สาระความรู้ทั่วไป: Dyson Sphere

ทรงกลมไดสัน(A Dyson sphere)
เป็นความคิด เชิงทฤษฎีเกี่ยวกับการสร้างโครงสร้างขนาดยักษ์ในอวกาศ ถูกพูดถึงเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1959 โดยนักฟิสิกส์ชื่อ ดร.ฟรีแมน เจ. ไดสัน(Freeman Dyson) ในงานบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science ชื่อบทความว่า "Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation"

ลักษณะของทรงกลมไดสัน
มี ลักษณะเป็นเทหวัตุทรงกลมกลวง ที่สร้างเอาไว้รอบดาวฤกษ์แม่ของระบบดาวเคราะห์ที่มันถูกสร้างเอาไว้ ออกแบบเช่นนี้เพื่อที่จะใช้ประโยชน์จากพลังงานของการแผ่รังสีเกือบทั้งหมด ที่ดาวฤกษ์ดวงนั้นให้ออกมาโดยมีจุดประสงค์เพื่อใช้พลังงานเหล่านั้นในเชิง อุตสาหกรรม

ถึงแม้ว่าไดสันจะได้รับเกียรติให้เป็นบุคคลแรกที่ทำให้ ความคิดเกี่ยวกับสิ่งก่อสร้างทำนองนี้ ได้มีการแพร่หลาย และรู้จักกันอย่างเป็นทางการ แต่ตัวเขาเองนั้นได้แรงบันดาลใจเกี่ยวกับความคิดนี้มาตั้งแต่ปี 1945 จากนิยายวิทยาศาสตร์ชื่อ "ผู้สร้างดวงดาว(Star Maker)" ซึ่งประพันธ์โดย Olaf Stapledon ครับ

ข้อเขียนเชิงทฤษฎีที่เสนอโดยไดสันไม่ได้ลงไปใน รายละเอียดมากนักว่าเราจะสร้างทรงกลมไดสันได้อย่างไร หากแต่เน้นไปที่ประเด็นพื้นฐาน ในแง่ที่อารยธรรมชั้นสูงหนึ่งๆ ควรจะต้องมีการขยายตัวด้านการผลิตพลังงานเพื่อเอามาใช้งานไปจนถึงขั้นสูงสุด ที่จะเป็นไปได้สำหรับระบบสุริยะระบบหนึ่งๆ

อารยธรรมที่สามารถทำได้ ถึงขั้นดังกล่าว อาจจำแนกให้เป็นอารยธรรมแบบที่ 2(Type II civilization) ภายใต้หลักการจำแนกอารยธรรมของคาร์ดาเชฟ(Kardashev classification scheme) ที่พัฒนาขึ้นโดยนักดาราศาสตร์ ที่มีชื่อว่า Nikolai Kardashev

ความ คิดของ ไดสันสเพียร์ ต่อมาถูกดัดแปลง นำเอาไปใช้ในนิยายวิทยาศาสตร์หลายชุด เช่น ชุด พิภพวงแหวน(Ringworld) ที่โด่งดังเป็นพลุแตก ในปี 1970 จนได้รับรางวัล Hugo และ Nebula Award มาแล้ว ซึ่งมีหนังสือนิยายอยู่ในซีรีส์นี้หลายเล่มด้วยกัน ได้แก่ Ringworld, The Ringworld Engineers, The Ringworld Throne, etc. นอกจากนี้ซีรีส์ดังอีกเรื่อง คือนิยายไซไฟในชุดของ Culture Novel ที่แต่งโดย Ian M. Banks ซึ่งกล่าวถึงอารยธรรมผสมระหว่าง Humanoid และเครื่องจักร ซึ่งสร้างนิคมอวกาศในรูปแบบ Partial Dyson Sphere เป็นแถบวงแหวนขนาดยักษ์ที่เรียกว่า ออบิตัล โคจรรอบดาวฤกษ์แม่

อย่าง ไรก็ดีการสร้างวัสดุที่เหมาะสมในการใช้กับโครงสร้างแบบนั้นเป็นไปได้ยาก ที่เป็นไปได้มากกว่าคือการสร้างด้วยวัสดุเบาบาง แต่เหนียว คล้ายกับแบบที่ใช้กับใบของเรือใบอวกาศ ที่ใช้ลมสุริยะในการขับเคลื่อน อย่างที่คุณ อีคิวศูนย์ เคยตั้งกระทู้เอาไว้ และเคยมีคนคิดถึงการใช้วิธีการถักทอเอาเส้นใยบางอย่างเข้าไปเพื่อทำให้วัสดุ เหล่านั้นสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าออกมาได้เมื่อได้รับแสงหรือคลื่นแม่เหล็ก ไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นอื่นๆ

เนื่องจากทุกครั้ง ก่อนจะเขียนนิยายวิทยาศาสตร์แบบ Hard Science Fiction นอกจากจะวางพล็อตเรื่องแล้ว เราสมควรจะต้องสำรวจความเป็นไปได้ก่อนทุกครั้ง (ในที่นี้เราไม่ได้กำลังพูดถึง Soft Scifi หรือ Science Fantasy แต่อย่างใด)

ดังนั้นความเป็นไปได้ของการสร้างนิคมอวกาศแบบนี้ จึงขึ้นอยู่กับความสมจริงทางการคำนวณที่ได้ในทางทฤษฎีก่อน...

