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Raumzeit - Vlog der Zukunft, Dysonsphären - Energie extrem (2018)

Dysonsphären - Energie extrem (2018)

Hallo Raumzeit, Ronny hier. Dyson Sphären – die haben wir schon mehrfach in Raumzeit

erwähnt. Dyson Sphären sind so genannte Megastrukturen, die einen Stern einhüllen

um einen großen Anteil oder gar die Gesamtheit seiner Energie nutzbar zu machen. Wie aber

errichtet man solche Megastrukturen, die sogar die Besatzung der Enterprise in ehrfürchtiges

Staunen versetzen?

Wir finden heute heraus, was eine Dyson Sphäre ist, welche Varianten diskutiert werden und wie wir sie bauen können.

Willkommen bei Raumzeit!

Eine Dyson Sphäre ist eine gewaltige Megastruktur, die einen Stern umgibt. Sie wurde erstmalig in einem Science Fiction Roman im Jahr 1937

beschrieben: Jedes Sonnensystem war umgeben von einem Gewebe

aus Lichtfallen, welche die entweichende Sonnenenergie einfingen, um sie dann intelligent zu nutzen.

In der Wissenschaft wurden sie bekannt durch einen Aufsatz des Physikers Freeman Dyson,

der 1960 argumentierte, dass solche Strukturen zum einen eine logische Konsequenz des steigenden

Energiebedarfs seien. Zum anderen wies her darauf hin, dass wir über Dyson Sphären

fortschrittliche außerirdische Zivilisationen erkennten könnten.

Eine Zivilisation, die Dyson Sphären errichtet, wäre in der Tat sehr weit fortgeschritten. Die ihnen verfügbare Energiemenge würde die der Menschheit um viele Größenordnungen

überschreiten. Der russische Wissenschaftler Kardaschow hat eine Skala entwickelt, um den

Entwicklungsstand einer Zivilisation einzuordnen. In seiner Skala werden Zivilisationen in 3

Stufen eingeteilt, die sich an der für diese Kultur verfügbaren Energie orientieren:

- eine Kardashev 1 Zivilisation nutzt die gesamte verfügbare Energie ihres Planeten

– ein Ziel, dass die Menschheit noch nicht erreicht hat – wir liegen hier bei etwa

70%, sind also auf der Kardashew Skala eine 0,7 Zivilisation

- eine Kardashev 2 Zivilisation nutzt den gesamten Energieausstoß ihres Sterns (die

Sonne erzeugt übrigens Energie im Yottawatt-Bereich – wir haben dazu ein Video gemacht)

- eine Kardashev 3 Zivilisation schließlich nutzt alle Energiereserven ihrer Heimatgalaxie,

die Kraft von Milliarden von Sonnen Eine Zivilisation, die eine Dyson-Sphäre

errichtet hat, wäre damit eine Stufe 2 Zivilisation auf der Kardashev Skala. Ihr Heimatstern würde

visuell quasi erlöschen (das Licht wird durch die Dyson-Sphäre blockiert), aber er würde

natürlich im Infrarotspektrum besonders sichtbar werden, da die Dyson-Sphäre ihre Energie

in Form von Abwärme wieder abgeben muss. In Teleskopaufnahmen im Infrarotbereich könnten

wir Dyson-Sphären also sehr deutlich erkennen. Nach solchen Infrarotquellen, so Freeman Dyson,

müssten wir suchen, um hoch entwickelte außerirdische Zivilisationen zu finden. Am Rande sei hier

bemerkt, dass wir bisher noch nicht fündig geworden sind. Auch die 2015 entdeckten Lichtschwankungen

in Tabbys Star (wir haben dazu bereits eine Episode gemacht), scheinen nicht von einer

Megastruktur wie einer Dyson-Sphäre zu stammen. Aber zurück zum Thema. Dyson Sphären – also

Dyson-Kugeln - ist ein irreführendes Wort, es ist allerdings das gebräuchliche und wird

so auch meist im Science Fiction Bereich benutzt. Auch die Megastruktur, auf die die Enterprise

von Captain Picard stößt, ist eine starre Kugel.

