¿La radiación de Hawking de un pequeño agujero negro sería una fuente de propulsión factible?

JDługosz respondió genial, con números y todo. Y la pregunta ha sido considerada por al menos dos científicos, a saber, Crane & Westmooreland; su artículo se puede encontrar en arxiv aquí .

Conteniendo el agujero negro:

Cuando se trata de contenerlo de manera segura, bueno, yo, los autores del artículo antes mencionado, concluimos que un BH se confina a sí mismo. Todo lo que hay que hacer es evitar chocar con él. Diría que es una forma bastante desinteresada de abordar el problema, pero, de nuevo, tal vez fue una obviedad y soy el único lector que desea una explicación más profunda de esta faceta del problema.

Alimentando el agujero negro:

No necesitan ser alimentados en absoluto para ser eficientes. Si ese fuera el caso, probablemente serían inviables como métodos de propulsión (es muy probable que sean inviables de todos modos, pero por otras razones además del problema de la alimentación). Alimentar un agujero negro con un radio de 0,9 attometros (10 elevado a menos 18) con hierro sería difícil porque lo más probable es que el BH atraviese la barra de hierro. La distancia promedio entre los átomos de hierro unidos es de 0,7 picómetros (10 elevado a menos 12), lo que significa que podríamos colocar un millón de BH en la distancia entre dos átomos de hierro en una pieza de hierro sólido. El procedimiento de alimentación llevaría el término microgestión a un nivel completamente nuevo.

Tamaño(s) del(de los) agujero(s) negro(s):

¿Qué tamaño(s) de agujero(s) negro(s) sería(n) posible(s)? Según Crane & Westmoreland, existe un punto óptimo, y ese es un BH lo suficientemente grande como para existir y ser capaz de acelerar/desacelerar el barco durante todo el viaje. Sin embargo, no más grande de lo necesario, ya que BH emite radiación de Hawking en una proporción inversa a su tamaño, como menciona JDługosz. Un agujero más grande le dará menos salida de energía. El radio de 0,9 attometros que utilicé como ejemplo no era un número aleatorio, sino un radio que significaría que el BH existiría durante 3,5 años. Ese es el tiempo relativista que tomaría un viaje de ida desde la Tierra a Alpha Centauri (~4 ly de distancia), es decir, esa sería la longitud del viaje medida por los relojes a bordo de la nave, si dicha nave acelerara a 1 g por la mitad del viaje,

Los BH más pequeños serían útiles para aceleraciones rápidas de sondas o misiles. Los BH más grandes serían útiles para viajes más largos. Entonces, sí, hay "puntos dulces" cuando se trata del tamaño de un BH cuando se usa para propulsión. Estos tamaños dependen de la duración del viaje, la masa del barco, etc.

Pero BH demasiado grandes, y el tiempo necesario para generar suficiente energía para acelerar la masa del propio BH sería muy largo. Consulte la tabla y los ejemplos explicados en el artículo para obtener más información.

Conclusión:

Dado el tamaño de los BH propuestos, lo más probable es que no podamos ignorar los efectos cuánticos. Y dada su densidad, tampoco podíamos ignorar los efectos de la gravedad. Dado que actualmente carecemos de comprensión de la gravedad a nivel cuántico, y dado que nuestra comprensión de los agujeros negros desde un punto de vista tanto teórico como experimental es extremadamente pobre, diría que no es posible determinar la viabilidad de este método de propulsión en esta etapa de nuestro desarrollo tecnológico. Sería mejor volver a abordar la cuestión cuando tengamos una teoría cuántica de la gravedad viable, si se quiere que permanezca dentro del ámbito de la ciencia pura, en lugar del campo de la ciencia ficción.

EDITAR: Acabo de encontrar un artículo más nuevo de Crane sobre el tema aquí hace un minuto. Aunque no lo he leído, pero podría ser relevante.

idea muy interesante Permítanme comenzar con algunos hechos relevantes, como se mencionó en los comentarios.

Un bh emite más radiación, volviéndose más caliente a medida que se vuelve más pequeño. La temperatura es inversamente proporcional a la masa del agujero negro. Pero, la cantidad de energía para una temperatura dada se reduce porque el área superficial se vuelve más pequeña. El radio es ∝ masa y el área de superficie ∝ radio al cuadrado. Entonces T es inversa a r². ¡El tamaño se encoge más rápido de lo que aumenta la temperatura! Pero, la energía de radiación del cuerpo negro aumenta más rápido que la temperatura, entonces, ¿cuál gana?

De hecho, (muy bien publicado en Wikipedia)

Para calibrar la medida de Potencia, considere que un agujero negro de masa solar emite$9 \times 10^{-29}$vatios Un agujero negro de 1 segundo de vida tiene una masa de$2.28 × 10^5$kg tiene una potencia inicial de$6.84 × 10^{21}$w

Por lo tanto, alimentar un bh con la masa que tiene a mano para mantenerlo en un tamaño constante y dirigir la radiación hacia la parte posterior puede entregar una cantidad requerida de energía al dimensionar el bh de manera adecuada.

¿Cuánta potencia necesitas? Usa la fórmula y sigue el ejemplo de wikipedia para averiguarlo. Ahora, mira el tamaño de ese bh. Hmm, bajar la energía significa transportar aún más masa.

¡ El problema es que el radio de bh es 1000 veces más pequeño que un protón!

¿Cómo puedes alimentarlo con la gran cantidad de masa necesaria para mantener el equilibrio? Creo que no se puede hacer , incluso descuidando que la salida volará todo. No se puede obtener suficiente masa en un volumen lo suficientemente pequeño para ser tragado a ese ritmo, sin que sea otro agujero negro.

