¿Se puede cosechar el fondo cósmico para obtener energía?

Supongo que te refieres a la radiación cósmica de fondo de microondas .

Una radio sintonizada en una frecuencia vacía escucha ruido "estático". Una pequeña fracción de la estática recibida por un televisor analógico es, de hecho, el CMB. ¿Podría un sistema de antena recolectar algo de esto y, con un diodo o algo similar, convertirlo en una pequeña cantidad de electricidad útil? Los detectores CMB suelen ser bolómetros: antenas + resistencias + sensores de temperatura, pero en este caso podrían ser diodos, como ha señalado aquí , que pueden proporcionar algo de alimentación de CC desde la CA original.

tl;dr: ¡no! La termodinámica siempre gana, a menos que su nave espacial y la electrónica estén por debajo de 2,7 K.

Pero veamos lo que perdimos:

Para tener una idea aproximada de la cantidad de energía potencialmente disponible, sin considerar el funcionamiento real del circuito que tendría que ser bastante ancho de banda para hacer un uso eficiente del espectro, aquí hay un cálculo rápido de la energía de microondas incidente de energía disponible . Es solo un límite superior a lo que sería posible recolectar.:

En lugar de integrar la distribución térmica, usemos el ancho completo de 200 GHz y una altura de 400 MJy/sr (ver más abajo). Los datos también están disponibles aquí .

MJy es 1E+06 Jansy. Un Jansky es 1E-26 Watts por metro cuadrado por Hertz.

Digamos que la antena tiene cierta direccionalidad (siempre la tienen a menos que jueguen trucos con la polarización) y llamemos a la aceptación 1/2 de una esfera, o 2$\pi$Sr.

400E+06 Jy/sr * 2$\pi$sr * 200E+09 Hz * 1E-26 W/m^2 ~ 1E-06 W/m^2

Eso es 1 microvatio por metro cuadrado posible . Su kilometraje puede variar.

Para comprobarlo, utilice la ecuación de Stephan-Boltzman $P=\sigma T^4$. Con$\sigma$=5.67E-08 vatios por metro cuadrado por grado Kelvin^4, eso da 3E-06 W/m^2. Recordando el factor 0.5 para la aceptación de la antena, funciona muy bien.

Pero, ¿puede una radio de cristal caliente (digamos 273 K) (rectificación de diodo) realmente extraer energía de una distribución térmica fría? No, el calor fluye de caliente a frío a menos que esté utilizando energía para impulsar una bomba de calor. Desde el punto de vista de la radio, las fluctuaciones eléctricas aleatorias en la electrónica de su radio también transmitirán microondas de regreso al cosmos.

Por lo tanto, tendría que enfriar su radio por debajo de 2.7K para obtener energía . Y en ese punto, acabas de construir un colector térmico y una placa negra de radio fría podría funcionar tan bien como la radio. Pero no estaría ganando energía porque estaría haciendo más trabajo enfriándola .

Así que en una palabra, ¡no! La termodinámica siempre gana, a menos que su nave espacial y la electrónica estén por debajo de 2,7 K.

arriba: Espectro del CMB desde aquí .

arriba: Espectro del CMB trazado con unidades del eje x convertidas de 1/cm a GHz, datos de aquí .

¡Sí! Si asumimos que tiene acceso a un gran agujero negro y materiales que probablemente no puedan existir, puede hacer funcionar un motor térmico a partir de la radiación cósmica de fondo de microondas.

Los agujeros negros de tamaño razonable son fríos. Muy frío. Mil millonésimas de Kelvin para un agujero negro de masa estelar, que es varios órdenes de magnitud más frío que el CMB. La temperatura de un agujero negro se llama Temperatura de Hawking.