เราลองมาคำนวณดูว่า ทรงกลมไดสันจะร้อนขึ้นหรือเปล่า และจะร้อนขึ้นอย่างไร

สมมติ ว่า อารยธรรมใดๆที่อาศัยอยู่ในทรงกลมไดสัน(แม้แต่ของมนุษย์เราในอนาคต-ถ้าอยู่ รอดไปจนถึงขั้นที่มีเทคโนโลยีสร้างสิ่งก่อสร้างเช่นนี้ได้) พยายามอย่างดีที่สุดแล้วที่จะกักเก็บพลังงานที่ได้ แต่อย่างไรก็ตาม ก็คงไม่อาจฝืนหลักการทางอุณหพลศาสตร์ได้ ดังนั้นเทหวัตถุทรงกลมดังกล่าว จึงมีการแผ่รังสีออกมาจนกว่าจะถึงสมดุล อุณหภูมิของมันจะเท่ากับที่คำนวณได้จากสมการการแผ่รังสีจากวัตถุดำ (เอาง่ายๆแบบนี้แหละ ก่อนที่จะหาละเอียดๆต่อไป)

T=[E/(4p e s r²)]^1/4

เมื่อ
e = emissivity (= 1 หากเป็นวัตถุดำ)
s = Stefan-Bolzman’s constant (5.67032 X 10-8 W/m²K⁴)
E = พลังงานรวมที่ดาวฤกษ์เปล่งออกมาเป็นวัตต์

ใน ทางทฤษฎีแล้ว หากค่า emissivity มีค่าต่ำมาก ภายในของทรงกลมนี้อาจร้อนได้เท่าที่เราต้องการ แต่ว่ากรณีนี้มีโอกาสเกิดได้น้อยมาก เพราะว่าวัสดุที่ใช้ทำทรงกลมจะเริ่มละลายแล้วก็ระเหยไปหากอุณหภูมิสูงเกิน กว่า 2000 – 3000 เคลวิน หรืออยู่ในช่วงประมาณนั้น และถ้าเก็บความร้อนได้ขนาดนั้นอุณหภูมิพื้นผิว(อุณหภูมิบรรยากาศชั้นบนๆ) ของดาวฤกษ์ก็จะสูงขึ้น และดาวฤกษ์จะขยายตัวออกมา จนกว่าจะเข้าสู่สมดุลทางความร้อนอันใหม่ที่มีการผลิตพลังงานความร้อนภายใน ดวงดาวน้อยลง
ถ้าหากทรงกลมอันนี้เป็นภาชนะที่เก็บพลังงานได้อย่างสมบูรณ์ ดาวอาจจะขยายตัวออกมาและเย็นตัวลงเรื่อยๆ จนปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันหยุดลงเมื่อถึงจุดหนึ่ง แต่หากมีการลดอุณหภูมิลง(โดยการใช้พลังงาน) ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันจะกลับมาจนถึงสมดุลอีกครั้ง

ในระยะที่ห่าง จากดาวฤกษ์แบบ G เท่ากับที่โลกห่างจากดวงอาทิตย์ (ระยะหนึ่งหน่วยดาราศาสตร์ – 1 A.U. คือระยะทางที่โลกห่างจากดวงอาทิตย์ ซึ่งเท่ากับ 149.6 ล้านกิโลเมตร หรือ 93 ล้านไมล์) นั้น...

ฟลักซ์ของพลังงานที่ได้ อาจมีประมาณ 1.4 X 10³ W/m² ซึ่งคำนวณออกมาได้ที่ประมาณ 395 เคลวิน หรือ 122 องศาเซลเซียส ถ้าหากทรงกลมนี้เป็น blackbody จะเห็นได้ว่าร้อนเกินไป สำหรับการสร้างชีวาลัย(Biosphere) ที่มีลักษณะเช่นเดียวกับโลก

