Wäre die Hawking-Strahlung eines kleinen Schwarzen Lochs eine brauchbare Antriebsquelle?

JDługosz hat das großartig beantwortet, mit Zahlen und allem. Und die Frage wurde von mindestens zwei Wissenschaftlern geprüft, nämlich Crane & Westmooreland – ihr Artikel kann hier in arxiv gefunden werden .

Enthält das schwarze Loch:

Wenn es darum geht, es sicher einzudämmen, nun, ich, die Autoren des oben genannten Artikels, kamen zu dem Schluss, dass sich ein BH selbst einschränkt. Alles, was getan werden muss, ist, eine Kollision mit ihm zu vermeiden. Ich würde sagen, es ist eine ziemlich distanzierte Art, das Problem anzugehen, aber andererseits war es vielleicht ein Kinderspiel, und ich bin der einzige Leser, der sich eine eingehendere Erklärung dieser Facette des Problems wünscht.

Das schwarze Loch füttern:

Sie müssen überhaupt nicht gefüttert werden, um effizient zu sein. Wenn dies der Fall wäre, wären sie wahrscheinlich als Antriebsmethoden nicht durchführbar (es ist sehr wahrscheinlich, dass sie sowieso nicht durchführbar sind, aber aus anderen Gründen als dem Fütterungsproblem). Ein Schwarzes Loch mit einem Radius von 0,9 Attometern (10 hoch minus 18) mit Eisen zu füttern, wäre schwierig, da der BH höchstwahrscheinlich direkt durch die Eisenstange sausen würde. Der durchschnittliche Abstand zwischen gebundenen Eisenatomen beträgt 0,7 Pikometer (10 hoch minus 12), was bedeutet, dass wir eine Million BHs in den Abstand zwischen zwei Eisenatomen in einem Stück massivem Eisen einbauen könnten. Das Fütterungsverfahren würde den Begriff Mikromanagement auf eine ganz neue Ebene heben.

Größe(n) des/der Schwarzen Loch(s):

Welche Größe(n) des Schwarzen Lochs/der Schwarzen Löcher wären möglich? Laut Crane & Westmoreland gibt es einen Sweet Spot - und das ist ein BH, der groß genug ist, um zu existieren und das Schiff während der gesamten Reise beschleunigen / verzögern zu können. Allerdings nicht größer als nötig, da BH Hawking-Strahlung in umgekehrtem Verhältnis zu ihrer Größe abgeben, wie von JDługosz erwähnt. Ein größeres Loch gibt Ihnen weniger Energieabgabe. Der Radius von 0,9 Attometern, den ich als Beispiel verwendet habe, war keine Zufallszahl, sondern ein Radius, der bedeuten würde, dass der BH während 3,5 Jahren bestehen würde. Das ist die relativistische Zeit, die eine einfache Fahrt von der Erde nach Alpha Centauri (ca. 4 Meilen entfernt) dauern würde, dh das wäre die von den Uhren an Bord des Schiffes gemessene Reisedauer, wenn das Schiff beschleunigen würde bei 1 g für die halbe Reise,

Kleinere BHs wären nützlich für schnelle Beschleunigungen von Sonden oder Raketen. Größere BHs wären für längere Reisen nützlich. Also ja, es gibt "Sweet Spots", wenn es um die Größe eines BH geht, wenn er für den Antrieb verwendet wird. Diese Größen hängen von der Länge der Reise, der Masse des Schiffes usw. ab.

Aber zu große BHs, und die Zeit, die benötigt wird, um genügend Energie zu erzeugen, um die Masse des BHs selbst zu beschleunigen, wäre sehr lang. Weitere Informationen finden Sie in der Tabelle und den im Artikel erläuterten Beispielen.

Fazit:

Angesichts der Größe der vorgeschlagenen BHs könnten wir Quanteneffekte höchstwahrscheinlich nicht ignorieren. Und angesichts ihrer Dichte konnten wir auch die Gravitationseffekte nicht ignorieren. Da wir derzeit die Schwerkraft auf Quantenebene nicht verstehen und unser Verständnis von Schwarzen Löchern sowohl aus theoretischer als auch aus experimenteller Sicht äußerst schlecht ist, würde ich sagen, dass es zum jetzigen Zeitpunkt nicht möglich ist, die Machbarkeit dieser Antriebsmethode zu bestimmen unsere technologische Entwicklung. Die Frage sollte am besten neu gestellt werden, wenn wir eine praktikable Quantentheorie der Gravitation haben, wenn sie im Bereich der harten Wissenschaft und nicht im Bereich der Science-Fiction bleiben soll.

BEARBEITEN: Ich habe gerade vor einer Minute hier ein neueres Papier von Crane zu diesem Thema gefunden. Habe es zwar noch nicht gelesen, könnte aber relevant sein.

Sehr interessante Idee. Lassen Sie mich mit einigen relevanten Fakten beginnen, die in den Kommentaren angesprochen wurden.

