Esfera Dyson

3D rendering of a Dyson sphere utilizing large, orbiting panels

Una esfera de Dyson es una megaestructura hipotética que abarca completamente una estrella y captura un gran porcentaje de su producción de energía solar. El concepto es un experimento mental que intenta explicar cómo una civilización espacial cumpliría con sus requisitos de energía una vez que esos requisitos excedan lo que se puede generar solo con los recursos del planeta de origen. Debido a que solo una pequeña fracción de las emisiones de energía de una estrella llega a la superficie de cualquier planeta en órbita, la construcción de estructuras que rodeen una estrella permitiría a una civilización recolectar mucha más energía.

La primera descripción contemporánea de la estructura fue realizada por Olaf Stapledon en su novela de ciencia ficción Star Maker (1937), en la que describía "todos los sistemas solares... rodeados por una gasa de trampas de luz, que enfocaban la energía solar que se escapaba para un uso inteligente". El concepto fue posteriormente popularizado por Freeman Dyson en su artículo de 1960 'Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation'. Dyson especuló que tales estructuras serían la consecuencia lógica de las crecientes necesidades energéticas de una civilización tecnológica y serían una necesidad para su supervivencia a largo plazo. Propuso que la búsqueda de tales estructuras podría conducir a la detección de vida extraterrestre avanzada e inteligente. Los diferentes tipos de esferas de Dyson y su capacidad de recolección de energía corresponderían a niveles de avance tecnológico en la escala de Kardashev.

Desde entonces, se han propuesto otras variantes de diseño que involucran la construcción de una estructura artificial o una serie de estructuras para abarcar una estrella en la ingeniería exploratoria o se han descrito en la ciencia ficción con el nombre de "esfera de Dyson". Estas propuestas posteriores no se han limitado a las estaciones de energía solar, y muchas involucran elementos habitacionales o industriales. La mayoría de las representaciones ficticias describen una capa sólida de materia que encierra una estrella, que el propio Dyson consideró la variante menos plausible de la idea. En mayo de 2013, en el Simposio Starship Century en San Diego, Dyson repitió sus comentarios de que deseaba que el concepto no llevara su nombre.

Origen del concepto

Freeman Dyson en 2005

El concepto de la esfera de Dyson fue el resultado de un experimento mental del físico y matemático Freeman Dyson, cuando teorizó que todas las civilizaciones tecnológicas aumentaban constantemente su demanda de energía. Él razonó que si la civilización humana expandía las demandas de energía durante el tiempo suficiente, llegaría un momento en que exigiría la producción de energía total del Sol. Propuso un sistema de estructuras en órbita (al que se refirió inicialmente como un caparazón) diseñado para interceptar y recolectar toda la energía producida por el Sol. La propuesta de Dyson no detalló cómo se construiría dicho sistema, sino que se centró únicamente en cuestiones de recolección de energía, sobre la base de que dicha estructura podría distinguirse por su espectro de emisión inusual en comparación con una estrella. A su artículo de 1960 'Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation', publicado en la revista Science, se le atribuye ser el primero en formalizar el concepto de la esfera de Dyson.

Sin embargo, Dyson no fue el primero en proponer esta idea. Se inspiró en la novela de ciencia ficción de 1937 Star Maker, de Olaf Stapledon, y posiblemente en las obras de J. D. Bernal.

Viabilidad

Aunque tales megaestructuras son teóricamente posibles, la construcción de un sistema estable de esfera Dyson actualmente está mucho más allá de la capacidad de ingeniería de la humanidad. La cantidad de naves necesarias para obtener, transmitir y mantener una esfera Dyson completa supera las capacidades industriales actuales. George Dvorsky ha defendido el uso de robots autorreplicantes para superar esta limitación en un plazo relativamente corto. Algunos han sugerido que tales hábitats podrían construirse alrededor de enanas blancas e incluso púlsares.

Variantes

En los relatos ficticios, el concepto de la esfera de Dyson suele interpretarse como una esfera de materia artificial y hueca alrededor de una estrella. Esta percepción se basa en una interpretación literal del breve artículo original de Dyson que presenta el concepto. En respuesta a las cartas solicitadas por algunos documentos, Dyson respondió: "Una capa sólida o un anillo que rodea una estrella es mecánicamente imposible". La forma de 'biosfera' que imaginé consiste en una colección suelta o enjambre de objetos que viajan en órbitas independientes alrededor de la estrella.