Eine echte Dyson-Sphäre um einen Stern mit einem Radius von 100 Millionen Kilometern

oder mehr kann mit den uns bekannten Materialien schlicht nicht errichtet werden. Eine solche

Kugel müsste eine Rotationsgeschwindigkeit von mehr als 20 Kilometer pro Sekunde haben,

um der Gravitation der Sonne standzuhalten. Kein Material aber käme mit der dann auftretenden

Zentrifugalkraft zurecht – die Sphäre würde schlicht aber spektakulär zerreißen.

Freeman Dyson selbst aber sprach nie von einer Kugel. Er sprach in seinem ursprünglichen

Aufsatz von einer „Shell“, einer Hülle, dies meinte er nicht wörtlich, wie er später

immer wieder klarstellte. Er sagte in einer Antwort auf einen Kommentar zu seinem Aufsatz:

Eine solche Hülle oder ein Ring, der einen Stern umgibt, ist mechanisch unmöglich. Die

Form einer Biosphäre, welche ich mir vorstellte, besteht aus einer losen Ansammlung oder einem

Schwarm von Objekten, die sich in unabhängigen Orbits um den Stern bewegen.

Was Freeman Dyson hier beschreibt, ist die in der Forschung bekannteste und populärste

Variante. Ein Dyson-Schwarm. Dabei hüllt man den Stern nach und nach mit Satelliten

ein. Diese Satelliten können unterschiedlichste Aufgaben ausführen. Die überwiegende Mehrheit

würde Sonnenkollektoren darstellen, aber auch Habitate, Industrieanlagen oder Raumhäfen

sind vorstellbar. Solche Strukturen sind technologisch natürlich

eine Herausforderung. Aber sie sind zu bewältigen. Zunächst mal wird die Aufrechterhaltung stabiler

Orbits für die Schwarmobjekte eine immer komplexere Aufgabe – wenn schließlich Billionen

von Satelliten einen Stern umkreisen. Bereits ein Ring von Satelliten mit 100m Abstand zueinander

und einer Astronomischen Einheit Abstand von der Sonne würde aus neun Milliarden Objekten

bestehen. Cool. Wie bauen wir sowas? Das ist im Grunde keine

sehr komplexe, wohl aber eine titanische Aufgabe. Sie ist eher vergleichbar mit dem Bau der

Pyramiden oder der chinesischen Mauer als der Entwicklung einer CPU. Wichtige aber nicht

per se notwendige Voraussetzungen sind die Entwicklung von künstlicher Intelligenz,

selbst-replizierenden Robotern, günstigen Launch-Systemen und kabelloser Energieübertragung.

Es ist vorstellbar, dass selbstreplizierende Roboter Asteroiden, den gesamten Asteroidengürtel

oder auch den Planeten Merkur abbauen und so weitere Roboter, Solarkollektoren, etc.

erschaffen. Je mehr dieser Photokollektoren im Orbit sind, desto mehr Energie steht für

weitere Bautätigkeiten zur Verfügung. Der Prozess würde mit exponentieller Geschwindigkeit

ablaufen und bräuchte nur ein moderates Maß an menschlicher Kontrolle und Personal.

Ein Dyson-Ingenieur des 22. Jahrhunderts, nennen wir ihn mal Gordon Freeman, hätte

einen recht entspannten Tagesablauf. Er würde auf einer rotierenden Raumstation namens 42 Unlimited

im entstehenden Dyson-Schwarm erwachen – einen heißen Kaffee zubereiten, und an

seine Workstation gehen. Dort überwacht er die Stabilität der Umlaufbahnen, weist Wartungsaufgaben

und neue Produktionsaufträge zu. Um 11:13 Erdzeit geben die SWIFT-Satelliten eine Sonnensturmwarnung.

