如何為我們的太陽系製造一個戴森球

bigbadwolf

2015/10/29 15:02


如果你來這裡是為了選購吸塵器，對不起，你走錯了地方。 我知道圓鼓鼓的戴森吸塵器很夠力，但我要說的「戴森球」（Dyson Sphere）是宇宙級的。

「凡走過的必留下痕跡」，偉大的外星文明更可能留下明顯的痕跡。最近越來越多天文學家要尋找外星人的「科技標記」（Technosignature），其中最引人注意的就是供應先進文明龐大能源需求的「戴森球」，那是把恆星包起來的巨大太陽能電廠，吸收恆星級的能量，前一陣子還說可能找到了外星人的戴森球。但不要以為戴森球是外星人的專利，如果地球人不要沒事相殺，不製造全球暖化，現在卡爾達肖夫K＝0.73的地球文明早晚有一天會邁過卡爾達肖夫第一級K＝1的境界， 若不在尋找太陽系內其他的資源，就會面臨能源供不應求的窘境。（不清楚為文明分級的「卡爾達肖夫指數」嗎，參考《高等外星人都到那裡去了？》。

圖片中是以地球軌道為半徑的「戴森球」，把太陽包在裡面，吸收太陽光為能量，不過這樣的設計並不實際，特別是3公尺厚，非常浪費材料，也很難有牢靠的材料能支持這麼大的結構。（圖片來源：維基百科）


想像在不知名的將來，地球文明已經進入K1文明，石化燃料早已用盡，核融合電廠已經飽和，地面上能用的空地已經蓋滿了太陽能板，甚至在地球軌道上也擠滿了太空太陽能電廠，但是能源還是不夠，地球上已經沒有任何資源可供開發。最好能源來源就是太陽。我相信戴森球不是吸取太陽能最好的辦法，不過我不知道其他辦法，所以大家將就點，讓我們一起為地球的未來用大量太陽能板把太陽包起來，做一個戴森球，吸收全部的太陽能

日本的宇宙機構JAXA構想中的太空太陽能發電廠，就是有一大片太陽能面板的人造衛星，發出來的電用微波傳回地球。這種發電廠可以說是戴森球的雛型。（圖片來源：JAXA）

等一等，要把太陽包起來？這還了得！藝文界人士一片譁然，要求當時的地球聯邦政府踹共。有人說省電才是王道，有人號召「用愛發電」，更有人喊出「我是人，我反戴森球」。可惜這些口號得不到機器人、生化人的共鳴，啊他們本來就不是「人」嘛。就開工吧！

該用哪一種戴森球？

一般人想到的戴森球是一個圓形的空殼，為了不會擋住照在地球的太陽光，圓殼最好在地球軌道的外側。如果這個殼的半徑就是地球軌道的半徑（1 AU），殼的厚度是超薄的十公分，這樣的戴森球所需要的材料的體積仍然是地球的3.2倍——結果戴森球還沒做好地球就GG了——行不通。

所以野心不要太大，讓太陽能板離太陽更近，殼就能更小，光電轉換效率也更高。也不需要把太陽全包起來，用最簡單的方式：讓密密麻麻一群太陽能板各自如同人造衛星一般環繞太陽公轉，變成環狀的「戴森雲」。

要多少資源？

雖然已經縮小了工程規模，但仍要耗費許多材料，哪裡來？地球是家，當然不能動，所以只有兩個選擇：水星和金星。它們雖然有史以來是文人騷客歌詠的對象，但是對地球實際影響不大，有天文學家甚至認為水星在50億年後有一點點可能與地球相撞——放肆！原來水星就像盲腸一樣，為了斷絕後患，乾脆割了吧。

可惜水星的質量只有地球的5.5%，而且不是百分之百都是有用的材料。這個「戴森環」做出來一定有點寒酸，讓來訪的外星人見笑。不過沒關係，這是太陽系內的第一期工程，以後再擴大。