Enjambre Dyson

A Anillo Dyson—la forma más simple del enjambre de Dyson— a escala. Orbit es 1 UA en radio, los coleccionistas son 1.0×10⁷ km de diámetro (10 Gm o ♥25 veces la distancia entre la Tierra y la Luna), espació 3 grados de centro a centro alrededor del círculo orbital.

Un arreglo relativamente simple de varios anillos de Dyson del tipo que figura arriba, para formar un enjambre Dyson más complejo. Los radios orbitales de anillos son espaciales 1.5×10⁷ km con respecto al otro, pero el radio orbital promedio sigue siendo 1 UA. Los anillos se giran 15 grados en relación entre sí, alrededor de un eje común de rotación.

La variante más cercana a la concepción original de Dyson es el "enjambre de Dyson". Consiste en una gran cantidad de construcciones independientes (generalmente satélites de energía solar y hábitats espaciales) que orbitan en una formación densa alrededor de la estrella. Este enfoque de construcción tiene ventajas: los componentes se pueden dimensionar adecuadamente y se pueden construir de forma incremental. Se podrían usar varias formas de transferencia de energía inalámbrica para transferir energía entre los componentes del enjambre y un planeta.

Las desventajas resultantes de la naturaleza de la mecánica orbital harían que la disposición de las órbitas del enjambre fuera extremadamente compleja. La disposición más simple es el anillo de Dyson, en el que todas estas estructuras comparten la misma órbita. Los patrones más complejos con más anillos interceptarían más de la salida de la estrella, pero darían como resultado que algunas construcciones eclipsaran a otras periódicamente cuando sus órbitas se superponen. Otro problema potencial es que la creciente pérdida de estabilidad orbital al agregar más elementos aumenta la probabilidad de perturbaciones orbitales.

Tal nube de colectores alteraría la luz emitida por el sistema estelar (ver más abajo). Sin embargo, la interrupción en comparación con el espectro emitido natural general de una estrella probablemente sería demasiado pequeña para que la observaran los astrónomos terrestres.

Burbuja Dyson

A burbuja Dyson: un arreglo de estatitas alrededor de una estrella, en un patrón no orbital. Mientras un satélite tenga una línea de visión sin obstáculos a su estrella, puede hover en cualquier punto del espacio cerca de su estrella. Este arreglo relativamente simple es sólo uno de un número infinito de posibles configuraciones estatitas, y se entiende como un contraste para un enjambre Dyson solamente. Las estatitas se imaginan como el mismo tamaño que los coleccionistas de arriba, y arreglados a una distancia uniforme 1 UA de la estrella.

Un segundo tipo de esfera Dyson es la "burbuja Dyson". Sería similar a un enjambre de Dyson, compuesto por muchas construcciones independientes y, del mismo modo, podría construirse de forma incremental.

A diferencia del enjambre de Dyson, las construcciones que lo componen no están en órbita alrededor de la estrella, sino que serían estatitas: satélites suspendidos mediante el uso de velas de luz enormes que usan presión de radiación para contrarrestar la atracción de la gravedad de la estrella. Tales construcciones no estarían en peligro de colisión o de eclipsarse entre sí; serían totalmente estacionarios con respecto a la estrella e independientes entre sí. Debido a que la relación entre la presión de radiación y la fuerza de gravedad de una estrella es constante independientemente de la distancia (siempre que el satélite tenga una línea de visión sin obstrucciones hacia la superficie de su estrella), dichos satélites también podrían variar su distancia desde su centro. estrella.

La practicidad de este enfoque es cuestionable con la ciencia material moderna, pero aún no se puede descartar. Un satélite 100% reflectante desplegado alrededor del Sol necesitaría tener una densidad total de 0,78 gramos por metro cuadrado de vela. Para ilustrar la baja masa de los materiales necesarios, considere que la masa total de una burbuja de dicho material de 1 AU de radio sería de aproximadamente 2,17×10²⁰ kg, que tiene aproximadamente la misma masa que el asteroide Palas. Otro ejemplo: el papel de impresión normal tiene una densidad de alrededor de 80 g/m².

Tal material aún no se ha producido en forma de vela ligera funcional. El material de vela ligera de fibra de carbono más liviano que se produce actualmente tiene una densidad, sin carga útil, de 3 g/m², o aproximadamente cuatro veces más pesado que lo que se necesitaría para construir una estatita solar.

