¿Es posible aumentar la temperatura del sol utilizando la radiación del propio sol?

Question

Sabemos que podemos enfocar la radiación del sol y quemar un papel. Si pensamos en este experimento mental, ¿pasará eso? Si alguien construye un espejo cóncavo en el sol y concentra la radiación de otra parte del sol en un punto, ¿será ese punto más caliente que afuera (todo está en el sol)? Supongo que esto puede violar algunas leyes de transferencia de energía o termodinámica, pero no estoy seguro. ¿Alguna idea?

¿No es esto algo así como una máquina que está funcionando, estoy obteniendo trabajo de ella y volviéndolo a suministrar a la máquina para 'acelerarla'? No soy experto en física, pero intuitivamente pienso que esto puede que no sea posible.

Answer 1

Si fuera posible reflejar la energía de vuelta al sol, sí, la ubicación donde la energía golpea se volverá más caliente. De hecho, si pudieras aislar el sol para que no irradie energía, entonces el sol se volvería aún más caliente.

Answer 2

LDC3 y Kitchi abordaron tu pregunta principal, pero me gustaría comentar sobre tu segundo párrafo.

¿No es algo como que una máquina está funcionando, estoy obteniendo trabajo de ella y devolviéndolo a la máquina para 'acelerarla'? No soy experto en física, pero intuitivamente creo que esto puede no ser posible.

¡En realidad, hacemos esto todo el tiempo! Los generadores de electricidad en las plantas de energía, por ejemplo, necesitan consumir algo de electricidad para funcionar (esto se llama excitación). Para arrancarlos, se necesita energía externa, pero una vez que están en funcionamiento simplemente alimentamos parte de la energía de salida de nuevo en sí misma.

No viola ningún principio. No confundas energía de salida con energía generada. Cuando hay retroalimentación, por ejemplo, simplemente tendremos que la primera es más pequeña que la segunda, como: $$P_\mathrm{output}=P_\mathrm{generated}-P_\mathrm{feedback}$$

Answer 3

La ruta hacia la respuesta es algo anti-intuitiva. Al reflejar parte de la energía del Sol de vuelta hacia el sol en un punto, estás reduciendo efectivamente el flujo de energía que puede salir de la fotosfera y escapar.

El efecto global de esto en el Sol debe ser similar al de bloquear el flujo en la fotosfera - en otras palabras, similar a los efectos de las manchas solares. El efecto local en la estructura de la temperatura será, por supuesto, completamente diferente, porque las manchas solares son lugares donde la temperatura fotosférica es mucho más fría (1000 K) que la fotosfera sin manchas. Aquí, estarías creando un punto caliente, sin embargo, el flujo que emerge de la superficie y escapa hacia el infinito sería menor que para una estrella del mismo radio y temperatura efectiva donde no hubiera un espejo.

Los efectos locales realmente serían muy locales. La transferencia de energía convectiva es muy efectiva justo debajo de la fotosfera, por lo que el exceso de energía se redistribuye en un tiempo de convolución local (cinco minutos).

Los efectos globales pueden tratarse de manera similar a los efectos de las manchas solares. El documento canónico sobre esto es de Spruit & Weiss (1986). Muestran que los efectos tienen un carácter a corto plazo y luego un carácter a largo plazo. El punto de división es el tiempo de escala térmica de la envoltura convectiva, que es del orden de $10^{5}$ años para el Sol.

En escalas de tiempo cortas, la luminosidad nuclear del Sol no cambia, habrá un efecto aditivo debido al punto caliente en la superficie, pero la estructura estelar permanece igual al igual que la temperatura superficial. Como aproximadamente la mitad del flujo del punto caliente entra en el Sol y solo la mitad sale al espacio, la luminosidad neta en el infinito (después de restar la que bloquea el espejo) será menor, mientras que el flujo en el espejo aumentará.

En escalas de tiempo más largas, la luminosidad tenderá a permanecer igual porque el núcleo de la quema nuclear no se ve afectado por lo que sucede en la delgada envoltura convectiva. Sin embargo, aproximadamente la mitad del flujo reflejado por el espejo no puede escapar de la estrella. Para perder la misma luminosidad, resulta que el radio aumenta y el área fotosférica no afectada por el rayo reflejado (la "región sin manchas") se calienta un poco más. En este caso, el radio al cuadrado multiplicado por la temperatura fotosférica aumentará para asegurarse de que la luminosidad observada más allá del espejo se mantenga igual, es decir, por $R^2T^4(1 - \beta) = R_{\odot}^2 T_{\odot}^4$, donde $\beta$ es la fracción de la luminosidad solar interceptada por el espejo.

Los cálculos de Spruit et al. (1986) indican que para $\beta=0.1$ la temperatura superficial aumenta solo un 1,4% mientras que el radio aumenta un 2%. Por lo tanto, $R^2 T^4$ se incrementa en un factor de 1,09. Esto no es exactamente $(1-\beta)^{-1}$ porque la luminosidad disminuye ligeramente.

Entonces sí, si mantienes el espejo allí por más de $10^5$ años aumentarás la temperatura del Sol, pero quizás no tanto como habrías pensado.

Edición adicional:

La discusión anterior es cierta para el Sol porque tiene una zona de convección muy delgada y las condiciones en el núcleo no se ven muy afectadas por las condiciones en la superficie. A medida que la zona de convección se espesa (por ejemplo, en una estrella de secuencia principal de menor masa), la respuesta es diferente. El aumento en el radio se vuelve más pronunciado; para mantener el equilibrio hidrostático, la temperatura del núcleo disminuye y por lo tanto también la generación de energía nuclear. La luminosidad de la estrella disminuye y la temperatura superficial permanece aproximadamente la misma.

Es por eso que he hecho comentarios en otras respuestas aquí, porque aunque indican correctamente que el Sol se calentará, no es obvio que deba ser así y de hecho no lo sería para una estrella de menor masa.

Answer 4

No habrá una violación de la termodinámica porque no estás creando energía de la nada. La energía total del sistema aún se conserva, simplemente se retroalimenta en el sistema.

Esto es lo que probablemente sucederá: El espejo cóncavo no reflejará perfectamente, por lo que reflejará algo así como el $99\%$ de la energía incidente. Esta energía (aunque muy grande) no es suficiente para encender la fusión en el sol.

El punto en el que se enfoque el haz estará entre la corona (donde el gas es muy escaso) y el núcleo (donde el gas es denso), y calentará partículas en esa cercanía a ligeramente más que su temperatura local circundante.

La pequeña bolsa de gas que se caliente con el espejo estará ligeramente más caliente, y por lo tanto un poco menos densa que el entorno, lo que iniciará un bucle de convección. El sol ya tiene una zona de convección por lo que colocar un espejo no hará mucho en realidad.

Answer 5

Sí. En lugar de permitir que la energía se irradie al espacio, la estás conteniendo y enviándola de vuelta a la fuente. Piensa en el fuego en una habitación en comparación con el fuego afuera: afuera el calor se pierde en el entorno, pero en una habitación se queda y calienta la habitación a una temperatura mucho más alta que la temperatura a la que el fuego afuera calentó el aire circundante.