Per aspera ad astra

Астроформирование ( от лат. astrum ← греч. ἀστέρας, «звезда» + нем. formieren, «образовывать» ← лат. forma ) — это буквально «звёздотворение», совокупность технологий преобразования химического состава и массы звёзд, либо крупных газовых планет.  Целесообразность астроформирования Нужен ли астроформинг кому-либо вообще, и насколько он целесообразен? В настоящее время астроформирование представляет собой лишь чисто умозрительный эксперимент, интересный прежде всего своей необыкновенной идеей преобразования мира, ее гигантскими масштабами, и осмысление механизмов и особенностей такого преобразования в тех или иных заданных условиях. Практически астроформирование не может быть реализовано усилиями современной цивилизации, и вероятная потребность в данной технологии неясна. В известной мере, астроформирование представляет собой также и попытку современного человека уподобиться древним титанам и померяться своими силами ( в частности силой разума ) с крупнейшими природными объектами ( звездами ) и взять их рождение, развитие и жизнь под свой абсолютный контроль. Вполне вероятно что осмысление и разработка технологий астроформирования уже сейчас являет собой первый шаг на пути современного человечества в фазу перехода к суперцивилизации. Полный контроль над солнцами и солнечными системами – одна из главнейших характеристик суперцивилизации. Описанный здесь вариант не требует освоения термоядерной энергетики, однако если термоядерная энергетика все же будет освоена, тогда пропадет необходимость в малых звездах --- водород можно будет потреблять в термоядерных топках астропоселений. И тогда необходимость разборки Солнца ( и других звезд и межзвездных облаков ) станет ещё более насущной --- нечего сжигать водород неуправляемо. Сжигать надо столько, сколько надо... Правда к тому времени когда в этом может возникнуть необходимость вполне могут быть созданы принципиально новые источники энергии, в сравнении с которыми термоядерный реактор будет как угольный парогенератор в сравнении с термоядерным реактором. Графики и формулы зависимости масса - продолжительность жизни – светимость Давно известно, что чем тяжелее звезда тем короче срок ее пребывания на главной последовательности в области стабильности, и напротив чем легче звезда тем дольше ее срок жизни. Поэтому астрономы с давних времен наблюдают многочисленные остатки крупных звезд и весьма редко карликовых. Например красные карлики живут столь долго что большинство из них начнут завершение свое эволюции лишь в очень отдаленном будущем, то есть через десятки и сотни миллиардов лет. Наиболее мелкие представители звездной массы имеющие массы около 0,08 масс Солнца способны «дотянуть» до такой глубокой старости что она способна ошеломить любое воображение – до 6,3 трлн.лет (!) С другой стороны, слишком мелкие звезды имеют очень нестабильные оболочки и часто изобилуют вспышками которые способны погубить любую жизнь на близлежащих планетах. Кроме того и сами планеты обитаемой зоны таких мелких звезд в конечном итоге оказываются повернуты к материнской звезде одной стороной. Эти общие особенности говорят о том что наиболее пригодные для зарождения, развития и поддержания жизни звезды находятся в области от 0,5 до 1 массы Солнца. В этих пределах масс сроки пребывания звезд на главной последовательности располагаются от 10 до 100 млрд.лет. Заманчивой временной областью является естественно наибольшая. Вот именно в её достижении, то есть в увеличении продолжительности жизни материнской звезды и состоит цель и задача астроформирования. Как же может быть увеличено пребывание звезды в стабильном состоянии?  Только в случае регулирования химического состава и массы такой звезды, так в принципе можно создать и такую систему регулирования при которой сроки пребывания ее в области стабильности могут быть растянуты на неограниченное ( в известной мере ) время, то есть на сотни триллионов и более лет за счет использования звездных масс ее галактики или звездного скопления. В простейшем случае, ясно что в звезде «горит» водород превращаясь в гелий. В результате так называемого углеродного цикла или напрямую, но само по себе превращение ядер водорода при слиянии в ядра гелия с выделением огромной энергии несомненно. Задача астроформирования звезды состоит в том чтобы поддержать стабильное протекание термоядерных реакций в звезде как можно дольше, и для этого необходимо удалять из звезды своеобразный «шлак» ( ядра гелия ) и в случае