Wie würde ein Kraftwerk für Schwarze Löcher funktionieren?

Ein Schwarzes-Loch-Kraftwerk (BHPP) ist etwas, das ich hier als eine Maschine definiere, die ein Schwarzes Loch verwendet, um Masse in Energie für nützliche Arbeit umzuwandeln. Als solches stellt es die dritte Art von Materie-Energie-Kraft (ehemals „Kernkraft“) dar, die Menschen unterhalten haben, wobei die ersten beiden Kernspaltung und Fusion sind. Abgesehen von der Tatsache, dass der technologische Fortschritt, der dafür erforderlich ist, weit über den heutigen Menschen hinausgeht, scheint es unter Physikern ziemlich gut bekannt zu sein, dass dies möglich (und vielleicht eines Tages unvermeidlich) ist. Ich persönlich habe das Gefühl, dass ich den Vorschlag nicht verstehe, weil niemand wirklich ein kohärentes Bild davon gezeichnet hat, wie er funktionieren würde. Um dies fokussiert zu halten, hier sind meine objektiven Fragen:

Bezogen auf die Konvertierung selbst:

  • Von welchem ​​Mechanismus der Energiefreisetzung sprechen wir? Zu den Möglichkeiten gehören Strahlung durch Ansammlung von Material, Hawking-Strahlung, magnetische Umwandlung von Rotationsenergie und möglicherweise andere (EDIT: Manishearths Antwort ergab, dass ich die Möglichkeiten selbst nicht kenne). Können wir einige davon pragmatisch ausschließen? Wie gut sind diese Mechanismen verstanden? Haben wir wirklich die Physik/Beobachtungen, um sie zu untermauern, oder ist es immer noch an der Spitze der Physik?
  • Wie würde die Energie geerntet? Einige Möglichkeiten umfassen einen thermischen Zyklus (wie einen Rankine-Zyklus), die Umwandlung von Strahlung in Elektrizität (wie Photovoltaik), magnetisch induzierte Ströme und Ladungsbewegungen. Könnten die Emissionspartikel zu energiereich sein, um sie mit bekannten Materialien als Teil der Maschinenstruktur nutzbar zu machen? Das würde sicherlich für Hawking-Strahlung von kleinen BHs gelten, haben andere Optionen das Problem übermäßig energiereicher Emissionen?

Bezogen auf die Anwendung:

  • Gibt es irgendetwas , das wir verwenden könnten, um die Ausgangsleistung der Hawking-Strahlung außer der BH-Masse zu ändern? Würden wir auf Messers Schneide tanzen, wenn wir Hawking-Strahlung als Energiequelle verwenden würden? Wie Sie wissen sollten, wäre eine BH-Verdampfung ein ziemlich großes kosmisches Ereignis, und um mehr Energie herauszuholen, müsste man eine kleinere BH verwenden, was ein größeres Katastrophenrisiko darstellt. Dieses Problem könnte durch die Verwendung mehrerer BHs gemildert werden, sodass für jeden ein geringerer Energiedurchsatz erforderlich wäre, aber dann riskiert man eine BH-Kollision, die ebenfalls ein katastrophales Ereignis ist. Beeinflusst der Spin, die Ladung oder das lokale Gravitationspotential die Ausgabe? Gibt es eine Möglichkeit für die Hawking-Strahlung, eine einigermaßen sichere Methode zur Umwandlung von Materie in Energie zu sein (selbst für eine fortgeschrittene Zivilisation)?
  • Was sind die Parameter für die Gesamtmasse und Energieabgabe? Wie hoch wäre insbesondere die Gesamtenergieabgabe dividiert durch die Masse und wie hoch wäre die Masse-zu-Energie-Umwandlungseffizienz von neu einfallendem Material? Zur Akkretion habe ich Zahlen gehört, dass 30 % des einfallenden Materials in Energie umgewandelt und an den Polen zurück in den Weltraum geschleudert werden können ... aber könnten wir das ändern und kontrollieren? Wie würden die Parameter eines BHKW im Vergleich zu unseren Sonnen- und aktuellen Kraftwerken auf der Erde aussehen?