Una sola hoja de grafeno, la forma bidimensional del carbono, tiene una densidad de solo 0,37 mg por metro cuadrado, lo que hace que una sola hoja de grafeno sea posiblemente eficaz como una vela solar. Sin embargo, a partir de 2015, el grafeno no se ha fabricado en láminas grandes y tiene una tasa relativamente alta de absorción de radiación, alrededor del 2,3% (es decir, todavía se transmitirá alrededor del 97,7%). Para frecuencias en el rango de GHz superior e inferior de THz, la tasa de absorción es tan alta como 50-100% debido al sesgo de voltaje y/o al dopaje.

Los nanotubos de carbono ultraligeros entrelazados mediante técnicas de fabricación molecular tienen densidades de entre 1,3 g/m² y 1,4 g/m². Para cuando una civilización esté lista para usar esta tecnología, la fabricación de nanotubos de carbono podría estar lo suficientemente optimizada para que tengan una densidad inferior a los 0,7 g/m² necesarios, y el promedio la densidad de la vela con aparejo puede mantenerse en 0,3 g/m² (una vela ligera "estabilizada por giro" requiere una masa adicional mínima en el aparejo). Si se pudiera construir una vela de este tipo con esta densidad de área, un hábitat espacial del tamaño del cilindro de O'Neill propuesto por la Sociedad L5: 500 km², con espacio para más de 1 millón habitantes, con una masa de 2,72×10⁹ kg (3×10⁶ toneladas)—podría ser sostenida por una vela ligera circular de 3000 km de diámetro, con una masa combinada de vela/hábitat de 5,4×10⁹ kg. A modo de comparación, esto es solo un poco más pequeño que el diámetro de la luna Europa de Júpiter (aunque la vela es un disco plano, no una esfera), o la distancia entre San Francisco y Kansas City. Sin embargo, tal estructura tendría una masa mucho menor que la de muchos asteroides. Aunque la construcción de una statita habitable tan masiva sería una empresa gigantesca, y la ciencia de materiales requerida detrás de ella está en una etapa temprana, hay otras hazañas de ingeniería y materiales requeridos propuestos en otras variantes de la esfera de Dyson.

En teoría, si se crearan y desplegaran suficientes satélites alrededor de su estrella, compondrían una versión no rígida del caparazón de Dyson que se menciona a continuación. Un armazón de este tipo no sufriría los inconvenientes de una presión de compresión masiva, ni los requisitos de masa de un armazón de este tipo son tan altos como los de la forma rígida. Sin embargo, dicho caparazón tendría las mismas propiedades ópticas y térmicas que la forma rígida, y los buscadores lo detectarían de manera similar (ver más abajo).

Carcasa Dyson

Un diagrama cortado de una concha idealizada Dyson, una variante en el concepto original de Dyson, con un radio de 1 UA

La variante de la esfera de Dyson representada con mayor frecuencia en la ficción es la 'capa de Dyson': una capa sólida uniforme de materia alrededor de la estrella. Tal estructura alteraría completamente las emisiones de la estrella central e interceptaría el 100% de la producción de energía de la estrella. Tal estructura también proporcionaría una superficie inmensa que muchos imaginan que se usaría para vivienda, si la superficie pudiera hacerse habitable.

Una esfera de capa esférica de Dyson en el Sistema Solar con un radio de una unidad astronómica, de modo que la superficie interior recibiría la misma cantidad de luz solar que la Tierra por unidad de ángulo sólido, tendría un área de superficie de aproximadamente 2,8×10¹⁷ km² (1.1× 10¹⁷ sq mi), o alrededor de 550 millones de veces la superficie de la Tierra. Esto interceptaría los 384,6 yottavatios completos (3,846 × 10²⁶ vatios) de la salida del Sol. Los diseños sin caparazón interceptarían menos, pero la variante de caparazón representa la máxima energía posible capturada por el Sistema Solar en este punto de la evolución del Sol. Esto es aproximadamente 33 billones de veces el consumo de energía de la humanidad en 1998, que fue de 12 teravatios.

Hay varias dificultades teóricas serias con la variante de cubierta sólida de la esfera de Dyson:

Tal caparazón no tendría una interacción gravitatoria neta con su estrella englobada (ver el teorema del caparazón) y podría derivar en relación con la estrella central. Si tales movimientos no se corrigieran, eventualmente podrían resultar en una colisión entre la esfera y la estrella, muy probablemente con resultados desastrosos. Tales estructuras necesitarían alguna forma de propulsión para contrarrestar cualquier deriva, o alguna forma de repeler la superficie de la esfera lejos de la estrella.