необходимости поставлять топливо – водород. Помимо простой «откачки» гелия осуществляется также и некоторая «откачка» вообще массы звезды что изменяет условия протекания термоядерных реакций в ее недрах в сторону увеличения продолжительности стабильной фазы на главной последовательности. Удаляемый гелий может быть рассеиваем в межпланетном пространстве а водород поставляем с иных звезд или крупных планет. Кроме того можно при необходимости «разгружать» водород и из центрального светила с целью наращивания массы имеющихся в системе планет-гигантов для их дальнейшего превращения в карликовые звезды. Так чтобы звезда дольше жила, нужно уменьшить скорость реакций, а для этого уменьшить температуру в центре чуть-чуть, так как мощность реакций пропорциональна 4  ( маленькие звёзды с pp-циклом )…18 ( большие звёзды с CNO-циклом ) степени от температуры.  Температура звезды приблизительно равна гравитационной энергии, которая приблизительно пропорциональна размеру при постоянной массе. Значит для уменьшения температуры нужно увеличить размер звезды и чтобы искусственно увеличить размер необходимо увеличить температуру верхних слоёв. Для этого их нужно дополнительно греть, что возможно возвратом световой энергии на звезду, то есть необходимо весь свет звезды отражать на неё. Для этого вокруг звезды необходима зеркальная сферическая оболочка. Чем больше радиус оболочки, тем меньше её температура и следовательно большую долю излучения сможет отражать обратно на звезду. При этом наружная сторона оболочки должна быть чёрная в ИК спектре, чтобы максимально охлаждаться, что обеспечивается любым полимером. Также мощность пропорциональна концентрации, которая приблизительно обратно пропорциональна объёму, который пропорционален кубу размера. То есть увеличение размера ещё в кубе уменьшает мощность. В итоге срок работы звезды приблизительно пропорционален 7 ( маленькие звёзды с pp-циклом )…21 ( большие звёзды с CNO-циклом ) степени от искусственного размера и ещё в несколько раз за счёт использования всей массы, а не только ядра. P ядро ~ 1/R7...21 Одновременно увеличение температуры фотосферы решит задачу увеличения светимости. Учитывая приблизительную пропорциональность размера и температуры фотосферы, то мощность излучения будет пропорциональна 6-й степени размера. P фотосфера ~ R6 Отношение мощностей ядра и фотосферы будет зависеть от отношения отражения зеркала к его поглощению. kз = P фотосфера/P ядро = (R кон/R нач)13...27 Которое в итоге определит увеличение мощности фотосферы P ф.кон./P ф.нач. = kз6/(13...27) и уменьшение мощности ядра P кон.кон./P кон.нач. = 1/kз(7...21)/(13...27) Если конечная температура фотосферы звезды до 3000 К, то для отражения можно использовать тонкое медное покрытие внутренней поверхности оболочки. До 5000 К наибольшее отражение будет иметь серебро, а при большей температуре - алюминий. Указанные металлы отражают приблизительно в 10...100 раз больше света, чем поглощают, при низкой температуре, что в несколько раз лучше, чем показано на картинке для комнатной температуры. Достаточно металла толщиной пары десятых долей микрона, чтобы он максимально отражал и не пропускал через себя свет на наружный полимерный слой, чтобы он от этого не разрушался. Например у ОК с начальной температурой 4500 К приблизительно в 206/15 = 3,3 раза увеличится мощность излучения с увеличением размера и температуры на ~22% до ~5500 К, а мощность ядра уменьшится в 209/15 = 6 раз с увеличением срока службы на порядок до трети триллиона лет ( больше трёхсот миллиардов лет ) за счёт конвекции всей звезды и следовательно вовлечения всего её вещества в ядерные реакции. Общие соображения по астроформингу По своей сути, астроформирование имеет совершенно конкретной целью создание условий для экономичного, стабильного и весьма длительного расхода энергии в звёздоподобном объекте, используемом в качестве основного источника энергии для окружающей его разумной цивилизации. Сама по себе целесообразность астроформинга имеет чрезвычайно жесткие рамки своего обоснования. И вот почему: астроформинг это в основном переброска гигантских масс вещества от одного небесного тела к другому или рассеяние неполезных масс тяжёлых элементов звездного вещества, затрудняющих стабильное пребывание звезды на главной последовательности. Также астроформинг это не нечто такое, что может стать широко распространенным в будущем. В самом деле, в случае терраформирования планет цивилизация должны будут столкнуться с переброской