โดย ที่โลกเรามีอุณหภูมิอยู่ในช่วง -90 ถึง 60 องศาเซลเซียส หรือ -130 ถึง 140 องศาฟาเรนไฮต์ (เพราะโลกเราหมุนรอบตัวเอง ดังนั้นในทางปฏิบัติเราจึงได้รับฟลักซ์ของพลังงานการแผ่รังสีที่ตกลงบนพื้น ผิวน้อยลงไปครึ่งหนึ่ง แถมยังเป็นลูกกลม(แป้นนิดๆ) เสียด้วย ซึ่งทำให้ลดพลังงานที่ได้ลงไปอีก)

ดังนั้นจะเห็นได้ว่าทรงกลมไดสันต้องการระบบการระบายความร้อนที่พึ่งพาได้ หากเราต้องการให้มันใช้งานเป็นนิคมอวกาศได้จริง

ถ้า เราปล่อยให้ทรงกลมไดสันเย็นลงเอง รัศมีของทรงกลมที่น้อยที่สุดที่จะเป็นได้สำหรับวัสดุที่ใช้ในการสร้างทรงกลม ไดสัน ที่ทนอุณหภูมิสูงสุดได้เท่ากับ T_max อาจหาได้จาก

r_smallest = (E/4 p e s T_max⁴))^0.5

เพชร อาจทนอุณหภูมิได้ถึงราว 4000 K ถ้าเราลองใส่ 4000 K ลงในสมการ เราจะได้ค่ารัศมีทรงกลมที่น้อยที่สุดเท่ากับ 1.4 X 10⁹ เมตร หรือประมาณ 1.4 ล้านกิโลเมตร แต่ถ้าวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวประมาณ 1000 K เราจะได้รัศมีที่น้อยที่สุดเท่ากับ 2.37 X 10¹⁰ เมตร หรือประมาณ 23 ล้านกิโลเมตร ซึ่งมีค่าประมาณ 2 – 32 เท่าของรัศมีสุริยะตามลำดับ แต่หากมีระบบระบายความร้อนที่ดี ทรงกลมนี้อาจจะสามารถสร้างให้เล็กลงได้อีกมาก

ในความเป็นจริงถ้าจะ สร้างเป็นนิคมอวกาศ เราอาจจะไม่มีวัสดุในระบบดาวเคราะห์ มากพอที่จะสร้างเป็นทรงกลมอยู่แล้ว น่าจะเป็นในแบบแถบวงแหวนมากกว่า เนื่องจากมีหนทางในการระบายความร้อนที่ดีกว่า

เราอาจจะมาดูเรื่องแรง โน้มถ่วงของวัสดุที่มีความหนาต่างๆกันทีหลัง และหากทำให้มันหมุนรอบตัวเอง จะเกิดอะไรขึ้น ใครสนใจจะลองคิดคำนวณเล่นๆดูเชิญแจมกันได้นะครับ

ผม มีความรู้สึกตะหงิดๆ(ที่จริงอย่างแรง) ว่าข้อมูลข้างบนที่เอามาจากข้อมูลของเว็บฝรั่งจะผิด(อย่าไปเชื่อมันครับ) เพราะเปิดหนังสือข้อมูลการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์แล้วมันไม่เท่ากับตัวเลขนี้ (ถ้าที่พื้นผิวเลย ดวงอาทิตย์เราให้พลังงานออกมารวมประมาณ 3.8 X 10²⁶ W)

จะว่าไปแล้ว ทรงกลมไดสัน ถือเป็นความทะเยอทะยานทางวิศวกรรมของสปีชีส์หนึ่งๆ มากกว่าการสร้างลิฟท์อวกาศเสียอีก

หาก แต่ที่จริงแล้ว ทรงกลมไดสันที่เป็นทรงกลมจริงๆไม่อาจสร้างได้ในทางปฏิบัติครับ(แต่ข้างบนคิด เล่นๆสนุกดี) เพราะทรงกลมไดสันควรจะต้องมีการหมุนรอบตัวเองเพื่อให้มีโมเมนตัมเชิงมุมมาก พอที่จะดุลอยู่กับ แรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ดวงแม่ ที่เส้นศูนย์สูตรการเหวี่ยงอาจจะมากพอแต่ที่ขั้วของทรงกลม แรงดึงดูดจะทำให้โครงสร้างหลุดออกมาแล้วถูดดูดเข้าไปสู่ดาวฤกษ์

ดังนั้นโครงสร้างที่อาจเป็นไปได้ คือโครงสร้างที่เป็น Ringworld ของ Larry Niven มากกว่า โดยมีหลายวงแหวนซ้อนกันอยู่ โดยมีระนาบเอียงของวงโคจรไม่เท่ากัน เพื่อให้แต่ละวงได้รับแสงของดาวฤกษ์ที่มันโคจรรอบอยู่ ซึ่งหน้าตาจะคล้ายกับรูปที่วาดโดย เอสเชอร์ รูปนี้