¿Cómo funcionaría una central eléctrica de agujero negro?

Una planta de energía de agujero negro (BHPP) es algo que definiré aquí como una máquina que usa un agujero negro para convertir masa en energía para un trabajo útil. Como tal, constituye el tercer tipo de poder de materia-energía (anteriormente "poder nuclear") que los humanos han considerado, siendo los dos primeros la fisión y la fusión. Dejando de lado el hecho de que el nivel de avance tecnológico necesario para esto está mucho más allá de los humanos modernos, parece estar bastante bien establecido que esto es posible (y tal vez algún día inevitable) entre los físicos. Personalmente, siento que no entiendo la propuesta porque nadie realmente ha creado una imagen coherente de cómo funcionaría. Para mantener esto enfocado, aquí están mis preguntas objetivas:

Relacionado con la conversión en sí:

  • ¿De qué mecanismo de liberación de energía estamos hablando? Las posibilidades incluyen la radiación de la acumulación de material, la radiación de Hawking, la conversión magnética de la energía de rotación y tal vez otras (EDITAR: la respuesta de Manishearth reveló que yo mismo no conozco las posibilidades). ¿Podemos descartar algunos de estos pragmáticamente? ¿Qué tan bien se entienden estos mecanismos? ¿Realmente tenemos la física/observaciones para respaldarlos, o todavía está a la vanguardia de la física?
  • ¿Cómo se recolectaría la energía? Algunas posibilidades incluyen un ciclo térmico (como un ciclo de Rankine), conversión de radiación a electricidad (como fotovoltaica), corrientes inducidas magnéticamente y movimientos de carga. ¿Podrían las partículas de emisión tener una energía demasiado alta para aprovecharlas con materiales conocidos como parte de la estructura de la máquina? Eso ciertamente se aplicaría a la radiación de Hawking de los BH pequeños, ¿tienen otras opciones el problema de las emisiones demasiado energéticas?

Relacionado con la aplicación:

  • ¿Hay algo que podamos usar para cambiar la salida de potencia de radiación de Hawking que no sea la masa BH? ¿Estaríamos bailando sobre el filo de un cuchillo usando la radiación de Hawking como fuente de energía? Como debe saber, una evaporación de BH sería un evento cósmico bastante importante, y para obtener más energía, uno tendría que usar un BH más pequeño, lo que presenta un mayor riesgo de catástrofe. Este problema podría mitigarse mediante el uso de varios BH, por lo que se necesitaría un rendimiento de energía más bajo para cada uno, pero eso corre el riesgo de colisión de BH, que también es un evento catastrófico. ¿El espín, la carga o el potencial gravitatorio local afectan la salida? ¿Hay alguna forma de que la radiación de Hawking sea un método razonablemente seguro de conversión de materia en energía (incluso para una civilización avanzada)?
  • ¿Cuáles son los parámetros para la producción total de masa y energía? Específicamente, ¿cuál sería la producción de energía total dividida por la masa y cuál sería la eficiencia de conversión de masa a energía del nuevo material que cae? Para la acreción, he escuchado números como el 30% del material que cae se puede convertir en energía y expulsar de vuelta al espacio en los polos... pero ¿podríamos cambiar y controlar eso? ¿Cómo se compararían los parámetros de un BHPP con nuestro sol y las plantas de energía actuales basadas en la Tierra?

Lo siento, no pude envolver esto en una sola pregunta. Lo intenté. Para abordar la preocupación "sobre el tema", escucho a la gente mencionar que la investigación de la energía de fusión tokomak todavía tiene muchas incógnitas que pertenecen al dominio de la física, a diferencia de la ingeniería, que vendrá más adelante en su desarrollo. Traté de editar mi pregunta anterior para que fuera realmente de naturaleza física. Creo que hablo por la mayoría de la gente cuando digo que no entiendo la gran mayoría de la física de los BH. Mi pregunta aquí es, en general, cómo se desarrollaría esa física en una máquina que convierte materia útil en energía.

Últimas palabras famosas: Eso es solo un problema de ingeniería. En ese momento, el orador se escabulle dejando el trabajo duro aún por hacer.
Los Bhpps no usan radiación hawking. Extraen energía ROTACIONAL de un agujero negro giratorio (mucha masa, por lo que se extraerá mucha energía/momento angular). Dudo que la radiación hawking sea eficiente.

Respuestas (2)

No sé cómo extraer masa-energía del interior del agujero negro; me parece bastante ineficiente. La radiación de Hawking no es tan poderosa (además de ser muy hipotética), pero es mejor construir una esfera de Dyson alrededor de una estrella. Recuerde, los agujeros negros son, bueno, negros. Si hubiera suficiente radiación de Hawking, dejarían de ser negros y brillarían como estrellas.