гигантских масс вещества ( астероиды ). В случае астроформинга количество потребного к транспортировке вещества возрастает на десятки порядков! Например, Солнце ежесекундно «теряет в весе» около 4.400.000 тонн вещества, а при астроформинге потребно транспортировать большие объемы вещества с подобной или большей производительностью. Так как одной, и самой важной проблемой астроформинга является обеспечение быстрой и устойчивой переброски колоссальных масс вещества на колоссальные расстояния в разумные временные промежутки, то совершенно ясно что для выполнения такой технологической задачи необходим принципиально новый подход, то есть принципиально новое средство для транспортировки вещества.  Астроформинг в пределах солнечной системы Солнечная система представляет собой наиболее интересную область пространства для практического внедрения технологий астроформирования, и тем более перспективную тем что материальных топливных ресурсов имеющихся в Солнечной системе вполне достаточно для поддержания жизни человеческой цивилизации в течение сотен миллиардов лет. В наше солнечной системе основным источником массы является центральная звезда – Солнце. Имеется также группа планет-гигантов которые способны послужить перспективными объектами для астроформинга, то есть стать зародышами искусственно созданных карликовых звезд, для которых вполне достаточно вещества имеющегося на Солнце. Само же Солнце, является самым перспективным объектом для астроформирования в Солнечной системе, так как регулируя его массу и химический состав можно увеличить сроки его стабильного пребывания на главной последовательности с 10 млрд. лет до нескольких сотен миллиардов лет, что существенно повышает время для существования и развития разнообразных форм жизни на окружающих его планетах обитаемой зоны. Помимо основных целей достигаемых с помощью астроформинга, при применении селективного отбора вещества могут быть также решаемы задачи добычи любых потребных количеств любых элементов Периодической системы, так как Солнце содержит в себе неисчерпаемые количества даже таких металлов как золото. Интересно что количества металлов имеющиеся на Солнце настолько огромны что в самой солнечной системе они могли бы обеспечить потребности развитой цивилизации на очень значительный по сравнению с сегодняшним возрастом вселенной период времени. Способы астроформинга Астроформирование Солнца Солнце — это ближайшая к Земле звезда и важнейший объект в нашей звездной системе, однако как давно известно «срок службы» нашего светила очень ограничен в большом масштабе, хотя с другой стороны этот временной промежуток настолько велик что способен восприниматься как вечность. И в самом деле, хотя само Солнце в настоящее время прожило почти половину своей жизни и по аналогии с человеком сравнимо с 33-летним возрастом, впереди у Солнца еще приблизительно 5,5 млрд. лет сравнительно стабильной и спокойной жизни. Этот отрезок времени в 5,5 млрд. лет действительно огромен. Так например жизнь вышла на сушу около 550 млн. лет назад и могла бы еще «выйти» десять раз из океанских глубин за оставшееся время пребывания Солнца на главной последовательности. Интересно, что 65 млн. лет назад вымершие на Земле динозавры могли бы «погибнуть» за оставшиеся 5,5 млрд. лет около 85 раз! Но… человек уже сейчас задумывается о будущем, и те оставшиеся 5,5 млрд. лет более или менее стабильной работы солнечного ядерного «котла» его уже не устраивают. Хочется больше! Вот для этого «больше» и придумано астроформирование, то есть искусственное продление жизни звезд или создание новых – рукотворных. Так согласно расчётам, при современной светимости ( мощности ) Солнца равной L = 10²⁶ Вт в его недрах ежесекундно образуется 10³⁸ ядер гелия. При «сгорании» массы водорода равной массе Солнца (2×10³³ грамм), может выделиться 1,3×10⁴⁵ Дж. Отсюда следует, что теряя энергию в нынешнем темпе, Солнце могло бы существовать в течение почти 100 млрд. лет. На самом деле продолжительность жизни Солнца меньше почти в 10 раз, так как «выгорает» лишь та часть водорода, которая находится центральных областях Солнца, где температуры достаточно высоки для протекания термоядерных реакций. Солнце как объект для астроформирования представляет наибольший практический интерес, так в настоящее время все научные данные собранные о составе и строении звезд ясно показывают состав и строение Солнца, и позволяют с очень высокой точностью предсказать его судьбу. Ясно также что при наличии необходимого