第一期工程：水星 Bye bye

地球一開始要送一大群機器人到水星幹活，它們有先進的3D列印技術、用當地的材料，自我複製，又利用水星上豐富的矽製造太陽能板。不過一開始要吃老本，靠著地球上傳送來的能量讓工程繼續。牛津大學的George Dvorsky計算過，把水星拆光光需要的能量，要全世界依照目前產能連續工作200億年才辦得到，哇咧宇宙大爆炸到現在才138億年勒。還好那時的地球已經比現在厲害很多，不過也要花數百年、甚至上千年才能做得好，後來水星附近的太陽能廠漸漸能自給自足，進而有多餘的能量送回地球

地球、金星、火星、水星、冥王星的大小比較。（圖片來源：Imagineeringezine）




在別的星球使用3D列印並不是什麼新聞，這是美國NASA計劃在月球表面用3D列印機器人蓋房子的想像圖。（圖片來源：NASA）


水星的照片，其中的顏色代表表面上不一樣的物質成分。（圖片來源：NASA MESSENGER）

這個戴森雲在地球軌道的內側，不會擋住太陽光嗎？如果陽光照不到地球，那豈不是生態浩劫，植物先死光了，動物也活不了多久？其實還好，用水星做的戴森雲就在原來的水星軌道旁，而水星軌道和地球軌道並非完全平行，因此原則上戴森雲1年只有兩次會遮住地球。如果真的不放心，可以讓那些太陽能板有類似百葉窗的設計，必要時可以打開讓太陽光通過，不會毀了地球的生態。



水星的軌道（黃色）與地球的軌道（藍色）有一點偏斜，因此戴森雲只有每年的5月和11月會遮住地球。

如果這個「戴森雲」只能捕捉太陽光的1%，光電轉換率50%，當這個工程完工後地球已經是卡爾達肖夫第1.5級，光就能量來說，那時候想要再拆一個水星只要兩個月。

bigbadwolf

第二期工程：金星 RIP

水星拆完，就輪到金星。它的質量是水星的15倍，如果依法炮製，用金星為材料製造的太陽能板送到水星附近，加強第一期工程的「戴森環」，就可以把能量產能增加15倍，卡爾達肖夫指數增加為K1.6。

金星是地球的雙胞胎，大小重量都和地球類似，比水星大得多，可以提供不少材料。（圖片來源：NASA）

第三期工程

有了這麼大的能量來源，就可以用更厲害的辦法拆解星球。還在用機器人和3D列印？太遜了。現在可以引導這些能量在行星產生核反應，重組原子內部結構，把行星本來的金屬、岩石、氣體等裡面的元素全部打爛再組裝成其它元素，比如只有幾層原子厚，類似石墨烯（Graphene）的吸光結構，在太空中自組裝（Self-assembly）成為又大又薄的太陽能板。這麼輕的材料不需要靠公轉產生的離心力來抵消太陽的引力，反而可以利用來自太陽的太陽風變成「戴森泡」（Dyson bubble），更厲害的是這麼大的宇宙級結構是由單一分子構成。如果有不長眼的彗星隕石把它打破一個洞，那時候的奈米技術應該可以利用自組裝讓它自行修復，若是有21世紀初的人坐時光機器到那個時代，恐怕會以為那是個有機的生物體。這個戴森泡可以吸收整個太陽的能量，地球就可以達到卡爾達肖夫第二型K2文明。

  

石墨烯是碳原子組成的六角型平面薄膜，只有一個碳原子厚度，質地強韌，有很多特殊的物理化學性質。標準的石墨烯幾乎完全透明，但是如果能調整它的排列結構，也可以改變這種材料與光的交互作用，成為另類的太陽能板。（圖片來源：維基百科）




以石墨烯做出來的戴森泡又輕又薄，如同肥皂泡一樣，只是肥皂泡是靠著氣壓把它撐開，但是戴森泡靠的是太陽發送出來的太陽風撐成球型。（圖片來源：Halo）



然後呢？

如果地球文明真的有這麼好命，還在不斷增長，那麼太陽系內就沒有任何力量能夠提供這麼大的能源需求。唯一的生存機會就是向外發展，進攻別的恆星。銀河系的朋友，小心，像瘟疫一樣的地球人來了！



快逃命啊，地球人來了！（圖片來源：Escape From Planet Earth）

Cobra

Interesting, thanks!