Ein bh gibt mehr Strahlung ab und wird heißer, wenn es kleiner wird. Die Temperatur ist umgekehrt proportional zur Masse des Schwarzen Lochs. Allerdings verringert sich die Energiemenge bei gegebener Temperatur, da die Oberfläche kleiner wird. Radius ist ∝ Masse und Oberfläche ∝ Radius zum Quadrat. Also ist T invers zu r². Die Größe schrumpft schneller als die Temperatur steigt! Aber die Strahlungsenergie des schwarzen Körpers steigt schneller als die Temperatur, also was gewinnt?

In der Tat (schön auf Wikipedia gepostet)

Um die Leistungsmessung zu kalibrieren, bedenken Sie, dass ein schwarzes Loch mit Sonnenmasse emittiert$9 \times 10^{-29}$Watt. 1 Sekunde lebendes Schwarzes Loch hat eine Masse von$2.28 × 10^5$kg hat eine Anfangsleistung von$6.84 × 10^{21}$W.

Wenn Sie also ein BH mit Masse füttern, die Sie zur Hand haben, um es auf einer konstanten Größe zu halten, und die Strahlung nach hinten lenken, kann dies die erforderliche Menge an Leistung liefern, indem Sie das BH entsprechend dimensionieren.

Wie viel Leistung benötigen Sie? Verwenden Sie die Formel und folgen Sie dem Beispiel aus Wikipedia , um es herauszufinden. Schauen Sie sich jetzt die Größe dieses bh an. Hmm, die Leistung herunterzudrehen bedeutet, noch mehr Masse herumzukarren.

Das Problem ist, dass der Radius des bh 1000-mal kleiner ist als der eines Protons!

Wie können Sie ihm die große Menge an Masse zuführen, die erforderlich ist, um das Gleichgewicht zu halten? Ich denke, es kann nicht getan werden , selbst wenn man vernachlässigt, dass die Ausgabe alles davon wegblasen wird. Sie können nicht genug Masse in einem ausreichend kleinen Volumen bekommen, um mit dieser Geschwindigkeit geschluckt zu werden, ohne dass es ein weiteres Schwarzes Loch ist.

Nun, egal, dass es nicht so gemacht werden kann, wie es implizit ist. Vielleicht ist es ein großer Lebensraum, der einer sehr geringen Beschleunigung ausgesetzt ist, wie die heutigen Ionenantriebe. Wie halten Sie es angebunden? Ein bh kann elektrisch aufgeladen werden, aber es versucht zuerst, seine Ladung abzuwerfen, da die Strahlung aufgeladen wird.

Also füttere es mit hochgeladener Materie, um es geladen zu halten, und verlasse dich auf die geladene Strahlung, um es zu lenken, und die Ladung auf dem bh, um es im Hohlraum zentriert zu halten. Werfen Sie die übrig gebliebene entgegengesetzt geladene Materie in den Auspuff, nachdem sie gerichtet wurde.

Ein praktischerer Weg, Energie aus einem bh zu bekommen, ist über die Ergosphäre . Dies würde jedoch mit einem nicht mikroskopischen (nicht heißen) bh erfolgen.

Es gibt ein Papier

http://arxiv.org/pdf/0908.1803.pdf

Von diesen 2 Jungs

https://www.phys.ksu.edu/personal/westmore/

http://www.math.ksu.edu/people/personnel_detail?person_id=1330

Zusammenfassend: Ja, es ist wahrscheinlich möglich, aber Sie müssen Partikelstrahlen auf das Schwarze Loch richten, um sowohl seine Größe stabil zu halten als auch seine Position zu kontrollieren.

Designanforderungen für ein BH-Raumschiff

1. Verwenden Sie die Hawking-Strahlung, um das Schiff anzutreiben
2. Fahren Sie den BH mit der gleichen Beschleunigung
3. speisen Sie den BH, um seine Temperatur zu halten

Punkt 3 ist nicht unbedingt erforderlich. Wir könnten einen SBH herstellen, damit ein Schiff in eine Richtung fahren und den Rest am Zielort freigeben. Dies würde uns jedoch hinsichtlich der Leistung stark einschränken und bei der unten diskutierten Triebwerksanwendung sehr enttäuschend sein.

Wir werden diese drei Probleme hier nur in groben Zügen erörtern; Auf der Ebene der Technik erfordern sie jeweils eine ausführliche Diskussion. Es ist nicht schwer zu sehen, wie wir Anforderung 1 erfüllen könnten. Wir positionieren den SBH einfach im Brennpunkt eines parabolischen Reflektors, der am Schiffskörper befestigt ist. Da das SBH Gammastrahlen und eine Mischung aus Teilchen und Antiteilchen ausstrahlt, ist dies nicht einfach. Im Zusammenhang mit Antimaterieraketen wurde vorgeschlagen, aus einem Elektronengas einen Gammastrahlenreflektor herzustellen [11].