оборудования станет возможным преобразовать химический состав Солнца. В частности при возможности «откачки» из Солнца значительной части гелия станет возможным при небольшом уменьшении массы Солнца существенно увеличить продолжительность жизни дневного светила в несколько раз. Очень важно отметить то обстоятельство что извлечение гигантских масс вещества не останется незаметным в масштабе Солнечной системы и повлияет на орбиты планет. Это должно строго учитываться при астроформировании Солнца. Сам отбор массы должен быть «растянут» на продолжительное время – то есть на миллионы лет. Естественно, что и само оборудование для астроформинга должно быть чрезвычайно надежным и пригодным к непрерывной работе в течение десятков и даже сотен миллионов лет. Важно отметить также что с удалением ненужного вещества из недр Солнца, удаляется не только вещество но и огромная тепловая энергия что также позволит существенно охладить очищаемые от гелия внутрисолнечные области. Метод ионных ветров Из иных способов преобразования Солнца предлагается «метод ионных ветров» - то есть специально сконструированные мощные ускорители, расположенные на гелиостационарной орбите, и предназначенные для воздействия на солнечную корону с целью «выдувания» солнечного вещества. Примечательно что сами ускорители предложено было питать самой же излучаемой Солнцем энергией. Данный способ при глубоком анализе оказался не только чрезвычайно материалоёмким и крайне ненадежным, но и чрезвычайно опасным. Опасность данного способа заключается в том что при уменьшении массы Солнца и худшем изменении его химического состава в сторону конструкции с большим содержанием гелия, в результате чего Солнце будет вынужденно стремительно ( более или менее в зависимости от мощности ускорительных установок ) перемещаться по главной последовательности в «область раздувания». То есть попросту говоря «метод ионных ветров» ускоренно подтолкнул бы наше светило к старению и превращению в красный гигант и затем в белый карлик, что совершенно неприемлемо. Если извлекаемое вещество сепарировать, отделяя от него протий, мы можем сбросить его через полюса на Солнце. Взаимодействие расширяющего основного тела Солнца и этого относительно холодного вещества приведет к тому, что гелий и другие тяжелые элементы начнут мигрировать к поверхности Солнца, откуда будут извлекаться. Метод сферы Дайсона Окружим Солнце малой сферой Дайсона  — радиусом в один миллион километров, а может даже и меньше. Излучение, кроме того, что идет на обитаемые планеты, пустим обратно на Солнце. Разогреваясь, оно начнёт расширятся. Так реакция слияния звезд сильно зависит от температуры. Для протон-протонных реакций, таких как на Солнце, скорость реакции измеряется с четвертой степенью температуры ( T4 ). Для других реакций, таких как цикл CNO, пропорциональность может достигать T20. Таким образом, повышение температуры звезды даже на небольшую величину ( например, с помощью отражающих солнечных парусов ) привело бы к значительному увеличению выходной мощности, что привело бы к гораздо более высокой равновесной температуре и, следовательно, светимости звезды. Приходящее от Солнца вещество мы сепарируем на: дейтерий + гелий – 3 ( мы складируем для нужд термоядерной энергетики после полного остывания Солнца ); тяжёлые элементы ( мы используем для строительства необходимых нам мегаконструкции ); водород ( протий ) и гелий – 4 мы складируем вне сферы Дайсона в двух торах. В этом торах они разгоняются до первой космической скорости относительно Солнца, но в противоположных направлениях. В случае выхода системы из строя падающие на солнце два тора предотвратят супервспышку. Избыточная часть энергии может быть использована для: переброски дейтерия, гелия – 3 и тяжелых элементов в необходимые нам точки пространства. Ускорительно-ядерной переработки смеси гелия – 4 + протий в смесь дейтерия + гелия – 3 ускорительного вброса в полюса Солнца протия с таким расчётом, чтобы он прорывался до центра Солнца, вытесняя оттуда гелий – 4: использование энергии для производства антивещества, что является его достоинством и недостатком. Достоинство в том, что процесс займет гораздо меньше времени; а недостаток в том, что и процесс выхода системы из равновесия будет проходить гораздо быстрее. Но у нас всегда есть способ останова этого процесса — излучение Солнца направляется не на него, а во вне его. Астроформирование планет-гигантов В солнечной системе есть семейство