ダイソン球の作り方は？宇宙の専門家が解決策を提案

近年、SFの世界の超構造物であるダイソン球は思想家を魅了してきました。少し前、ベルリン工科大学天文学・天体物理学センターの宇宙生物学者ディルク・シュルツェ・マクフ氏が、ダイソン球の作り方を解説する記事を執筆した。

理論物理学者のビジョン1960 年、英国の理論物理学者フリーマンダイソンは、サイエンス誌に 1 ページの論文を発表し、人類のテクノロジーの将来についておそらく最も希望に満ちたシナリオを描写しました。

ダイソンは、高度な文明が自らの惑星の周りに球体を構築し、その惑星のエネルギー出力を吸収することで、増大するエネルギー需要を満たすことができると構想しました。

想像上のダイソン球

ただし、この論文はより理論的なものであり、実際のエンジニアリングの応用については議論されていません。ダイソン氏は、この巨大建造物がどのような外観になるのか、またどのように建設されるのかについて、これ以上の詳細は明らかにしなかった。彼は単に、その球体を惑星を取り囲む「居住可能な殻」と表現した。しかし、それは多くの天体物理学者、科学者、SF作家を魅了し、刺激を与えるには十分です。

ダイソンの説明によると、ダイソン球は地球にほぼ触れるほどの星を囲む巨大なリングのように見える。別の説明では、ダイソン球は太陽を完全に取り囲み、太陽が放出するエネルギーをすべて捕捉する巨大な構造物です。ダイソン球は科学的な著作だけでなく、小説や映画、テレビ番組にも登場します。たとえば、「スタートレック」では、ダイソン球は高度な文明の故郷です。

ダイソンはそのような巨大なものを建造することの難しさを確実に理解していたため、彼自身はダイソン球を建造する可能性については懐疑的でした。しかし、彼のダイソン球のコンセプトは、文明の未来に対する野心的なビジョンを刺激し、人類の最も破滅的な苦境のいくつかに対する解決策を提示しています。

太陽や他の星の全エネルギーを活用すれば、当面の、そして長期的なエネルギー危機に対処できる可能性があります。しかし、恒星の全エネルギー出力を利用できるようになると、それは単に地球のエネルギー需要を満たす以上のものになります。

『スタートレック：新世代』の「遺物」エピソードは、1992 年 10 月 12 日に初放映されました。写真は、ダイソン球の横にあるエンタープライズ号です。

これほど多くのエネルギーが利用可能であれば、生命が存在する可能性のある太陽系外惑星に高エネルギーのレーザーパルスを送信し、遠く離れた文明と通信できる可能性が大幅に高まります。ダイソン動力のビームは、現在知られているどの手段よりも遠くまで宇宙を進み、私たちが送信する信号を減衰させる塵の雲など、宇宙の高密度領域を貫通することができる。

あるいは、このエネルギーを使って太陽系外惑星に直接移動することもできるし、あるいは一部の天体物理学者が構想しているように、量子重力実験を通じて時空連続体を操作することで旅程を短縮することもできる。もう一つの興味深いアイデアは、純粋な光子からいわゆるクーゲルブリッツ・ブラックホールを作り出すというもので、これは理論的には将来の恒星間宇宙船に動力を与えることができることが示されています。時空を歪めることで、光速よりも速く移動したり、銀河を横断する近道となるワームホールを作成したりできるようになるかもしれません。

さらに興味深いのは、ダイソン球によって提供されるほぼ無限のエネルギーが、寿命を延ばす上での最も重要な課題のいくつかを解決できる可能性があることです。極低温技術の支持者は、この技術を大規模かつ長期間使用するには、現在利用可能な量をはるかに超える膨大な量のエネルギーが必要になることを認識しています。

2018年、研究者のアレクセイ・トゥルチン氏とマキシム・チェルニャコフ氏は、人工知能が死者のDNAやその他の情報を使って、シミュレーションの世界でデジタル的に死者を再現できる可能性があると提唱した。ほぼ不死の種族に属するシミュレートされた人間の十分に豊富なサンプルを作成するには、膨大な量のエネルギーと、多くの道徳的、哲学的なハードルをクリアする必要があります。しかし研究者らは、ダイソンの技術が必要なエネルギーを供給できる可能性があると示唆している。

ダイソン球を作ることは可能でしょうか？

今日、ダイソンの野心的なビジョンはこれまで以上に意味を持つように思われます。米国エネルギー情報局によると、技術が現在の成長曲線のまま続けば、世界のエネルギー需要は今後30年間で50パーセント増加する可能性がある。

