниже могут относиться к предыдущей версии моего ответа, которая была совсем другой)

Да, теоретически вы можете собрать CMBR. Однако...

Другие ответы, похоже, описывают (крошечные) ограничения для «голых» антенн. Но не забывайте, что вы можете собрать большую площадь падающих фотонов и сфокусировать их, скажем, с помощью параболической тарелки.

Насколько большое блюдо? Это зависит от вас и вашего космического корабля. Вы назвали около 450 фотонов на кубический сантиметр, так что я думаю, вы можете понять, сколько вы хотите. Для справки, частота реликтового излучения составляет около 160 ГГц в микроволновом диапазоне спектра. Определенно возможно построить достаточно гладкую тарелку, которая будет отражать микроволны. (У нас на Земле есть такая посуда.)

Редактировать: неважно. Похоже, что реликтовое излучение на самом деле является диффузным источником фотонов (а не параллельных фотонов), поэтому параболическая тарелка не будет их фокусировать.

Однако...

Ты упомянул:

любой внешний источник энергии; это не обязательно должен быть CMB конкретно - это доступно во время межгалактических путешествий, где вы не можете зависеть от солнечного ветра, света ближайших звезд или чего-то подобного; вы должны полагаться на то, что там доступно: тепловое космическое фоновое излучение, космическое микроволновое излучение, высокоэнергетические космические лучи, любые средства, доступные в межгалактическом пространстве, кроме того, что вы привезли с кораблем.

В качестве внешнего источника энергии, я думаю, лучше всего подойдет ближайший звездный свет . Представьте, что у вас на космическом корабле есть гигантская параболическая тарелка, и вы пытаетесь собрать крошечный реликтовый фон. Вместо этого он будет собирать гораздо больше звездного света от ближайших звезд.

Сколько звездного света? Давайте просто упростим со средними звездами на средних расстояниях. Солнечный свет около Земли, но еще не попадающий в атмосферу, составляет около 1,36 кВт на квадратный метр . Ближайшая к нашему Солнцу звезда находится на расстоянии около 4 световых лет .

Итак, давайте представим, что ваш космический корабль во время своего путешествия всегда находится в пределах 2 световых лет от звезды. 1 LY составляет около 63 241,1 а.е. (1 а.е. = расстояние от Солнца до Земли). Следовательно, звездный свет составляет 1,36 / 63 241,1 ^ 2 = 34,005 нановатт на квадратный метр. Но, вероятно, есть несколько близких звезд. Скажем, в среднем ваш корабль окружен 8 звездами, каждая из которых находится на расстоянии 2 световых лет. Таким образом, у вас есть около 272 нановатт на квадратный метр.

Немного, но я уверен, что это на порядки выше того, что вы могли бы получить с помощью CMBR. Он также не включает свет от более далеких звезд. Просто зная математический ряд 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 ..., я знаю, что в сумме это равно 1. Поэтому я просто предполагаю, что все остальные звезды, расположенные дальше, составляют еще одну 272 нановатта на квадратный метр. Итого 544.

Итак, если вам нужен 1 ватт, вам нужна солнечная панель площадью около 1,85 миллиона квадратных метров... или параболический отражатель площадью 1,85 миллиона квадратных метров, фокусирующий его на солнечной панели площадью всего 1 квадратный метр.

Имейте в виду, однако, что вам придется направить солнечную панель или ее параболические фокусы на ближайшую звезду. У вас может быть много таких вещей вокруг корабля, каждая из которых способна вращаться. Были некоторые творческие идеи о больших легких отражателях для этой цели, таких как разворачивающийся солнечный парус, который отражает и фокусирует свет обратно на буксируемую капсулу.

Чтобы было ясно: вы на самом деле имеете в виду «космическое микроволновое фоновое излучение» или просто «космическое излучение»? Потому что это две совершенно разные вещи (хотя ответ один и тот же для обоих, но причина разная). Космическое излучение состоит из ГКИ (галактического космического излучения), слабого потока частиц очень высокой энергии, и солнечного, представляющего собой более сильный поток более слабых частиц.

Хотя такое излучение очень вредно для организма, его поток не представляет большой общей мощности. Или, другими словами, это может убить вас, но вы не почувствуете никакого тепла при этом. В то время как мощность (ватты) потока крошечная (и нет, ваша немедленная реакция "а как насчет большого...".... Я просто остановлю вас прямо здесь, ответ "нет"), это вредно, потому что высвобождает энергию внутри ваших клеток , а не на защитном слое эпидермиса. К тому времени, когда одна частица ГКЛ, на какое-то ничтожное количество джоулей, полностью затормозится, энергия, как правило, разделится на множество других частиц, и каждая из них оставит следы разрушения в ваших клетках, как следы микроскопических пуль.

Есть некоторые частицы GCR, которые могут иметь значительную энергию - например, см. «Частицу Боже мой» (отдельная частица, измеренная с помощью энергии быстрого бейсбольного мяча). Но такие вещи чрезвычайно редки. К тому же, чтобы остановить их, требуется практически целая атмосфера.

На самом деле, если бы вы могли достичь релятивистских скоростей, это излучение было бы заряженным, очень сильным и горячим. Вы могли бы использовать микроволновое излучение в качестве энергии, если бы у вас был способ собрать его. Если бы вы не могли двигаться на почти релятивистских скоростях, фоновое излучение было бы слишком слабым, но давайте посмотрим, если бы оно было на скорости 99,999% от скорости света и было бы подавляющим,