Por la misma razón, tal caparazón no tendría una interacción gravitatoria neta con cualquier otra cosa dentro de él. El contenido de cualquier biosfera colocada en la superficie interna de un caparazón de Dyson no sería atraído por la superficie de la esfera y simplemente caería en la estrella. Se ha propuesto que una biosfera podría estar contenida entre dos esferas concéntricas, colocadas en el interior de una esfera giratoria (en cuyo caso, la fuerza de la 'gravedad' artificial es perpendicular al eje de rotación, provocando todo materia colocada en el interior de la esfera para que se acumule alrededor del ecuador, convirtiendo efectivamente a la esfera en un anillo de Niven con el propósito de habitar, pero todavía completamente efectivo como un colector de energía radiante) o colocada en el exterior de la esfera donde se mantendría en su lugar por la gravedad de la estrella. En tales casos, habría que idear alguna forma de iluminación, o hacer la esfera al menos parcialmente transparente, porque de lo contrario la luz de la estrella estaría completamente oculta.

Si se supone un radio de 1 AU, la resistencia a la compresión del material que forma la esfera tendría que ser inmensa para evitar la implosión debido a la gravedad de la estrella. Cualquier punto seleccionado arbitrariamente en la superficie de la esfera puede verse bajo la presión de la base de una cúpula de 1 UA de altura bajo la gravedad del Sol a esa distancia. De hecho, puede verse como si estuviera en la base de un número infinito de cúpulas arbitrariamente seleccionadas, pero debido a que gran parte de la fuerza de cualquier cúpula arbitraria es contrarrestada por la de otra, la fuerza neta en ese punto es inmensa, pero finita. Ningún material conocido o teorizado es lo suficientemente fuerte para soportar esta presión y formar una esfera rígida y estática alrededor de una estrella. Paul Birch ha propuesto (en relación con las construcciones más pequeñas de 'Supra-Júpiter' alrededor de un planeta grande en lugar de una estrella) que puede ser posible sostener un caparazón Dyson por medios dinámicos similares a los utilizados en una fuente espacial. Las masas que viajan en pistas circulares en el interior de la esfera, a velocidades significativamente mayores que la velocidad orbital, presionarían hacia afuera sobre cojinetes magnéticos debido a la fuerza centrífuga. Para una capa de Dyson de 1 AU de radio alrededor de una estrella con la misma masa que el Sol, una masa que viaja diez veces la velocidad orbital (297,9 km/s) soportaría 99 (a = v²/r) multiplicada por su propia masa en estructura de capa adicional.

Además, si se asume un radio de 1 AU, es posible que no haya suficiente material de construcción en el Sistema Solar para construir una carcasa Dyson. Anders Sandberg estima que hay 1,82×10 ²⁶ kg de material de construcción fácilmente utilizable en el Sistema Solar, suficiente para un caparazón de 1 AU con una masa de 600 kg/m², aproximadamente 8– 20 cm de espesor en promedio, dependiendo de la densidad del material. Esto incluye los núcleos de difícil acceso de los gigantes gaseosos; los planetas interiores por sí solos proporcionan solo 11,79×10 ²⁴ kg, suficiente para un proyectil de 1 AU con una masa de solo 42 kg/m².

El caparazón sería vulnerable a los impactos de cuerpos interestelares, como cometas, meteoritos y material en el espacio interestelar que actualmente está siendo desviado por el arco de choque del Sol. La heliosfera, y cualquier protección que teóricamente brinde, dejaría de existir.

Otros tipos

Red Dyson

Otra posibilidad es la "red Dyson", una red de cables tendidos alrededor de la estrella que podría tener unidades de recolección de energía o calor tendidas entre los cables. Sin embargo, la red Dyson se reduce a un caso especial de capa o burbuja Dyson, dependiendo de cómo se apoyen los cables contra la gravedad del sol.

Mundo burbuja

Un mundo burbuja es una construcción artificial que consiste en una capa de espacio vital alrededor de una esfera de gas hidrógeno. El caparazón contiene aire, personas, casas, muebles, etc. La idea se concibió para responder a la pregunta: "¿Cuál es la colonia espacial más grande que se puede construir?" Sin embargo, la mayor parte del volumen no es habitable y no hay fuente de energía.

Teóricamente, cualquier gigante gaseoso podría estar encerrado en una capa sólida; en un cierto radio, la gravedad de la superficie sería terrestre y la energía podría obtenerse aprovechando la energía térmica del planeta. Este concepto se explora periféricamente en la novela Accelerando (y el cuento Curator, que se incorpora a la novela como un capítulo) de Charles Stross, en el que Saturno se convierte en un mundo habitable para los humanos.