Tut mir leid, dass ich das nicht in einer einzigen Frage zusammenfassen konnte. Ich habe es versucht. Um auf die Bedenken „zum Thema“ einzugehen, höre ich Leute erwähnen, dass die Tokomak - Fusionsenergieforschung noch viele Unbekannte hat, die im Bereich der Physik liegen, im Gegensatz zur Technik, die später in ihrer Entwicklung kommen wird. Ich habe versucht, meine obige Frage so zu bearbeiten, dass sie tatsächlich Physik in der Natur ist. Ich denke, ich spreche für die meisten Menschen, wenn ich sage, dass ich die überwiegende Mehrheit der Physik von BHs nicht verstehe. Meine Frage hier ist im Allgemeinen, wie sich diese Physik in einer Maschine auswirken würde, die nützliche Dinge zur Energieumwandlung leistet.

Berühmte letzte Worte: Das ist nur ein technisches Problem. An diesem Punkt schleicht sich der Sprecher davon und lässt die harte Arbeit noch zu erledigen.
Bhpps verwenden keine Hawking-Strahlung. Sie extrahieren ROTATIONS-Energie aus einem sich drehenden Schwarzen Loch (viel Masse, also viel zu extrahierender Drehimpuls / Energie). Ich bezweifle, dass Hawking-Strahlung effizient wäre.

Antworten (2)

Ich weiß nichts über das Extrahieren von Massenenergie aus dem Inneren des Schwarzen Lochs; es scheint mir ziemlich ineffizient. Hawking-Strahlung ist nicht so stark (und immer noch sehr hypothetisch), aber es ist besser , eine Dyson-Sphäre um einen Stern zu bauen. Denken Sie daran, schwarze Löcher sind, nun ja, schwarz. Wenn genügend Hawking-Strahlung vorhanden wäre, würden sie aufhören, schwarz zu sein, und wie Sterne leuchten.

Der effiziente Weg, einem Schwarzen Loch Energie zu entziehen, besteht darin, seine Rotationsenergie zu extrahieren. 20 % 1 der Massenenergie eines (rotierenden) Schwarzen Lochs liegt in Form von Rotationsenergie vor. Diese Energie wird nicht innerhalb des Schwarzen Lochs gespeichert, sondern im Raumstrudel außerhalb des Schwarzen Lochs (in der Ergosphäre ). Wir können diese Energie extrahieren, indem wir magnetisch gefüllte Linien durch das Schwarze Loch fädeln. Der Wirbel des Weltraums wirbelt die Magnetfelder, und dieser Wirbel erzeugt Strom (ich bin mir nicht sicher, wie dies genau behandelt wird, klassisch wäre es eine Form elektromagnetischer Induktion, aber das ist keine klassische Physik.). Der Strom fließt entlang der Feldlinien und kann abgegriffen werden.

Hier ein Bild von 1 :

Mechanismus zur Energiegewinnung aus einem Schwarzen Loch

UPDATE: Siehe auch .

1 Schwarze Löcher und Zeitkrümmungen , Kip Thorne. Seite 53.

Das ist spannend! Anscheinend glaubte ich, viel mehr zu wissen, als ich tatsächlich wusste. Ich muss meine Frage bearbeiten, um mehr Prozesse zu ermöglichen. Du erwähnst eine Möglichkeit, an die ich gar nicht gedacht habe. Die supraleitenden Spulen sehen aus, als würden sie dem BH möglicherweise gefährlich nahe kommen, aber vielleicht auch nicht. Ich stelle mir vor, dass diese Idee vergleichsweise "kleine" BHs verwenden könnte, und es ist nicht klar, wie signifikant der magnetische Einfluss im Vergleich zur Gravitation ist. Die Stromleitungen sind schwer zu schlucken - es sieht nicht nach Induktionsstrom aus.
Arxiv-Link zur Energieerzeugung durch Hawking-Strahlung (keine Qualitätsansprüche): arxiv.org/abs/0908.1803v1
@Zassounotsukushi: Sogar mir fällt das Schlucken schwer. Es wurde erwähnt, dass es derselbe Mechanismus ist, der Quasare antreibt. Ich erinnere mich vage an etwas, das als Blandford-Znajek-Prozess für Quasare bezeichnet wird, wo es eine ähnliche Strömung gibt. Werde morgen mal nachschauen. Das Netz scheint nicht viel zu bieten.
@Zassounotsukushi Okay, wo immer ich hinschaue, scheint der "aktuelle" Teil des Blandford-znajek-Prozesses fast selbstverständlich zu sein. Es scheint, dass die starken magnetischen Feldlinien das Elektron/geladene Teilchen beschleunigen und der Raumwirbel das eine oder andere damit macht. Das Endergebnis ist, dass eine Potentialdifferenz entwickelt wird und es einen Strom gibt.
Ich denke, wir brauchen jemanden, der GR besser versteht, um das zu beenden.
Stellte eine Frage zum Blandford-Znajek-Prozess. Werde die Sache wohl klären. physical.stackexchange.com/questions/20871/…
@Manishearth: Quelle des Bildes?? scheint interessant zu lesen..
@VineetMenon: Es steht direkt in der Post. Schwarze Löcher und Zeitkrümmungen, Kip Thorne. Seite 53
Wie schwer wäre es, Materie in das Loch zu injizieren? Die starke Strahlung könnte die Schwerkraft besiegen.
Tatsächlich wird nicht erwartet, dass winzige Schwarze Löcher schwarz sind, obwohl sie auch winzig sind – was bedeutet, dass sie eine relativ geringe Schwerkraft, Masse und Volumen haben und daher einfacher zu bauen sind.