Gordon begibt sich nun in den Delta-Quadranten der Station, der die Bewohner vor der gefährlichen

Eruption schützt. Später kontrolliert Gordon die Funktion der Satelliten und weist einige

Reparaturen an. Wenig später beendet Gordon Freeman seine Schicht und wendet sich den

reichhaltigen Freizeitaktivitäten der Unlimited Two zu bevor er seine Tochter Keira von der

Schule abholen muss. Ingenieure und Ingenieurinnen wie Gordon Freeman arbeiten und leben mittlerweile

auf hunderten ähnlicher Raumstationen, verteilt auf einen Ring von fast 1 Milliarde Kilometer.

Spannend ist, dass im Grunde all diese Technologien bereits verfügbar sind. Wir sind in der Lage,

Material in den Orbit um die Sonne zu bringen, wir verfügen über Satelliten mit photovoltaischen

Kollektoren, unsere Computer sind leistungsstark und die Entwicklung von KI und 3D-Druckern

macht rasante Fortschritte. Kabelloser Energietransfer ist bereits über mehrere Kilometer auf Basis

von Lasern bzw. Mikrowellen-Lasern (so genannten Masern) möglich. Die Kosten, Material in

den Orbit zu bringen, werden stets reduziert – erst im Februar senkte SpaceX mit dem

erfolgreichen Testflug der Falcon Heavy die Kosten pro Kilogramm auf unter 1600$ - ein

ungeheurer Meilenstein, wenn man bedenkt, dass die Ariane 5 es nur auf 20.000$ pro Kilogramm

schafft. Kritiker sagen jetzt – aber die Kosten!

Aber die Kosten sind absolut zu bewältigen, wenn die Menschheit sich zu einem derartigen

Projekt entschließt. Die aktuellen Verteidigungsbudgets nur der ersten 10 Staaten ergeben eine Summe

von mehr als 1 Billionen Euro. Und zwar jährlich. Für eine Billion Euro lassen sich 10.000

Falcon Heavy starten – die insgesamt mehr als 200.000 Tonnen Nutzlast in einen

Sonnenorbit bringen könnten. Und ja, jedes Jahr. Überwindet die Menschheit ihr Misstrauen

und ihre Feindseligkeit, dann könnten wir noch in diesem Jahrhundert mit dem Bau eines

Dyson-Schwarms beginnen. Um an unseren ersten Ring zu erinnern, in

dem Gordon Freeman im nächsten Jahrhundert leben wird: 9 Milliarden Kollektor-Satelliten

mit je 1 MW Leistung hätten in einem solchen Ring bequem Platz. Diese würden uns damit

9000 Terawatt zur Verfügung stellen. 9000 Terawatt – wieviel ist das eigentlich? Vielleicht

hilft diese Information: die gesamte Stromerzeugung der Menschheit auf Basis von Atomkraft, fossilen

Brennstoffen, erneuerbaren Energien und Hamstern in Laufrädern betrug im Jahr 2015 ca. 6 Terawatt.

Ein kompletter Dyson-Schwarm, der die Energie der Sonne zu 100% nutzt – auch wenn eine

100% Effizienz etwas hypothetisch ist, würde fast 4 Billiarden Terawatt erzeugen. Und hier

das ganze mal als Zahl: 3 850 000 000 000 000 Terawatt verglichen

mit aktuell 6 Terawatt. Es gibt übrigens noch andere Entwürfe für

Dyson-Strukturen, z.B. eine Variante die auf Statiten basiert. Hier nutzen gewaltige Sonnensegel

den Lichtdruck der Sonne aus, um auf einer Position zu verharren. Gravitation und Lichtdruck

befinden sich immer im Gleichgewicht – das Problem der Orbits wäre damit zu bewältigen.

Wir haben aber noch keine Technologie, Lichtsegel herzustellen, die dünn genug sind. Wir geben

euch einige Links mit weiterführenden Texten in der Videobeschreibung.

Wofür würdet ihr die unfassbaren Energiemengen eines Dyson-Schwarms nutzen? Schreibt es uns

in den Kommentaren – wir freuen uns auf eure Ideen. Wenn es euch gefallen hat, dann

abonniert Raumzeit für spannende Blicke in Kosmos und Zukunft jeden Sonntag um 19:00. Vergesst bitte die kleine Glocke nicht!

Teilt unser Video auf Facebook und Twitter – und in diesem Sinne, danke fürs Zuschauen

und 42!