планет-гигантов: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Все они намного крупнее Земли, но впрочем все они своего рода «недозвезды» («субзвезды»). Юпитер и Сатурн среди них настоящие супергиганты, а вот Нептун и Уран и полегче значительно, и холоднее. Но все эти небесные тела солнечной системы — потенциальные кандидаты для астроформирования. Разумеется при наличии настоятельной необходимости. В настоящее время не известно нужно ли будет в будущем при наличии отработанных технологий превращать эти планеты в карликовые звёзды за счет наполнения их веществом отбираемым например у Солнца. Но представляет значительный интерес умозрительный эксперимент такого астроформирования, и вероятно компьютерное моделирование таких процессов. Юпитер например очень тяжелая планета состоящая преимущественно из водорода, но даже при своей массе ( 319 масс Земли ) она недостаточна для воспламенения в ее недрах термоядерных реакций. Для астроформинга Юпитера с превращением последнего в полноценную карликовую звезду его массу необходимо увеличить почти в 75 раз ( 0,075 массы Солнца ), так как будет достигнут предел начала термоядерного синтеза в ее недрах. С Сатурном дело обстоит немногим сложнее чем с Юпитером так как он легче последнего более чем в три раза ( 90 масс Земли ) и его массу соответственно нужно увеличить в 267 раз ( 0,075 массы Солнца ). Уран и Нептун могут послужить коллекторами массы отбираемой от Солнца или иных звезд при необходимости. В общем при превращении крупнейших планет-гигантов ( Юпитера и Сатурна ) в семейство карликовых звезд-спутников Солнца потребный расход звездной массы отобранной в наиболее оптимальном случае от самого Солнца составит около 15%. Это много, особенно если учесть что это приведет к глобальным изменениям орбит всех объектов Солнечной системы. Также следует учесть что процесс астроформинга самого Солнца потребует отбора большого количества гелия и масса нашего светила уменьшится не на 15% а порядка 30 — 40%. В целом астроформинг планет-гигантов хотя и будет возможен в будущем, но вряд ли окажется целесообразным так как созданные светила не будут окружены пригодными для жизни планетами ( если их специально не создадут ). В последнем случае системы Юпитера и Сатурна потенциально могли бы быть такими жизненесущими планетными системами так как обладают очень крупными спутниками орбиты которых потенциально могут быть скорректированы в новосозданных обитаемых зонах вокруг Юпитера и Сатурна. Ганимед, Каллисто, Европа и Титан обладают достаточно большими запасами воды и минералов для обеспечения жизни. Уран и Нептун в отношении их астроформинга совершенно бесперспективны, хотя они могут послужить для концентрирования гелия выкачиваемого из недр Солнца и подаваемого на поверхность этих планет. В случае переброски в дальние планеты водорода для превращения их в звезды в силу необходимости для этого колосального колличества вещества особой разницы нет с чего начинать — с Юпитера, Урана или с пустого места. Всё равно необходимо колосальное колличество вещества определяемое для необходимой звезды, а не начальной массой исходного тела. Коричневые карлики и газовые планеты-гиганты не достигают устойчивого термоядерного синтеза, поскольку они содержат недостаточную массу для гравитационного сжатия реагентов до степени, необходимой для инициирования реакции. Если бы можно было увеличить плотность звезды или планеты, можно было бы инициировать термоядерный синтез ( также теоретически предполагается, что концентрации изотопов водорода и гелия на определенных глубинах планеты-газового гиганта могут быть достаточными для поддержки цепной реакции синтеза, если для запуска реакции может быть выделено достаточно энергии. Если газовый гигант имеет слой с большой концентрацией дейтерия ( >0,3% ), сверхскоростное ( 2×10,7 м/с ) столкновение достаточно большого астероида или что более вероятно некого искусственного снаряда ( диаметром > 100 м ), который каким-то образом не сгорел в вышележащих слоях плотной атмосферы газового гиганта и при этом всё ещё сохранил очень большую скорость может вызвать термоядерную реакцию, однако это является довольно малоправдоподобным вариантом ). Один из таких методов заключается в том, чтобы "засеять" тело черной дырой. Хотя черная дыра изначально начнет поглощать тело, огромный выброс излучения, вызванный этим, будет сопротивляться притоку дальнейшего материала. Скорость безошибочного падения ограничена пределом Эддингтона, который показывает, что светимость