Ahora no importa que no se puede hacer como está implícito. Tal vez sea un gran hábitat que experimenta una aceleración muy baja, como las unidades de iones de hoy. ¿Cómo lo mantienes atado? Un bh puede cargarse eléctricamente, pero primero trata de deshacerse de su carga, ya que la radiación se cargará.

Por lo tanto, aliméntelo con materia altamente cargada para mantenerlo cargado, y confíe en la radiación cargada para dirigirlo, y en la carga en el bh para mantenerlo centrado en la cavidad. Tire los restos de materia con carga opuesta en el escape después de que se indique.

Una forma más práctica de obtener energía de un bh es a través de la ergosfera . Sin embargo, eso se haría con un bh no microscópico (no caliente).

hay un papel

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

por estos 2 chicos

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

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

Para resumir: sí, es probable que sea posible, pero debe apuntar haces de partículas al agujero negro para mantener su tamaño estable y controlar su posición.

Requisitos de diseño para una nave estelar BH

1. usar la radiación de Hawking para impulsar la nave
2. conducir el BH a la misma aceleración
3. alimentar el BH para mantener su temperatura

El punto 3 no es absolutamente necesario. Podríamos fabricar un SBH, usarlo para conducir un barco en una dirección y liberar el remanente en el destino. Sin embargo, esto nos limitaría mucho en cuanto al rendimiento y sería muy decepcionante en la aplicación del motor que se analiza a continuación.

Discutiremos estos tres problemas en líneas generales sólo aquí; a nivel de ingeniería cada uno requerirá una discusión extensa. No es difícil ver cómo podríamos satisfacer el requisito 1. Simplemente colocamos el SBH en el foco de un reflector parabólico unido al cuerpo de la nave. Dado que el SBH irradiará rayos gamma y una mezcla de partículas y antipartículas, esto no es sencillo. La propuesta se ha hecho en el contexto de los cohetes de antimateria, para hacer un reflector de rayos gamma a partir de un gas de electrones [11].

No está claro si esto es factible (p. ej., [2]).

Alternativamente, podríamos permitir que los rayos gamma escapen y dirijan solo la parte de partículas cargadas de la radiación de Hawking (cf. [2]), aunque esto produce una nave menos capaz. Para mejorar el rendimiento, podríamos agregar una gruesa capa de materia que absorbería los rayos gamma, volvería a irradiar en frecuencias ópticas y enfocaría los rayos de luz resultantes. Un absorbente que detiene solo los rayos gamma que se dirigen hacia la parte delantera de la nave y permite que el resto escape por la parte trasera hace que los rayos gamma se irradien desde la nave de forma asimétrica. De esta manera, incluso los rayos gamma no absorbidos que escapan contribuyen con algún impulso (cf. [12] o [13]). Preocupaciones de seguridad del módulo, uno no querría que el absorbedor fuera demasiado masivo. Un amortiguador extremadamente masivo podría sobrecargar tanto la masa del vehículo que el empuje adicional que ayuda a entregar no conduce a una aceleración mejorada.

Otra idea más para la utilización de la energía de los rayos gamma es explotar los fenómenos de producción de pares. Al interactuar con el campo eléctrico de los núcleos atómicos, los rayos gamma de alta energía se pueden convertir en pares de partículas y antipartículas cargadas, como electrones y positrones. Estas partículas pueden ser dirigidas por campos electromagnéticos. Sin embargo, no es probable que ni siquiera la mitad de la energía de los rayos gamma se pueda utilizar de esta manera (ver Vulpetti [14], [15]).

Podría ser ventajoso usar la radiación de Hawking para energizar una sustancia de trabajo secundaria que luego puede expulsarse como escape (como se hace en los cohetes térmicos y de iones). Sin embargo, la sustancia de trabajo debe expulsarse a 10 velocidades relativistas para que el impulso específico sea lo suficientemente alto para el viaje interestelar.

El enfoque más optimista es resolver los requisitos 2 y 3 juntos uniendo haces de partículas al cuerpo de la nave detrás del BH y transmitiendo materia. Esto aceleraría el SBH, ya que los BH "se mueven cuando los empujas" (ver [3] p270), y agregaría masa al SBH, extendiendo la vida útil.

Lo delicado aquí es la sección transversal de absorción de una partícula que entra en un BH. Tenemos la intención de investigar esta cuestión en el futuro. Si simplemente apuntar el haz al SBH no funciona, podemos intentar formar un disco de acreción cerca del SBH y confiar en las partículas para hacer un túnel en él. Alternativamente, podríamos usar un pequeño grupo de SBH en lugar de solo uno para crear un objetivo efectivo más grande, cargar el SBH, etc. También es posible que, debido a los efectos cuánticos, los SBH tengan radios más grandes que los clásicos, debido al análogo de energía de punto cero . Este punto debe quedar como un desafío para el futuro.

Como se señaló, un agujero negro tiene una potencia de salida bastante impresionante, especialmente los microagujeros negros.

La desventaja es que los que tienen la masa práctica para impulsar una nave o colonia también son la masa de asteroides para lunas pequeñas. Aparte de las dificultades prácticas de ingeniería de alimentar con masa a un objeto tan pequeño como un núcleo atómico, también significa que su nave está transportando la masa del agujero negro. Al igual que las unidades de iones, la ganancia en rendimiento con el uso del motor se compensa con la masa adicional que necesita transportar (en el caso de una unidad de iones, necesita un reactor nuclear y protección, o hectáreas de paneles solares para proporcionar la energía). para una gran unidad de iones o de plasma).

Una discusión completa se encuentra en este artículo: ¿SON POSIBLES LAS NAVES ESTELARES EN LOS AGUJEROS NEGROS? Por Louis Crane y Shawn Westmoreland, Universidad Estatal de Kansas.