La forma eficiente de extraer energía de un agujero negro es extraer su energía de rotación. El 20% 1 de la masa-energía de un agujero negro (en rotación) está en forma de energía rotacional. Esta energía no se almacena dentro del agujero negro, sino que se almacena en el remolino del espacio fuera del agujero negro (en la Ergosfera ). Podemos extraer esta energía enhebrando líneas magnéticas llenas a través del agujero negro. El remolino del espacio hace girar los campos magnéticos, y este remolino crea corriente (no estoy seguro del tratamiento exacto de esto, clásicamente sería alguna forma de inducción electromagnética, pero esto no es física clásica). La corriente fluye a lo largo de las líneas de campo y puede ser captada.

Aquí hay una foto de 1 :

Mecanismo para extraer energía de un agujero negro

ACTUALIZACIÓN: Ver esto también.

1 Agujeros negros y deformaciones temporales , Kip Thorne. Página 53.

¡Esto es emocionante! Aparentemente pensé que sabía mucho más de lo que realmente sabía. Tendré que editar mi pregunta para permitir más procesos. Mencionas una posibilidad que ni siquiera pensé en mencionar. Las bobinas superconductoras parecen estar peligrosamente cerca del BH, pero tal vez no. Me imagino que esta idea podría usar BH comparativamente "pequeños" y no está claro qué tan significativa es la influencia magnética en comparación con la gravitatoria. Las líneas actuales son difíciles de tragar, no parece una corriente inductiva.
Enlace de Arxiv que analiza la generación de energía de radiación hawking (sin afirmaciones sobre la calidad): arxiv.org/abs/0908.1803v1
@Zassounotsukushi: Incluso a mí me cuesta tragar. Se mencionó que era por el mismo mecanismo que alimenta los cuásares. Recuerdo vagamente algo llamado proceso blandford-znajek para cuásares donde hay una corriente similar. Lo buscaré mañana. La red no parece tener mucho en él.
@Zassounotsukushi Muy bien, mire donde mire, la parte "actual" del proceso Blandford-znajek parece darse casi por sentada. Parece que las fuertes líneas del campo magnético aceleran el electrón/partícula cargada, y el remolino del espacio le hace una cosa u otra. El resultado final es que se desarrolla una diferencia de potencial y hay una corriente.
Creo que necesitamos a alguien que entienda mejor GR para terminar con esto.
Hice una pregunta sobre el proceso Blandford-Znajek. Probablemente aclarará las cosas. física.stackexchange.com/questions/20871/…
@Manishearth: ¿fuente de la imagen? me parece una lectura interesante..
@VineetMenon: Está justo ahí en la publicación. Agujeros negros y distorsiones del tiempo, Kip Thorne. Pág. 53
¿Qué tan difícil sería inyectar materia en el agujero? La poderosa radiación podría vencer a la gravedad.
En realidad, no se espera que los agujeros negros pequeños sean negros mientras que también son pequeños , lo que significa que tienen una gravedad, masa y volumen relativamente bajos y, como tales, son más fáciles de construir.

Con esta respuesta, voy a enumerar algunas de mis notas del artículo que @zephyr publicó como comentario, http://arxiv.org/abs/0908.1803v1 . Usar la radiación de Hawking como medio de conversión de masa en energía parece, en una palabra, absurdo. El documento, sin embargo, abordó exactamente eso para usar en impulsar una nave espacial tripulada a las estrellas.

La radiación de Hawking como fuente de empuje

En primer lugar, permítanme enumerar los parámetros del BH discutidos en el documento:

  • masa de 10 12 k gramo
  • radio de 10 − 10 metro , o 10 − 18 metro , no está del todo claro
  • el poder de PAGS = a F ( T ) / R 2 , que es diferente dependiendo de los números que intento del papel, mi primer intento me da 13 W , lo que indica que el radio de 10 − 10 metro es demasiado grande.

Buenos puntos

Tal nave espacial, por cierto, es una actividad extraordinariamente intensiva en energía. Una fracción importante de la masa de cualquier nave espacial tendría que convertirse necesariamente en energía para que la idea sea viable. Por lo tanto, es necesario que el dispositivo de confianza tenga una eficiencia de conversión de masa en energía muy alta para este proceso. Esta es una de las razones por las que la radiación de Hawking puede ser la única opción viable para ciertos viajes.

Cuando pensamos en diseñar una nave espacial, nuestras consideraciones van más allá de la propia nave. Se necesitarán actividades vinculadas a la Tierra o a la energía solar para construirlo y preparar la fuente de energía. El documento compara la radiación de Hawking con un cohete de antimateria. Hace la afirmación general de que los teóricos no predicen que la eficiencia de producción de antimateria exceda 10 4 entrada de energía a la masa creada. Ahora, toda la masa de la antimateria se convertirá en propulsor de fotones en servicio en la nave espacial. La cuantificación de la eficiencia de un agujero negro artificial es un poco más complicada. Así que hice una foto.