результирующей звезды ( в ваттах ) будет равна примерно шестикратной её массе ( в килограммах ). Было высказано предположение, что черную дыру можно переместить в нужное положение, поместив астероид на орбиту вокруг черной дыры и используя массогенератор для направления в нее потока вещества. Это может быть использовано для перемещения черной дыры либо путём простого сохранения импульса, либо путем использования энергии, генерируемой в результате. Так Зубрин (1999) предполагал, что для создания температуры, подобной Земной, на планетах, близких к коричневому карлику, потребуется светимость в 1/10 000 от нашей собственной солнечной, что потребует черной дыры с массой 6,1 × 10²¹ килограммов ( около 8% массы нашей Луны ). Так после того как небольшая искусственная черная дыра, обычно имеющая массу примерно такую же, как астероид/карликовая планета Церера ( массой около 9e20 килограммов ), вводится в тело после некоторого периода времени ( обычно около столетия ), проведенного на орбите взад и вперед внутри тела, чёрная дыра более или менее останавливается в центре тела, где она начинает потреблять свою массу. Когда материал приближается к вращающейся с очень высокой скоростью чёрной дыре, он нагревается до огромных температур, и большое количество энергии излучается наружу. Излучение и давление частиц в результате этого процесса уравновешивают падение материала сердцевины до тех пор, пока не будет достигнуто установившееся равновесие. В отверстие попадает достаточное количество материала, чтобы процесс продолжался, но вырабатываемая лучистая энергия ограничивает количество падающего материала до довольно постоянного уровня. Когда энергия от процессов излучается наружу, звезда, газовый гигант или коричневый карлик начинают светиться и излучать тепло в окружающее пространство, обеспечивая как освещение, так и тепло. По мере того, как чёрная дыра поглощает все больше и больше ядра, процесс потребления и выработки энергии ускоряется до тех пор, пока в конечном итоге ( десятки или сотни миллионов лет спустя ) производимая лучистая энергия не превысит безопасные уровни, и нам не придётся использовать методы демонтажа звезд, чтобы остановить процесс и извлечь чёрную дыру, чтобы она не продолжила нагревать новоявленную звезду всё сильнее и сильнее, в конце концов приведя к масштабному взрыву при окончательном испарении чёрной дыры. Если же предположить существование монополий и возможность создания основанного на них конверсионного или преобразовательного двигателя или реактора мы могли бы направить составляющее планету вещество в сеть из миллионов микроскопических конверсионных реакторов, покрывающих поверхности некой огромной и вероятно объёмной, фрактально разветвленной конструкции, где оно должно будет преобразоваться в энергию, которая должна будет излучаться наружу, превращая большую часть окружающего планетарного материала в плазму. Однако вместо того, чтобы полностью зависеть от гравитационных и орбитальных сил при перемещении внутрь целевого тела, преобразовательная рама способна опускаться контролируемым образом. Открывая и закрывая множество "лепестков", составляющих его структуру, он может изменять площадь своей поверхности и в некоторой степени количество и направление реакций, которые он катализирует в окружающей среде. Таким образом, он способен достичь центра целевого тела за считанные часы или дни, а не за годы, обычно связанные с двигателем сингулярного типа. Достигнув места назначения в ядре, преобразовательная рама продолжает функционировать как интеллектуальная структура, постоянно контролируя ядро планеты и изменяя его форму, чтобы обеспечить оптимизированную `псевдозвездную" среду. Таким образом, он устраняет вспышки или события дестабилизации ядра, что не устраняется при использовании предыдущего варианта с чёрной дырой. На самом продвинутом уровне преобразовательная система может обеспечить управление своей работой в режиме "реального времени", связываясь с внешним миром с помощью модулированных нейтринных пучков ( назеров ). Используя этот метод, всего за несколько столетий можно "уменьшить" яркость звездообразного тела до такой степени, что она будет едва светить в видимой или иной другой части электромагнитного спектра, или наоборот "увеличить" её светимость до такой степени, что оно окажется в несколько раз ярче обычной звезды. Последний метод обычно используется только для крупных промышленных операций вплоть до демонтажа всей массы планеты ( новоявленной звезды ).