Mit dieser Antwort werde ich einige meiner Notizen aus dem Papier auflisten, das @zephyr als Kommentar gepostet hat, http://arxiv.org/abs/0908.1803v1 . Die Verwendung von Hawking-Strahlung als Mittel zur Umwandlung von Masse in Energie erscheint mit einem Wort absurd. Das Papier befasste sich jedoch genau damit, um ein bemanntes Raumschiff zu den Sternen anzutreiben.

Hawking-Strahlung als Schubquelle

Lassen Sie mich zunächst die Parameter des BH auflisten, die in dem Papier diskutiert werden:

  • Masse von 10 12 k g
  • Radius von 10 − 10 m , oder 10 − 18 m , es ist nicht ganz klar
  • Kraft von P = a f ( T ) / R 2 , was je nach den Zahlen, die ich versuche, aus dem Papier unterschiedlich ist, gibt mir mein erster Versuch 13 W , was anzeigt, dass der Radius von 10 − 10 m ist zu groß.

Gute Argumente

Ein solches Raumschiff ist übrigens eine außerordentlich energieintensive Tätigkeit. Ein großer Teil der Masse eines solchen Raumschiffs müsste notwendigerweise in Energie umgewandelt werden, damit die Idee durchführbar ist. Daher ist es erforderlich, dass die Trust-Vorrichtung für diesen Prozess einen sehr hohen Masse-zu-Energie-Umwandlungswirkungsgrad aufweist . Dies ist einer der Gründe, warum Hawking-Strahlung die einzig praktikable Option für bestimmte Reisen sein kann.

Wenn wir darüber nachdenken, ein Raumschiff zu entwerfen, gehen unsere Überlegungen über das Schiff selbst hinaus. Erdgebundene oder solargebundene Aktivitäten werden erforderlich sein, um es zu bauen und die Energiequelle vorzubereiten. Das Papier vergleicht Hawking-Strahlung mit einer Antimaterie-Rakete. Es stellt die allgemeine Behauptung auf, dass Theoretiker nicht vorhersagen, dass die Effizienz der Antimaterieproduktion überschritten wird 10 4 Energiezufuhr zur erzeugten Masse. Jetzt wird die gesamte Masse der Antimaterie im Raumschiff in Photonentreibstoff umgewandelt. Die Effizienzquantifizierung für ein künstliches Schwarzes Loch ist etwas komplizierter. Also habe ich ein Bild gemacht.

Hoffentlich können Sie dies lesen, BHPP-Effizienz

Im Grunde werfen Sie eine gewisse Menge an Masse zusammen, so dass sie enger zusammengedrückt wird als ihr Ereignishorizont, und Sie haben ein Schwarzes Loch. Offensichtlich wäre dies ein sehr energischer Prozess, also müssen wir die kinetische Energie einbeziehen, die verwendet wird, um diese Materie auf einen extrem kleinen Punkt zusammenzuwerfen. Wenn Sie es verwenden, können Sie dem BH relativ einfach so viel Masse hinzufügen, wie Sie möchten , denn sobald es sich im Ereignishorizont befindet, hat es zur Masse hinzugefügt. Hawking-Strahlung wird kontinuierlich emittiert (ob Sie es wollen oder nicht), und am Ende der Reise bleibt etwas Masse als BH zurück, die Sie nicht verwendet haben. Dies ist wichtig für ein Raumschiff, da für ein Raumschiff die Umwandlung von Materie-Energie in Energie wichtig ist. Für zivile Macht, im Allgemeinen dieEnergie-zu-Energie- Umwandlung ist wichtig. Ich habe die Materie-zu-Energie-Umwandlung oben definiert, aber die Energie-zu-Energie-Effizienz wäre:

η = M + E + M ' − M ″ E

Der Punkt, zu dem ich komme, ist, dass die Umwandlungseffizienz von Masse in Energie nahe 1 sein wird, ähnlich wie bei Antimaterie. Die Energie-zu-Energie-Umwandlung wird im Gegensatz zu weitaus größer als 1 sein 10 − 4 für den Fall der Antimaterie. Basierend auf reiner Energetik wären BHs sehr effizient, leicht und ideal für eine interstellare Schubquelle .