Eso significa que podría tomar un motor térmico usando helio como fluido de trabajo. Su sumidero frío será un gran radiador frente al agujero negro que está orbitando muy de cerca. Su fuente de calor es una placa similar que mira hacia el lado opuesto del agujero negro. Necesitará algún tipo de aislamiento multicapa entre ellos para un rendimiento óptimo. En este punto, cabe señalar que si alguna materia cae en el agujero negro, estará produciendo radiación y no podrá usarla como sumidero frío.

¿Cuánta energía obtendrás? No mucho, pero como el helio no sería un gas no sé cómo calcularlo. Sin embargo, como límite superior, la Ley de Stefan-Boltzmann lo limita a menos de 3,1 microvatios por metro cuadrado.

Honestamente, probablemente sería más fácil usar el Proceso de Penrose si pudieras hacer ingeniería real tan cerca de un agujero negro. https://en.wikipedia.org/wiki/Penrose_process

Probablemente desee recolectar energía utilizable , un físico preferiría llamar a eso baja entropía . Recolectar energía significaría que te calientas indefinidamente. Aceptar que la termodinámica impulsa procesos técnicos deterministas (así como la vida en la tierra) es la clave para comprender este problema.

La mayor parte de su campo de visión, el fondo cósmico de microondas, es una radiación de cuerpo negro casi perfecta con una temperatura de 3,7 K. Una vez que su nave espacial se enfríe por completo hasta este punto, su balance de entropía será uniforme.

Sin embargo, puede usar pequeñas fluctuaciones en la distribución espacial para recolectar energía utilizable al exponer el "extremo caliente" de un aparato de recolección a las partes del cielo más calientes que el promedio, el "extremo frío" a las otras partes. Se acumularía un gradiente de temperatura y se puede utilizar.

Cualquier radiación electromagnética que se desvíe de un espectro de Planck también se puede utilizar volviendo a irradiarla como radiación térmica con mayor entropía (los paneles solares hacen exactamente eso, si lo piensa bien). La luz visible y la radiación del cuásar serían una buena fuente. Desafortunadamente, las fuentes puntuales y las fuentes de radiación de banda estrecha solo ocupan una parte muy pequeña de su campo de visión. Los cuásares son raros y la potencia decae con la ley del cuadrado inverso, por lo que la luz visible de las estrellas puede ser más fácil de obtener.

¿Se puede alimentar un oscilador de reloj con paneles solares en el espacio exterior? Depende de la superficie. Los yacimientos de baja entropía, como los RTG, son soluciones mucho más sencillas.

(algunos de los comentarios a continuación pueden referirse a la versión anterior de mi respuesta, que era bastante diferente)

Sí, teóricamente puedes cosechar el CMBR. Sin embargo...

Las otras respuestas parecen estar describiendo los límites (pequeños) para las antenas "desnudas". Pero no olvide que puede reunir una gran área de fotones entrantes y enfocarlos, por ejemplo, a través de un disco parabólico.

¿Qué tan grande de un plato? Eso depende de ti y de tu nave espacial. Citaste unos 450 fotones por centímetro cúbico, así que creo que puedes calcular cuánto quieres. Como referencia, la frecuencia CMBR es de aproximadamente 160 GHz, en el rango de microondas del espectro. Definitivamente es posible construir un plato lo suficientemente suave que refleje las microondas. (Tenemos tales platos en la Tierra.)

Editar: No importa eso. Parece que el CMBR es en realidad una fuente difusa de fotones (no fotones paralelos), por lo que un disco parabólico no los enfocará.

Sin embargo...

Mencionaste:

cualquier fuente de energía externa; no es necesario que sea CMB específicamente: está disponible durante los viajes intergalácticos, donde no puede depender del viento solar, la luz de las estrellas cercanas o similar; debe depender de lo que esté disponible allí: radiación de fondo cósmica térmica, fondo de microondas cósmico, rayos cósmicos de alta energía, cualquier medio disponible en el espacio intergaláctico, aparte de lo que trajo con la nave.