風力、太陽光、その他の再生可能エネルギー源は短期的には役立つだろうが、長期的な解決策にはより大胆なエンジニアリングが必要となる。ダイソン球は大胆な解決策かもしれないが、それを実現するには、私たちよりも何千年も進んだ文明でも解決できないかもしれない多くの物理的、機械的な問題を克服しなければならないのは明らかだ。

ベルリン工科大学の天文学・天体物理学センターの教授として、私は数十年にわたり、高度な地球外文明が存在する可能性を探求してきました。私は地球外生命に関する本を 5 冊共著しており、科学への関心から、ダイソン球が高度な地球外技術である可能性を調査するようになりました。約 10 年前、私は地球外文明によるものかもしれないさまざまな大規模プロジェクトに興味を持つようになりました。

芸術的に表現されたブラックホールは空間と時間を歪め、ワームホールを作り出します。

2010年に、私はダイソン球の建造の実現可能性を調査しました。ワシントン州立大学プルマン校で物理学を学んでいた元教え子のブルックス・ハロップと一緒に研究していたとき、私たちはダイソン球の一般的な概念にいくつかの問題があることを発見した。その中でも特に問題だったのが、球が崩壊する危険性だ。星の周りを回る硬い同心球は、あらゆる点で重力の影響を受けます。

現在知られているいかなる物質もこの力に抵抗することはできません。技術者は、シェルを所定の位置に保つための反力を生み出す複雑なスラスターシステムを使用して、この問題に対処しようとするかもしれません。

しかし、シェルの巨大な質量を考えると（ほとんどのシナリオでは、構造物の半径は地球と太陽の間の距離である9300万マイル）、そのようなシステムはまず、シェルによって集められたエネルギーのすべてではないにしても、ほとんどを消費することになるだろう。

これらの問題を克服し、遠い将来にこの球体を建造できると仮定すると、この球体は隕石、小惑星、放射線、太陽フレアからどのように生き残るのでしょうか?ハレー彗星に匹敵する質量を持つ物体が球体に衝突した場合、その運動エネルギーは人類が爆発させた最強の核兵器であるツァーリ水素爆弾100万個分を超えることになる。

ダイソンはこれらのリスクを予測し、恒星の周囲にこの殻やリングが存在する可能性は低いと認めた。しかし、物理学者は解決策を提案した。それは、恒星の周りを独立した軌道で周回する物体の群れがあれば、固体ダイソン球の物理的および機械的な問題のほとんどを回避しながらエネルギーを収穫できるというものだ。

これらの衛星は時間の経過とともに徐々に構築され、システムに追加され、クラスターのエネルギー出力が徐々に増加します。

ダイソンの約1,000万個の衛星群は人類のエネルギー需要を満たすことができる。これには多数の衛星が必要となるが、現代の衛星群はそのような技術的偉業の前例を打ち立てている。 SpaceXは毎月240基のStarlink通信衛星を打ち上げることができ、2022年2月時点ですでに2,000基以上の衛星を宇宙に打ち上げている。

完成すれば、クラスターの数は数万に達する可能性がある。これはダイソンの群れの数よりはるかに少ないが、私たちの想像力をかき立てるには十分な数だ。

より現実的な解決策：ダイソンスウォーム

ダイソンのオリジナル設計の難しさを克服するために、ハロップと私は、それをより実現可能な設計、つまりダイソンスウォームに置き換えることを模索しました。私たちはこの計画を太陽風力発電衛星 (SWPS) と名付けました。従来の太陽電池パネルは可視光からエネルギーを集めますが、私たちの衛星は太陽風の半分を構成する電子を集めます（残りの半分は陽子とアルファ粒子で構成されています）。

高速太陽風の速度は約 750 km/s で、これらの電子は太陽電池パネルに当たる可視光線の電子よりもエネルギーが高くなります。私たちの SWP 衛星の核は太陽に向けられた長い金属線で、これが充電されると磁場が生成され、入射する電子が球形の金属受信機に導かれます。これらの電子は電流を生成し、ワイヤ内の磁場を維持し、両者の間で安定性を維持できるシステムを形成します。

電流の大部分は、地球上の受信局に赤外線レーザー光を送信するための電力を生成するために使用される。赤外線は、大気中の透明な「赤外線の窓」により、約 8 ～ 13 ミクロンの波長が吸収されることなく通過できるため、最適な選択肢です。