Der andere Hauptgrund für die Betrachtung der Hawking-Strahlung von künstlichen Schwarzen Löchern ist, dass sie einen sehr guten Einschluss haben . Die Verwendung von Antimaterie würde ein aktives Einschließen der Antimaterie erfordern, wofür die Aussichten nicht gut aussehen. Sollten die aktiven Einschlussmethoden versagen, wird es eine spektakuläre Explosion geben, die das Raumschiff und die lokale kosmische Nachbarschaft zerstört. Ein BH hingegen ist passiv durch die Schwerkraft begrenzt. Wenn man es lange genug stehen lässt, ja, kann es genauso viel verdunsten und zerstören, aber das wird einige Zeit dauern.

Nachteile

Erstens müsste der BH, um das erforderliche Leistungsniveau zu erreichen, ein "subatomares Schwarzes Loch" (SBH) mit einem Radius von weniger als sein 10 − 10 m . Anscheinend wissen wir nicht genau, wie viel Leistung ein SBH mit einer bestimmten Masse abgeben würde, was im Grunde Modelle der Quantengravitationsphysik erfordert, und über diese ist nicht vollständig entschieden.

Außerdem würde ein solcher SBH anscheinend einen Teil seiner Masse als Masse und nicht als Energie abgeben . Dies bedeutet, dass die Masse für ein Raumfahrzeug nicht in Schub und in einer Anwendung vom Typ eines zivilen Kraftwerks nicht in nutzbare Energie umgewandelt würde. Außerdem würden Neutrinos isotrop erzeugt und emittiert, was weder zum Schub noch zur nützlichen Energie beiträgt.

Die Temperatur des SBH wäre anscheinend sehr hoch, irgendwo im Bereich von 0,06 G e v und 100 G e v für die in dem Papier diskutierten Parameter. Diese Energien haben einen großen Multiplikator zur Berechnung des materiellen Strahlungsschadens. Auch die Abschirmung wäre schwierig.

Die Masse, die in der Zeitung unterhalten wird, ist 10 12 k g , und um das Schwarze Loch zu erzeugen, müsste dieses auf einen subatomaren Radius beschleunigt/komprimiert werden. Auf die Gefahr hin, bissig zu klingen, das klingt nicht einfach. Dies bedeutet im Grunde, dass Sie freie Energie haben können, wenn Sie den Mount Everest auf das Volumen eines einzelnen Atoms komprimieren können. Eine diskutierte Methode besteht darin, "konvergierende Röntgenlaser" zu verwenden, um dies zu tun. Anscheinend kann die Eigengravitation helfen, sie auf einen Punkt zu fokussieren. Das ist also eine gute Nachricht.

Empfehlen Sie, auf Wikipedia nach dem Schwarzen Loch zu suchen. Dort werden alle Ihre offenen Fragen beantwortet. Schauen Sie auch nach Hawking-Strahlung.
Wie könnte man das Schwarze Loch beschleunigen?
@KevinKostlan reflektiert die Hawking-Strahlung auf einer Seite zurück in das Schwarze Loch, um ihm einen Nettoschub zu geben
Es ist schwierig, Gammastrahlen zu reflektieren, und noch schwieriger, sie zurück in ein so kleines Ziel zu bringen.
Sie haben ein Objekt von der Größe eines Everest-Kerns, das 300 Megawatt emittiert. Es ist schwer, das zu drücken oder zu ziehen, da alles, was in die Nähe kommt, verdampft. Sie können nicht viel Masse in die Nähe bringen, um es zu ziehen. Sie können es nicht aufladen, da es Elektronen oder Positronen emittiert und sich auf diese Weise selbst neutralisieren kann. Maby magnatische Monopole (zu schwer, um von Hawking-Raiation ausgesendet zu werden und sich selbst zu neutralisieren) lol.
Der Radius des subatomaren Schwarzen Lochs (SBH) war im Hauptteil des Papiers auf 1/6 bis 6 Attometer begrenzt; anscheinend 10^(-18) geben oder nehmen einen Faktor von 6.
Wie würde ein Kraftwerk für Schwarze Löcher funktionieren?
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