מדע לא שימושי ועתידני: האם ניתן לבנות חללית שמונעת על ידי חור שחור מלאכותי?

מדע לא שימושי ועתידני: האם ניתן לבנות חללית שמונעת על ידי חור שחור מלאכותי?

 

שני חוקרים מאוניברסיטת קנזס בארה”ב בשם לואיס קריין ושון ווסט מורלנד חשבו על הרעיון.

הוקינג טען שחורים שחורים הם לא לגמרי שחורים. הם קורנים פחות או יותר ספקטרום קרינה תרמי של גוף שחור. האנרגיה שנפלטת היא זניחה, אלא אם החור השחור הוא מאוד קטן. במקרה הזה החור השחור נהפך לפתע לאנרגטי ביותר.

מכאן נשאלת השאלה, האם ניתן לבנות חור שחור קטן כזה בתחנת כוח בצורה מלאכותית בגודל המתאים, וכל זאת כדי להניע חללית? יצרן החור השחור יהיה לייזר קרני גמא בעל מסת לייזר מסדר גודל של  אסטרואיד. כמובן שבטכנולוגיה שלנו כיום זה בלתי אפשרי והשאלה היא תיאורטית. אולם החוקרים שאלו, האם זה אפשרי במסגרת חוקי הפיזיקה והמתמטיקה של היום, גם אם הנדסית לא נוכל לממש זאת. והמסקנה שלהם הייתה, שהתרחיש הוא בגבול היכולת שלנו מבחינה פיזיקאלית. אולם השפעות קוונטיות – כבידה קוונטית – שהן עדיין לא לגמרי ברורות לנו – עשויות לשנות את התמונה לכאן או לשם. מחקר על גבול המדע בדיוני, אבל ששר לחוקי המדע התיאורטי. ולכן, סבורים החוקרים, יש לחקור את האפשרות בגלל שיש לה תוצאות מרחיקות לכת לעתיד האנושות.

 

למה חור שחור מלאכותי בכלל טוב להנעת חללית?

חור שחור הוא מסיבי, הוא לא דורש פיזיקה חדשה ואקזוטית וברגע שהוא נוצר, הוא בולע חומר חדש ומקרין אותו. כך הוא פועל כמקור אנרגיה מתחדש.

מתארים חור שחור מטיפוס שוורצשילד (תוך שימוש במשוואות סמי-קלאסיות ניוטוניות).

בתורת היחסות הכללית הקלאסית חורים שחורים הם אזורים במרחב זמן, שהם מעוותים בצורה כה מוזרה, שחומר ואנרגיה יכולים לזרום פנימה, אבל שום דבר לא יכול לצאת החוצה.

ידוע בכל אופן שחלקיקים קוונטיים עוברים דרך מחסומים בלתי חדירים באפקט המנהור. ולכן סטיבן הוקינג טען שחלקיקים קוונטיים שהם לכודים בתוך חור שחור יכולים לבצע מנהור החוצה בצורה חופשית, וכך החור השחור פולט צורה של קרינה תרמית שידועה בשם “קרינת הוקינג”. הוקינג חישב (כנצפה מהאינסוף), שהטמפרטורה האפקטיבית של החור השחור היא פרופורציונית לעוצמה של השדה הכבידתי באופק האירועים שלו.

לגבי חור שחור מטיפוס שוורצשילד, כדי שחור שחור יניב כמות משמעותית של הספק אנרגיה באמצעות קרינת הוקינג, עליו להיות בעל ממדים תת-אטומיים. כלומר, על החור השחור להיות בעל רדיוס של פחות מ- 10-10 מטרים. לא ידוע על המצאות חורים שחורים תת-אטומיים כאלה בטבע ביקום של היום. לא בכל הספק האנרגיה שהחור השחור יצור ניתן יהיה להשתמש.

חור שחור שפולט כמות מסוימת של אנרגיה מאבד כמות ממסתו בהתאם למשוואה של אינשטיין:

 E = Mc2. ולכן הקצב שבו המסה דולפת מהחור השחור הוא קצב האנרגיה שהוא פולט חלקי מהירות האור בריבוע. קצב האנרגיה שהחור השחור פולט הוא גם הספק האנרגיה של החור השחור. ולכן קצב המסה שהחור השחור פולט הוא הספק האנרגיה שלו חלקיי מהירות האור בריבוע. ואם נזין לחור השחור מסה בקצב שהוא שווה לדליפת המסה, החור השחור יכול להחזיק מעמד הרבה מעבר לאורך חייו. החור השחור המלאכותי יקרין כל חייו אבל אורך חייו ירד. עד שבסוף חייו החור השחור יתפוצץ. פיצוץ כזה הוא חזק במונחים ארציים, אבל לא במונחים אסטרונומיים. חור שחור שמתפוצץ במרחק של יחידה אסטרונומית אחת (מאה חמישים מליון קילומטר) מכדור הארץ לא מהווה סכנה. אם הפיצוץ מתרחש מאחורי השמש, היא תשמש כמגן וכדור הארץ ייחשף לפחות קרינת הוקינג. מזל…

 

האם ניתן ליצור חור שחור מלאכותי שיהיה יעיל כדי להניע חללית?