レーザーが電気エネルギーを受信ステーションに送信した後、残りの電子はリングセイルに戻り、そこで輝く太陽光によって励起され、衛星を恒星の周りの軌道に維持するのに十分なエネルギーが生成されます。

イギリス生まれのアメリカの理論物理学者フリーマン・ダイソン（1923-2020）が、2009年2月24日、ニュージャージー州プリンストン高等研究所のオフィスに座っている。

各 SWP 衛星の重量は約 3.7 トン (GPS 衛星の約 3 倍) で、1 日 24 時間連続で約 2 メガワットの電力を出力します。これは、米国国内の衛星約 1,000 基に電力を供給するのに十分な量です。 1 つの SWP 衛星群で人類のすべてのエネルギー需要を満たすことができます。

衛星は比較的単純で安価な材料から製造できます。各衛星の建造コストは主に 950 フィートの銅線です。これらの衛星は太陽風を動力源とするため、熱の吸収は最小限に抑えられ、ほぼ 100% の効率で動作します。対照的に、従来の太陽電池は半導体に高純度のシリコンが必要なため製造コストが高く、効率も約20パーセントと非常に低い。

ダイソン群は依然として多くの技術的障害に直面している。 SWP 衛星はメンテナンスがほとんど必要ありませんが、自動クリーニング機能はありません。衛星の帆が太陽風から電子ではなく正イオンを捕捉すると、衛星の効率が低下し、システム全体のパフォーマンスが時間の経過とともに低下します。

また、私たちは別の難しい問題も解決していません。それは、常に変化する太陽風の中で衛星を安定した位置に保つ方法と、恒星の周りを回る何百万個（最終的には何十億個）もの衛星の軌道をどう整えるかということです。

近年、低出力エネルギー供給レーザーシステムは大きく進歩しましたが、そのシステムを宇宙で動作させることは依然として課題となっています。 1 ℃未満の小さな温度変化でも、レーザーの波長と出力効率に大きな変化が生じる可能性があります。

宇宙で一定の温度を維持するのは難しいことです。空気なしで、高温の物体から低温の物体に熱を伝達するのは困難です。ダイソン群にはまだ解決されていない厄介な問題が数多くありますが、おそらくそれらはすでに別の文明によって解決されているのでしょう。

宇宙にはダイソン球が存在するのでしょうか？

カーディフ大学の上級研究員ウィリアム・ベインズ氏と私が共著した著書『宇宙動物園：多世界における複雑な生命』では、惑星上で生命が誕生すると、その惑星が十分長く居住可能な状態を維持すれば、その生命はやがて知性へと進化すると主張している。

この議論の根拠は、地球上の生命の進化におけるすべての主要な変化は、互いに独立して、または異なる生化学的経路を介して、複数回発生したように見えるというものである。これは、宇宙にある他の数兆個の惑星のいくつかが同様の進化の過程を経てきた可能性があり、これらの惑星上の一部の生命体が知的生命体へと進化した可能性があることを示唆している。

彼らはダイソン球を建造するのに十分な技術を持っているのでしょうか?フリーマン・ダイソンは、ダイソン球を作ればそれを検出できるだろうと仮説を立てました。

固体シェルを備えた従来のダイソン球は、現在の人間の機器で検出できる中赤外線波長の残留エネルギーを放射します。少なくとも1つの研究グループがそのようなシグナルを探し始めている。

ペンシルベニア州立大学の天文学および天体物理学教授ジェイソン・ライト氏とカリフォルニア工科州立大学の物理天文学部のマット・ポヴィッチ氏は、NASAの広域赤外線探査衛星（WISE）のデータを使用して、宇宙のダイソン球からの強力な赤外線シグネチャの探索を開始した。

その探索ではダイソン球は発見されなかったが、おそらく我々の望遠鏡が宇宙に巨大構造物を発見していない理由は、我々の論文で推測したのと同じ結論、つまり巨大で強固なダイソン球を建造するのは、我々よりも進んだ文明にとっても非現実的であるという結論に宇宙人が達したためだろう。

太陽が巨大構造物に包まれたり、太陽の周りを回る何百万もの衛星からエネルギーを吸い上げたりするのを私たちが目にすることは決してないかもしれないが、ダイソン球に触発された科学とSFは、この惑星とその外の生命についての私たちの最もワイルドな想像力を刺激し続けるだろう。

これはダイソン球の最も価値ある貢献かもしれません。ダイソン球は私たちに野心的な目標を設定し、革命的な発見に挑戦し続けるための道を開いてくれます。

参考文献