Motor estelar

Los motores estelares son una clase de megaestructuras hipotéticas cuyo propósito es extraer energía útil de una estrella, a veces para propósitos específicos. Por ejemplo, los cerebros Matrioshka extraen energía con fines de cálculo; Los propulsores Shkadov extraen energía con fines de propulsión. Algunos de los diseños de motores estelares propuestos se basan en la esfera de Dyson.

Un agujero negro podría ser la fuente de energía en lugar de una estrella para aumentar la eficiencia de conversión de materia en energía. Un agujero negro también sería más pequeño que una estrella. Esto disminuiría las distancias de comunicación que serían importantes para sociedades basadas en computadoras como las descritas anteriormente.

Anillo Niven

Un Niven Ring o ringworld es una estructura sólida en forma de cinturón que rodea una estrella como lo haría un Dyson Ring. Fue imaginado por el autor Larry Niven para su novela Ringworld y sus secuelas.

Buscar megaestructuras

En el artículo original de Dyson, este especuló que las civilizaciones extraterrestres lo suficientemente avanzadas probablemente seguirían un patrón de consumo de energía similar al de los humanos, y eventualmente construirían su propia esfera de colectores. La construcción de tal sistema haría de tal civilización una civilización Kardashev Tipo II.

La existencia de tal sistema de colectores alteraría la luz emitida por el sistema estelar. Los colectores absorberían y volverían a irradiar energía de la estrella. La(s) longitud(es) de onda de la radiación emitida por los colectores estaría(n) determinada(s) por los espectros de emisión de las sustancias que los componen y la temperatura de los colectores. Debido a que parece más probable que estos colectores estén formados por elementos pesados que normalmente no se encuentran en los espectros de emisión de su estrella central, habría longitudes de onda de luz atípicas para el tipo espectral de la estrella. Si el porcentaje de la salida de la estrella así filtrada o transformada por esta absorción y re-radiación fuera significativa, podría detectarse a distancias interestelares.

Dada la cantidad de energía disponible por metro cuadrado a una distancia de 1 UA del Sol, es posible calcular que la mayoría de las sustancias conocidas estarían reirradiando energía en la parte infrarroja del espectro electromagnético. Por lo tanto, una esfera de Dyson, construida por formas de vida no muy diferentes a los humanos, que vivían en las proximidades de una estrella similar al Sol, hecha con materiales similares a los disponibles para los humanos, muy probablemente causaría un aumento en la cantidad de radiación infrarroja en el espectro emitido por el sistema estelar. Por lo tanto, Dyson seleccionó el título "Búsqueda de fuentes estelares artificiales de radiación infrarroja" por su artículo publicado.

SETI ha adoptado estas suposiciones en su búsqueda, buscando tales "infrarrojos pesados" espectros de análogos solares. A partir de 2005, Fermilab tiene una encuesta en curso para tales espectros mediante el análisis de datos del Satélite Astronómico Infrarrojo (IRAS). Identificar una de las muchas fuentes infrarrojas como una esfera Dyson requeriría técnicas mejoradas para discriminar entre una esfera Dyson y fuentes naturales. Fermilab descubrió 17 posibles "ambiguas" candidatos, de los cuales cuatro han sido nombrados "divertidos pero aún cuestionables". Otras búsquedas también dieron como resultado varios candidatos, que, sin embargo, no están confirmados.

El 14 de octubre de 2015, Planet Hunters' Científicos ciudadanos descubrieron fluctuaciones de luz inusuales de la estrella KIC 8462852, capturadas por el Telescopio Espacial Kepler. La estrella fue apodada "Tabby's Star" después de Tabetha S. Boyajian, autora principal del estudio inicial. El fenómeno generó especulaciones de que se pudo haber descubierto una esfera de Dyson. Un análisis adicional basado en datos hasta finales de 2017 mostró una atenuación dependiente de la longitud de onda consistente con el polvo, pero no con un objeto opaco como una megaestructura alienígena, que bloquearía todas las longitudes de onda de la luz por igual.

Ficción

La esfera de Dyson se originó en la ficción y es un concepto que ha aparecido con frecuencia en la ciencia ficción desde entonces. En los relatos ficticios, las esferas de Dyson se representan con mayor frecuencia como un caparazón de Dyson con las dificultades gravitatorias y de ingeniería de esta variante mencionada anteriormente ignoradas en gran medida.