La fuente de energía externa que creo que sería mejor es la luz estelar cercana . Imagina que tienes un plato parabólico gigante en tu nave espacial, tratando de recolectar el diminuto CMBR. En cambio, recogería mucha más luz estelar de las estrellas cercanas.

¿Cuánta luz de las estrellas? Simplifiquemos con estrellas promedio a distancias promedio. La luz del sol cerca de la Tierra, pero que aún no llega a la atmósfera, llega a alrededor de 1,36 kW por metro cuadrado . La estrella más cercana a nuestro Sol está a unos 4 años luz de distancia.

Así que supongamos que su nave espacial, durante su viaje, siempre está dentro de los 2 LY de una estrella. 1 LY es aproximadamente 63,241.1 AU (1 AU = distancia del Sol a la Tierra). Por lo tanto, la luz de las estrellas llega a 1,36 / 63.241,1^2 = 34,005 nanovatios por metro cuadrado. Pero probablemente haya varias estrellas cercanas. Digamos que, en promedio, su nave está rodeada por 8 estrellas cada 2 LY de distancia. Entonces tienes alrededor de 272 nanovatios por metro cuadrado.

No mucho, pero estoy bastante seguro de que está muy por encima de lo que podría obtener con el CMBR. Tampoco incluye la luz de estrellas más distantes. Con solo conocer la serie matemática de 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 ..., sé que suma 1. Así que supongo que todas las otras estrellas más lejanas suman otra 272 nanovatios por metro cuadrado. El total es 544.

Entonces, si desea 1 vatio, necesita un panel solar de aproximadamente 1,85 millones de metros cuadrados... o un reflector parabólico que ocupa 1,85 millones de metros cuadrados y lo enfoca en un panel solar de solo 1 metro cuadrado.

Tenga en cuenta, sin embargo, que tendrá que apuntar el panel solar o sus focos parabólicos a la estrella más cercana. Podrías tener muchas de esas cosas alrededor de la nave, cada una capaz de girar. Ha habido algunas ideas creativas sobre reflectores grandes y livianos para este propósito, como la vela solar que se despliega y refleja y enfoca la luz hacia la cápsula remolcada.

Para ser claros: ¿realmente quiere decir "radiación cósmica de fondo de microondas" o simplemente "radiación cósmica"? Porque los dos son dos cosas muy diferentes (aunque la respuesta es la misma para ambos, pero la razón es diferente). La radiación cósmica consiste en GCR (radiación cósmica galáctica), un flujo débil de partículas de muy alta energía, y solar, que es un flujo más fuerte de partículas más débiles.

Si bien dicha radiación es muy dañina para el cuerpo, el flujo no representa mucha potencia total. O para decirlo de otra manera, puede matarte, pero no sentirás ningún calor en el proceso. Si bien la potencia (vatios) del flujo es diminuta (y no, su reacción inmediata de "¿qué pasa con un gran..."? Simplemente lo detendré ahí mismo, la respuesta es "no"), es dañino porque libera la energía dentro de sus células , no en la capa protectora de la epidermis. En el momento en que una sola partícula de GCR, una cantidad insignificante de julios, se desacelera por completo, la energía generalmente se ha dividido en muchas otras partículas, y cada una ha dejado rastros de destrucción a través de sus células como microscópicos caminos de bala.

Hay algunas partículas GCR que pueden tener una energía significativa; consulte la "partícula Oh, Dios mío" (una sola partícula medida con la energía de una pelota de béisbol de lanzamiento rápido) para ver un ejemplo. Pero tales cosas son extremadamente raras. Además, se necesita básicamente toda una atmósfera para detenerlos.

En realidad, si pudieras subir hacia velocidades relativistas, esa radiación estaría cargada y sería muy fuerte y caliente. Podrías usar la radiación de microondas como energía si tuvieras una forma de recolectarla. A menos que pueda estar a velocidades casi relativistas, la radiación de fondo sería demasiado débil, pero veamos si al 99,999% de la velocidad de la luz sería abrumadora.