Dysonsphären - Energie extrem (2018) Dyson Spheres - Energy Extreme (2018)

Hallo Raumzeit, Ronny hier. Dyson Sphären – die haben wir schon mehrfach in Raumzeit

erwähnt. Dyson Sphären sind so genannte Megastrukturen, die einen Stern einhüllen

um einen großen Anteil oder gar die Gesamtheit seiner Energie nutzbar zu machen. Wie aber

errichtet man solche Megastrukturen, die sogar die Besatzung der Enterprise in ehrfürchtiges

Staunen versetzen?

Wir finden heute heraus, was eine Dyson Sphäre ist, welche Varianten diskutiert werden und wie wir sie bauen können.

Willkommen bei Raumzeit!

Eine Dyson Sphäre ist eine gewaltige Megastruktur, die einen Stern umgibt. Sie wurde erstmalig in einem Science Fiction Roman im Jahr 1937

beschrieben: Jedes Sonnensystem war umgeben von einem Gewebe

aus Lichtfallen, welche die entweichende Sonnenenergie einfingen, um sie dann intelligent zu nutzen.

In der Wissenschaft wurden sie bekannt durch einen Aufsatz des Physikers Freeman Dyson,

der 1960 argumentierte, dass solche Strukturen zum einen eine logische Konsequenz des steigenden

Energiebedarfs seien. Zum anderen wies her darauf hin, dass wir über Dyson Sphären

fortschrittliche außerirdische Zivilisationen erkennten könnten.

Eine Zivilisation, die Dyson Sphären errichtet, wäre in der Tat sehr weit fortgeschritten. Die ihnen verfügbare Energiemenge würde die der Menschheit um viele Größenordnungen

überschreiten. Der russische Wissenschaftler Kardaschow hat eine Skala entwickelt, um den

Entwicklungsstand einer Zivilisation einzuordnen. In seiner Skala werden Zivilisationen in 3

Stufen eingeteilt, die sich an der für diese Kultur verfügbaren Energie orientieren:

- eine Kardashev 1 Zivilisation nutzt die gesamte verfügbare Energie ihres Planeten

– ein Ziel, dass die Menschheit noch nicht erreicht hat – wir liegen hier bei etwa

70%, sind also auf der Kardashew Skala eine 0,7 Zivilisation

- eine Kardashev 2 Zivilisation nutzt den gesamten Energieausstoß ihres Sterns (die

Sonne erzeugt übrigens Energie im Yottawatt-Bereich – wir haben dazu ein Video gemacht)

- eine Kardashev 3 Zivilisation schließlich nutzt alle Energiereserven ihrer Heimatgalaxie,

die Kraft von Milliarden von Sonnen Eine Zivilisation, die eine Dyson-Sphäre

errichtet hat, wäre damit eine Stufe 2 Zivilisation auf der Kardashev Skala. Ihr Heimatstern würde

visuell quasi erlöschen (das Licht wird durch die Dyson-Sphäre blockiert), aber er würde

natürlich im Infrarotspektrum besonders sichtbar werden, da die Dyson-Sphäre ihre Energie

in Form von Abwärme wieder abgeben muss. In Teleskopaufnahmen im Infrarotbereich könnten

wir Dyson-Sphären also sehr deutlich erkennen. Nach solchen Infrarotquellen, so Freeman Dyson,

müssten wir suchen, um hoch entwickelte außerirdische Zivilisationen zu finden. Am Rande sei hier

bemerkt, dass wir bisher noch nicht fündig geworden sind. Auch die 2015 entdeckten Lichtschwankungen

in Tabbys Star (wir haben dazu bereits eine Episode gemacht), scheinen nicht von einer

Megastruktur wie einer Dyson-Sphäre zu stammen. Aber zurück zum Thema. Dyson Sphären – also

Dyson-Kugeln - ist ein irreführendes Wort, es ist allerdings das gebräuchliche und wird

so auch meist im Science Fiction Bereich benutzt. Auch die Megastruktur, auf die die Enterprise

von Captain Picard stößt, ist eine starre Kugel.

