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    可以生活在戴森壳外表面?戴森球“迭代”!

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      科学家认为先进的外星文明会在恒星周围建造巨大的太阳能电池板群,也就是所谓的“戴森球”,用于收集恒星的能量。戴森球共有戴森云戴森泡戴森壳三大版本,其中尤以戴森壳最为引人注目,因为它能够百分百地收集恒星释放的能量。戴森壳不仅让先进文明拥有近乎无限的能源供应,同时还能让它们拥有一个巨大的生物圈。

      可以生活在戴森壳外表面?戴森球“迭代”!

      艺术概念图,戴森壳正在建造之中

      也许任何一个科幻迷都不会对戴森球感到陌生:戴森球是用于收集太阳能的巨型结构,包括戴森云、戴森泡和戴森壳在内的三大版本。在这些版本中,戴森壳最为引人注目,因为它将恒星“封装”在一个由超坚固光伏材料制成的不透明球中,能够百分百地收集恒星释放的能量。戴森壳不仅让先进文明拥有近乎无限的能源供应,同时还能让它们拥有一个巨大的生物圈,面积是任何多岩行星生物圈的数百万倍。科幻作品中存在各式各样的戴森球,在搜寻地外先进文明的道路上,科学家也将目光投向戴森球。

      可以生活在戴森壳外表面?戴森球“迭代”!

      戴森球的所有类型,包括戴森云、戴森泡和戴森壳(戴森环是戴森云的单环版)

      在遥远的未来,人类有可能建造出环绕太阳的戴森云或者戴森泡,但传统戴森球在技术上仍不具有可能性,原因就在于它们的庞大体积,令人抓狂的动力学特征以及对超坚固材料的依赖。对于任何一个希望在宇宙中不断扩张的先进文明,收割恒星的全部“输入”无疑是一个诱人的想法。鉴于最近的恒星也在数光年之外,先进文明就有必要以另一种方法建造戴森壳,一种尽管要激进得多,但也要简单得多的方式。

      打造一个传统戴森壳很费劲:它要建在一个文明的母星周围,位置处在母星的适居区。以太阳为例,这个距离为1个天文单位左右。即使耗光太阳系的所有固态材料,包括巨行星的核心,所建造的戴森壳的厚度也只有48厘米左右。鉴于其直径达到数亿公里,这个厚度微乎其微。传统戴森壳要以惊人的速度环绕恒星运行,以产生人造重力,对内部的一切施加离心力。太阳周围一个半径1天文单位的戴森壳需要达到每秒1200公里的速度(光速的0.4%)才能产生我们在地球上感受到的重力加速度。对于一个厚度48厘米的壳,这一速度将让材料的应力达到10的20次方帕斯卡,相当于钻石硬度的17亿倍。

      可以生活在戴森壳外表面?戴森球“迭代”!

      传统戴森壳(左)和非旋转戴森壳(右)

      虽然传统戴森壳在技术上不具有可行性,但另一种形式的戴森壳并非不可能,即非旋转戴森壳或者说戴森壳2.0。2.0版是传统戴森壳的绝大多数技术难题的解决方案。在设计上,非旋转戴森壳与传统版本非常相似,都是一个巨大而坚固的球,完全包裹恒星,以收割恒星的能量。所不同的是,传统戴森壳通过旋转产生重力,非旋转戴森壳则利用母星的质量作为重力来源。戴森壳2.0的直径远远小于传统版,所受到的恒星引力与家园行星相同。这意味着如果一个文明建造出非旋转戴森壳,居民可以生活在戴森壳的外表面

      可以生活在戴森壳外表面?戴森球“迭代”!