Espero que puedas leer esto, eficiencia de BHPP

Básicamente, junta una cierta cantidad de masa para que se comprima más que su horizonte de eventos y tiene un agujero negro. Obviamente, este sería un proceso muy energético, por lo que tenemos que incluir la energía cinética utilizada para juntar esta materia en un punto extremadamente pequeño. Sin embargo, mientras lo usa, puede agregar tanta masa como desee al BH con relativa facilidad porque una vez que está en el horizonte de eventos, se ha agregado a la masa. La radiación Hawking se emitirá continuamente (lo quieras o no), y al final del viaje te quedará algo de masa como BH que no usaste. Es importante incluir esto para una nave espacial porque para una nave espacial la conversión de materia-energía en energía es importante. Para el poder civil, generalmente elLa conversión de energía a energía es importante. Definí la conversión de materia a energía arriba, pero la eficiencia de energía a energía sería:

η = METRO + mi + METRO ′ − METRO ″ mi

El punto al que quiero llegar es que la eficiencia de conversión de masa a energía será cercana a 1, similar a la antimateria. La conversión de energía a energía será mucho mayor que 1, a diferencia de 10 − 4 para el caso de la antimateria. Basados ​​en energía pura, los BH serían muy eficientes, livianos e ideales para una fuente de empuje interestelar .

La otra razón principal para observar la radiación de Hawking de los agujeros negros artificiales es que tienen un muy buen confinamiento . El uso de antimateria requeriría confinar activamente la antimateria, para lo cual las perspectivas no parecen buenas. Si fallan los métodos de confinamiento activo , se producirá una explosión espectacular que destruirá la nave espacial y el vecindario cósmico local. Un BH, por otro lado, está confinado pasivamente por la gravedad. Si se deja reposar durante el tiempo suficiente, sí, puede evaporarse y destruir tanto, pero eso llevará tiempo.

inconvenientes

En primer lugar, para obtener el nivel de potencia necesario, el BH tendría que ser un "agujero negro subatómico" (SBH), con un radio inferior a 10 − 10 metro . Aparentemente, no sabemos exactamente cuánta energía emitiría un SBH de masa dada, eso requiere básicamente modelos de física de gravedad cuántica, y esos no están completamente decididos.

Además, aparentemente, tal SBH emitiría parte de su masa como masa, no como energía . Esto significa que la masa no se convertiría en empuje para una nave espacial y no se convertiría en energía útil en una aplicación de tipo de planta de energía civil. Además, los neutrinos se crearían y emitirían isotrópicamente, sin aportar nada ni al empuje ni a la energía útil.

Aparentemente, la temperatura del SBH sería muy alta, en algún lugar en el rango de 0.06 GRAMO mi V y 100 GRAMO mi V para los parámetros discutidos en el documento. Estas energías tendrán un gran multiplicador para calcular el daño material por radiación. El blindaje también sería difícil.

La masa entretenida en el periódico es 10 12 k gramo , y para crear el agujero negro, este tendría que ser acelerado/comprimido en un radio subatómico. A riesgo de sonar sarcástico, esto no parece fácil. Básicamente, esto significa que si puedes comprimir el Monte Everest en el volumen de un solo átomo, puedes tener energía libre. Un método discutido es usar "láseres de rayos X convergentes" para hacer esto. Aparentemente, la autogravitación puede ayudar a enfocarlos en un punto. Esa es una buena noticia.

Te recomiendo que busques el agujero negro en Wikipedia. Todas sus preguntas abiertas se responden allí. Busque también la radiación de Hawking.
¿Cómo pudiste acelerar el agujero negro?
@KevinKostlan refleja la radiación hawking en un solo lado hacia el agujero negro para darle un empuje neto
Es difícil reflejar los rayos gamma, y ​​aún más difícil devolverlos a un objetivo tan pequeño.
Tienes un objeto de masa Everest del tamaño de un núcleo que emite 300 megavatios. Es difícil empujar o tirar de eso, ya que cualquier cosa que se acerque se vaporizará. No puedes poner mucha masa cerca de él para jalarlo. No puedes cargarlo ya que estará emitiendo electrones o positrones y de esta manera puede neutralizarse. Maby magnatic monopoles (demasiado pesados ​​para ser emitidos por hawking raiation y auto neutralizarse) jajaja.
El radio del agujero negro subatómico (SBH) se limitó a 1/6 a 6 attómetros en la parte principal del papel; aparentemente 10^(-18) más o menos un factor de 6.
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