Eine echte Dyson-Sphäre um einen Stern mit einem Radius von 100 Millionen Kilometern

oder mehr kann mit den uns bekannten Materialien schlicht nicht errichtet werden. Eine solche

Kugel müsste eine Rotationsgeschwindigkeit von mehr als 20 Kilometer pro Sekunde haben,

um der Gravitation der Sonne standzuhalten. Kein Material aber käme mit der dann auftretenden

Zentrifugalkraft zurecht – die Sphäre würde schlicht aber spektakulär zerreißen.

Freeman Dyson selbst aber sprach nie von einer Kugel. Er sprach in seinem ursprünglichen

Aufsatz von einer „Shell“, einer Hülle, dies meinte er nicht wörtlich, wie er später

immer wieder klarstellte. Er sagte in einer Antwort auf einen Kommentar zu seinem Aufsatz:

Eine solche Hülle oder ein Ring, der einen Stern umgibt, ist mechanisch unmöglich. Die

Form einer Biosphäre, welche ich mir vorstellte, besteht aus einer losen Ansammlung oder einem

Schwarm von Objekten, die sich in unabhängigen Orbits um den Stern bewegen.

Was Freeman Dyson hier beschreibt, ist die in der Forschung bekannteste und populärste

Variante. Ein Dyson-Schwarm. Dabei hüllt man den Stern nach und nach mit Satelliten

ein. Diese Satelliten können unterschiedlichste Aufgaben ausführen. Die überwiegende Mehrheit

würde Sonnenkollektoren darstellen, aber auch Habitate, Industrieanlagen oder Raumhäfen

sind vorstellbar. Solche Strukturen sind technologisch natürlich

eine Herausforderung. Aber sie sind zu bewältigen. Zunächst mal wird die Aufrechterhaltung stabiler

Orbits für die Schwarmobjekte eine immer komplexere Aufgabe – wenn schließlich Billionen

von Satelliten einen Stern umkreisen. Bereits ein Ring von Satelliten mit 100m Abstand zueinander

und einer Astronomischen Einheit Abstand von der Sonne würde aus neun Milliarden Objekten

bestehen. Cool. Wie bauen wir sowas? Das ist im Grunde keine

sehr komplexe, wohl aber eine titanische Aufgabe. Sie ist eher vergleichbar mit dem Bau der

Pyramiden oder der chinesischen Mauer als der Entwicklung einer CPU. Wichtige aber nicht

per se notwendige Voraussetzungen sind die Entwicklung von künstlicher Intelligenz,

selbst-replizierenden Robotern, günstigen Launch-Systemen und kabelloser Energieübertragung.

Es ist vorstellbar, dass selbstreplizierende Roboter Asteroiden, den gesamten Asteroidengürtel

oder auch den Planeten Merkur abbauen und so weitere Roboter, Solarkollektoren, etc.

erschaffen. Je mehr dieser Photokollektoren im Orbit sind, desto mehr Energie steht für

weitere Bautätigkeiten zur Verfügung. Der Prozess würde mit exponentieller Geschwindigkeit

ablaufen und bräuchte nur ein moderates Maß an menschlicher Kontrolle und Personal.

Ein Dyson-Ingenieur des 22. Jahrhunderts, nennen wir ihn mal Gordon Freeman, hätte

einen recht entspannten Tagesablauf. Er würde auf einer rotierenden Raumstation namens 42 Unlimited

im entstehenden Dyson-Schwarm erwachen – einen heißen Kaffee zubereiten, und an

seine Workstation gehen. Dort überwacht er die Stabilität der Umlaufbahnen, weist Wartungsaufgaben

und neue Produktionsaufträge zu. Um 11:13 Erdzeit geben die SWIFT-Satelliten eine Sonnensturmwarnung.