      环绕恒星的戴森球,利用六边形卫星收割恒星能量

      通过这种设计,一个先进文明可以在使用相同数量材料情况下,大幅提高戴森壳的厚度,同时无需打造一种在物理学上几乎不可能的超坚固材料。将太阳系的内侧多岩行星打碎并制成建筑材料,人类可以在太阳周围建造一个50米厚的非旋转戴森壳,同时让戴森壳的引力与地球相同。这个壳的半径在370万公里左右,是水日距离的十六分之一,帕克探测器2025年近日点的近两分之一。

      与传统戴森壳不同,非旋转戴森壳受到的唯一应力就只有太阳引力,因此不会对建筑材料提出极端要求。50米的厚度要求建筑材料的强度达到2万吉帕左右,只有石墨烯的20倍。建造这个巨型建筑并不需要数百年,甚至数千年之久,因此并非一项不可能完成的挑战。

      可以生活在戴森壳外表面?戴森球“迭代”!

      《星际迷航:下一代》中的戴森壳

      为了生活在戴森壳上,外表面需要建造行星大小的碗形结构,能够容纳来自地球的各种生物圈。此外,还要为人类准确几个碗形结构。这些“碗”会装入可呼吸的大气、液态水和生物,来自底部的引力会将这些留在“碗”内。各个野生动植物生物圈会像国家公园一样,彼此间互不往来。人类则继续在“发达”生物圈内迅速扩张。所有生物圈通过一个巨大的交通系统相连。这个系统像血管一样穿过戴森壳内部。

      戴森壳2.0面临的最大挑战包括:生物圈缺少阳光;表面承受极端热量和引力不稳定。由于生物圈需要建在戴森壳外部,物种无法获得自然光照。这个问题可通过两种方式解决——人造照明或者反射阳光。

      可以生活在戴森壳外表面?戴森球“迭代”!

      非旋转戴森壳内的生物圈

      由于距太阳很近,戴森壳2.0的居民要承受来自底部的高温考验。与帕克探测器不同,戴森壳的内部不会将热量反射到太空,而是留在体内。这会破坏母星周围的辐射温度梯度,可能导致母星膨胀,直至核心无法继续核聚变或者摧毁戴森壳。此外,让戴森壳的内部具有反射性也违背建造戴森壳的初衷。为了解决这个温度,生物圈的底部可以采用隔热材料,让不需要的热量在周围流动,最后进入太空。此外,一个采用巨型散热器的主动冷却系统也有助于缓解这个问题。

      由于设计本身的特性,非旋转戴森壳会出现引力不稳定。理论上,只有质心与太阳完全一致,这个结构的引力才会稳定。然而,一旦被外部因素扰乱,例如微型小行星撞击或者与遥远的气态行星发生交互,便会动摇整个结构,导致戴森壳坠落太阳。因此,需要部署一个先进的主动控制系统,利用强大的助推器保持引力稳定。

      可以生活在戴森壳外表面?戴森球“迭代”!

      先进的外星文明可能利用戴森球收集母星的能量

      两种类型的戴森壳都面临各种严峻挑战。无论是传统版还是非旋转版,都需要一个极为先进的建造流程。首先,我们要将整颗行星粉碎,将其转化成超级坚固且能够收集太阳能的建筑材料。两种戴森壳的建造都需要具备能量输送方面的惊人学识,要领先现在无数个世代。此外,建造者还需要对轨道动力学、太空和可操作环境有着极为深刻的认知。建造戴森壳,无论是非旋转版还是传统版,都是一项令人敬畏的工程学和科学奇迹。

      可以生活在戴森壳外表面?戴森球“迭代”!

      《星际迷航:下一代》中传统戴森壳的内部景象

      对于一个快速发展,谋求在宇宙中扩张的先进文明,戴森壳2.0可能是效率最高的能量收集方式。建造这样的巨型建筑绝不会一帆风顺,但有一点是确定的,所有生命都必须积极面对并战胜挑战。太阳是距我们最近的恒星,人类也是刚刚开始收集太阳能。太阳在1秒钟内释放的能量足以满足人类社会一周的能源需求。太阳的这种能量输出还将持续50亿年之久。随着人类的触角不断在太空中延伸,我们需要竭尽所能地收集太阳能,以满足不断提高的能源需求,如果“舍近求远”,那就太愚蠢了。

      作者:布兰登·维格尔

      译者:牛树军

      转自:腾讯太空(qqtaikong)

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