מסת החור השחור יורדת ככל שהחור השחור קטן יותר, בעוד שפליטת האנרגיה שלו גדלה ואורך חייו יורד. לכן זקוקים לחור שחור בעל אורך חיים שיהיה מספיק כדי לעשות מסע הלוך ושוב עם חללית לטיסה בינכוכבית. כמוכן, שיהיה מספיק חזק כדי שניתן יהיה להאיץ חללית למהירות קרובה לזו של האור בזמן מספיק קצר, ומספיק קטן כדי שתהיה מספיק אנרגיה זמינה שנוכל ליצור אותו, אבל גם מספיק גדול כדי שנוכל למקד את האנרגיה ונוכל כך ליצור אותו. על החור השחור להיות בעל מסה בגודל של חללית ולא יותר. זה הכל נשמע בלתי אפשרי. אבל, אומרים החוקרים, הם מצאו שחור שחור תת-אטומי ברדיוסים של בין 1 ל-6 אטומטרים (10-18 מטר, פרוטון הוא בגודל של 2000 אטומטרים) ימלא את הדרישות האלה.  

חור שחור בעל רדיוס של פחות מ-1 אטומטר הוא מאוד חזק, אבל אורך חייו הוא פחות משבועיים. כדי שחור שחור כזה יחזיק מעמד יותר זמן נזדקק לגורם חיצוני שיזינו במסה-אנרגיה בקצב של קילוגרמים רבים לשנייה. אולם אם החור השחור התת-אטומי הוא מאוד קטן, איך נזין אותו ועוד בקילוגרמים לשניה?

נניח אם כן שלא ניתן להזין חור שחור תת-אטומי. נוכל להגיע בהנעה כזו למרחק של 4 שנות אור מכאן לאלפא סנטורי עם כרטיס לכיוון אחד ואז החור השחור יכבה. וזאת בתנאי שהחללית מאיצה ומאטה ב-1g. המסע ייקח מנקודת מבטם של הנוסעים 3.5 שנים תודות לאפקטים של היחסות הפרטית.

ומה יקרה כאשר החור השחור יגמר? הנוסעים בחללית יצטרכו לסלק את החור השחור התת-אטומי או לברוח ממנו לפני שהוא יתפוצץ.

חור שחור בעל רדיוס של בערך 3 אטומטרים ואורך חיים של 100 שנה הוא בעל מסה של מעל מיליון טונות. חור שחור תת-אטומי בעל רדיוס של כמה אטומטרים חי זמן רב יותר וניתן להשתמש בו לנסיעות ארוכות. אומנם יש לו פחות הספק אנרגיה והוא לכן מסוגל פחות להאיץ את החללית. אבל נסיעה בינכוכבית לא דורשת תאוצות גבוהות. תאוצות קטנות שנסבלות עלפני תקופות ארוכות הן מספיקות. לכן נאיץ את החללית מעט במהלך החלק הראשון של הנסיעה. ככל שהמסע ימשך החור השחור התת-אטומי הלא מוזן יתכווץ בגודלו וייהפך לקטן יותר ויותר וככה הוא יעשה גם ליותר חזק. ואז ניתן יהיה להאיץ. הוא יפלוט מספיק אנרגיה שתספיק למסע בינכוכבי של בין 30 ל-15 שנים (אם לוקחים בחשבון את זה שלא כל האנרגיה שהחור פולט מומרת לאנרגיה קינטית). וכזכור במשך הזמן החור השחור הולך וקטן ולכן הוא הולך וקורן ביעילות טובה יותר עם הזמן.

 

איך ניצור חור שחור תת-אטומי כזה?

כמובן שליצור חור שחור כזה זה מעבר לטכנולוגיה ההנדסית שלנו. מבחינה פיזיקאלית (תורת היחסות הכללית הקלאסית) ההצעה של החוקרים לטענתם הגיונית: גנראטור שיורה מספר עצום של קרני גמא מלייזר מרוכז בצורה כדורית. הרעיון הוא לארוז אנרגיה עצומה אל תוך חלל זעיר ואז מצבור גדול מאוד של פוטוני קרני גמא הם באינטראקציה עם השדה הכבידתי עד שהחור השחור ייווצר. נצטרך מסת לייזר מסדר גודל של אסטרואיד קטן כדי לבנות את החור השחור. כזה מבנה מן הסתם יורכב בחלל ליד השמש על ידי צבא רובוטים ויבנה מחומרים המצויים בחלל. אם אנו רוצים ליצור חור שחור אפקטיבי בעל רדיוס של בין 1 ל-6 אטומטרים על ידי שנמקד לייזר קרני גמא בנקודה בודדת, והפוטונים שבאים מהלייזר יהיו בעלי אורכי גל בסדר גודל של הרדיוס הקריטי של החור השחור, נזדקק לפוטוני קרני גמא בעלי אנרגיות עצומות. אם נשתמש בקרני גמא באנרגיות שהן תואמות לטמפרטורות הוקינג של החור השחור התת-אטומי שרוצים לבנותו, נזדקק לקרני גמא בעלי אנרגיות יותר חלשות שהן אפשריות טכנית.

 

איך החור השחור יניע את החללית?

ממקמים את החור השחור התת-אטומי במוקד של מחזיר פרבולי שמחובר לגוף החללית. אבל החור השחור פולט קרני גמא ותערובת של חלקיקים ואנטי חלקיקים. לכן ניתן לנצל את אנרגית קרני הגמא כדי להגביר את היעילות של ההנעה. נוסיף שכבה נוספת של חומר שתבלע את קרני הגמא, תקרינן מחדש בתדירויות אופטיות ותמקד את קרני האור המתקבלות. ישנה אפשרות נוספת, להוסיף בולע שעוצר את קרני הגמא שבאות לעבר החלק הקדמי של החללית ומאפשר לשאר לברוח לחלק האחורי וכך קרני הגמא הבורחות שלא נבלעו תורמות לדחף. הבולע לא יכול להיות מסיבי מידי כי אז הוא יכביד על מסת החללית, והדחף הנוסף שהוא מסייע לא יוביל לתוצאה משופרת.

 

 

 

Advertisements