Es ist nicht klar, ob dies machbar ist (z. B. [2]).

Alternativ könnten wir die Gammastrahlen entweichen lassen und nur den Teil der geladenen Teilchen der Hawking-Strahlung lenken (vgl. [2]), obwohl dies ein weniger leistungsfähiges Schiff erzeugt. Um die Leistung zu verbessern, könnten wir eine dicke Materieschicht hinzufügen, die die Gammastrahlen absorbiert, in optischen Frequenzen zurückstrahlt und die resultierenden Lichtstrahlen fokussiert. Ein Absorber, der nur Gammastrahlen aufhält, die in Richtung Schiffsvorderseite gehen, und den Rest nach hinten entweichen lässt, bewirkt, dass Gammastrahlen asymmetrisch vom Schiff ausgestrahlt werden. Auf diese Weise tragen auch die austretenden, nicht absorbierten Gammastrahlen etwas Schub bei (vgl. [12] oder [13]). Modulo Sicherheitsbedenken, man möchte nicht, dass der Absorber zu massiv ist. Ein extrem massiver Tilger könnte die Masse des Fahrzeugs so stark belasten, dass der zusätzliche Schub, den er zu liefern verhilft, nicht zu einer verbesserten Beschleunigung führt.

Noch eine weitere Idee zur Verwendung von Gammastrahlenenergie besteht darin, Paarerzeugungsphänomene auszunutzen. Durch Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld von Atomkernen können hochenergetische Gammastrahlen in geladene Teilchen-Antiteilchen-Paare wie Elektronen und Positronen umgewandelt werden. Diese Teilchen können durch elektromagnetische Felder gelenkt werden. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass auf diese Weise auch nur die Hälfte der Gammastrahlenenergie genutzt werden kann (siehe Vulpetti [14], [15]).

Es könnte vorteilhaft sein, die Hawking-Strahlung zu verwenden, um eine sekundäre Arbeitssubstanz zu energetisieren, die dann als Abgas ausgestoßen werden kann (wie dies bei thermischen und Ionenraketen der Fall ist). Allerdings muss die Arbeitssubstanz mit 10 relativistischen Geschwindigkeiten ausgestoßen werden, damit der spezifische Impuls hoch genug für interstellare Reisen ist.

Der optimistischste Ansatz besteht darin, die Anforderungen 2 und 3 gemeinsam zu lösen, indem Teilchenstrahlen am Schiffskörper hinter dem BH angebracht und Materie eingestrahlt werden. Dies würde sowohl den SBH beschleunigen, da sich BHs „bewegen, wenn man sie drückt“ (siehe [3] S. 270), als auch dem SBH Masse hinzufügen und die Lebensdauer verlängern.

Das heikle Ding hier ist der Absorptionsquerschnitt für ein Teilchen, das in einen BH eintritt. Dieser Frage wollen wir in Zukunft nachgehen. Wenn es nicht funktioniert, den Strahl einfach auf den SBH zu richten, können wir versuchen, eine Akkretionsscheibe in der Nähe des SBH zu bilden und uns darauf verlassen, dass Partikel darin tunneln. Alternativ könnten wir anstelle von nur einem einen kleinen Cluster von SBHs verwenden, um ein größeres effektives Ziel zu erzeugen, den SBH aufzuladen usw. Es ist auch möglich, dass SBHs aufgrund von Quanteneffekten größere Radien als klassische Radien haben, aufgrund des Analogons der Nullpunktsenergie . Dieser Punkt muss als Herausforderung für die Zukunft bestehen bleiben.

Wie bereits erwähnt, hat ein Schwarzes Loch eine ziemlich beeindruckende Leistungsabgabe, insbesondere Mikro-Schwarze Löcher.

Der Nachteil ist, dass diejenigen mit der praktischen Masse, um ein Schiff oder eine Kolonie anzutreiben, auch die Masse von Asteroiden zu kleinen Monden sind. Abgesehen von den praktischen technischen Schwierigkeiten, einem Objekt, das so klein wie ein Atomkern ist, Masse zuzuführen, bedeutet dies auch, dass Ihr Schiff die Masse des Schwarzen Lochs herumschleppt. Ähnlich wie bei Ionenantrieben wird der Leistungsgewinn durch den Motor durch die zusätzliche Masse ausgeglichen, die Sie mit sich herumtragen müssen (im Fall eines Ionenantriebs benötigen Sie entweder einen Kernreaktor und eine Abschirmung oder Hektar Sonnenkollektoren, um die Energie bereitzustellen für einen großen Ionen- oder Plasmaantrieb).

Eine vollständige Diskussion findet sich in diesem Artikel: SIND SCHWARZE LOCH-RAUMSCHIFFE MÖGLICH? Von Louis Crane und Shawn Westmoreland, Kansas State University.