Gordon begibt sich nun in den Delta-Quadranten der Station, der die Bewohner vor der gefährlichen

Eruption schützt. Später kontrolliert Gordon die Funktion der Satelliten und weist einige

Reparaturen an. Wenig später beendet Gordon Freeman seine Schicht und wendet sich den

reichhaltigen Freizeitaktivitäten der Unlimited Two zu bevor er seine Tochter Keira von der

Schule abholen muss. Ingenieure und Ingenieurinnen wie Gordon Freeman arbeiten und leben mittlerweile

auf hunderten ähnlicher Raumstationen, verteilt auf einen Ring von fast 1 Milliarde Kilometer.

Spannend ist, dass im Grunde all diese Technologien bereits verfügbar sind. Wir sind in der Lage,

Material in den Orbit um die Sonne zu bringen, wir verfügen über Satelliten mit photovoltaischen

Kollektoren, unsere Computer sind leistungsstark und die Entwicklung von KI und 3D-Druckern

macht rasante Fortschritte. Kabelloser Energietransfer ist bereits über mehrere Kilometer auf Basis

von Lasern bzw. Mikrowellen-Lasern (so genannten Masern) möglich. Die Kosten, Material in

den Orbit zu bringen, werden stets reduziert – erst im Februar senkte SpaceX mit dem

erfolgreichen Testflug der Falcon Heavy die Kosten pro Kilogramm auf unter 1600$ - ein

ungeheurer Meilenstein, wenn man bedenkt, dass die Ariane 5 es nur auf 20.000$ pro Kilogramm

schafft. Kritiker sagen jetzt – aber die Kosten!

Aber die Kosten sind absolut zu bewältigen, wenn die Menschheit sich zu einem derartigen

Projekt entschließt. Die aktuellen Verteidigungsbudgets nur der ersten 10 Staaten ergeben eine Summe

von mehr als 1 Billionen Euro. Und zwar jährlich. Für eine Billion Euro lassen sich 10.000

Falcon Heavy starten – die insgesamt mehr als 200.000 Tonnen Nutzlast in einen

Sonnenorbit bringen könnten. Und ja, jedes Jahr. Überwindet die Menschheit ihr Misstrauen

und ihre Feindseligkeit, dann könnten wir noch in diesem Jahrhundert mit dem Bau eines

Dyson-Schwarms beginnen. Um an unseren ersten Ring zu erinnern, in

dem Gordon Freeman im nächsten Jahrhundert leben wird: 9 Milliarden Kollektor-Satelliten

mit je 1 MW Leistung hätten in einem solchen Ring bequem Platz. Diese würden uns damit

9000 Terawatt zur Verfügung stellen. 9000 Terawatt – wieviel ist das eigentlich? Vielleicht

hilft diese Information: die gesamte Stromerzeugung der Menschheit auf Basis von Atomkraft, fossilen

Brennstoffen, erneuerbaren Energien und Hamstern in Laufrädern betrug im Jahr 2015 ca. 6 Terawatt.

Ein kompletter Dyson-Schwarm, der die Energie der Sonne zu 100% nutzt – auch wenn eine

100% Effizienz etwas hypothetisch ist, würde fast 4 Billiarden Terawatt erzeugen. Und hier

das ganze mal als Zahl: 3 850 000 000 000 000 Terawatt verglichen

mit aktuell 6 Terawatt. Es gibt übrigens noch andere Entwürfe für

Dyson-Strukturen, z.B. eine Variante die auf Statiten basiert. Hier nutzen gewaltige Sonnensegel Dyson structures, eg a variant based on stats. Here use huge sun sails

den Lichtdruck der Sonne aus, um auf einer Position zu verharren. Gravitation und Lichtdruck

befinden sich immer im Gleichgewicht – das Problem der Orbits wäre damit zu bewältigen.

Wir haben aber noch keine Technologie, Lichtsegel herzustellen, die dünn genug sind. Wir geben

euch einige Links mit weiterführenden Texten in der Videobeschreibung.

Wofür würdet ihr die unfassbaren Energiemengen eines Dyson-Schwarms nutzen? Schreibt es uns

in den Kommentaren – wir freuen uns auf eure Ideen. Wenn es euch gefallen hat, dann

abonniert Raumzeit für spannende Blicke in Kosmos und Zukunft jeden Sonntag um 19:00. Vergesst bitte die kleine Glocke nicht!

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und 42!