¿Cómo funcionaría una central eléctrica de agujeros negros?

Question

Una planta de energía de agujero negro (BHPP) es algo que definiré aquí como una máquina que utiliza un agujero negro para convertir la masa en energía para realizar un trabajo útil. Como tal, constituye el tercer tipo de energía de materia-energía (antes "energía nuclear") que los humanos han considerado, siendo los dos primeros la fisión y la fusión. Dejando de lado el hecho de que el nivel de avance tecnológico necesario para ello está muy por encima de los humanos de hoy en día, parece estar bastante bien establecido que esto es posible (y quizás algún día inevitable) entre los físicos. Personalmente, siento que no entiendo la propuesta porque nadie ha creado realmente una imagen coherente de cómo funcionaría. Para centrar la cuestión, aquí están mis preguntas objetivas:

Relacionado con la propia conversión:

• ¿De qué mecanismo de liberación de energía estamos hablando? Las posibilidades incluyen la radiación por acreción de material, la radiación Hawking, la conversión magnética de la energía rotacional y quizás otras (EDIT: la respuesta de Manishearth reveló que yo mismo no conozco las posibilidades). ¿Podemos descartar algunas de ellas de forma pragmática? ¿En qué medida se conocen estos mecanismos? ¿Tenemos realmente la física/observaciones que los respalden, o está todavía en la vanguardia de la física?
• ¿Cómo se recogería la energía? Algunas posibilidades son el ciclo térmico (como el ciclo Rankine), la conversión de radiación en electricidad (como la fotovoltaica), las corrientes inducidas magnéticamente y los movimientos de carga. ¿Podrían las partículas de emisión ser también de alta energía para aprovechar con materiales conocidos como parte de la estructura de la máquina? Eso se aplicaría sin duda a la radiación Hawking de los BH pequeños, ¿las otras opciones tienen el problema de las emisiones demasiado energéticas?

Relacionado con la aplicación:

• ¿Existe cualquier cosa que podamos utilizar para cambiar la potencia de la radiación Hawking aparte de la masa del BH? ¿Estaríamos bailando en el filo de la navaja al utilizar la radiación Hawking como fuente de energía? Como debes saber, la evaporación de un BH sería un evento cósmico bastante importante, y para sacar más energía habría que utilizar un BH más pequeño, lo que supone un mayor riesgo de catástrofe. Este problema podría mitigarse utilizando varios BHs, de modo que se necesitaría una menor cantidad de energía para cada uno, pero entonces se corre el riesgo de que el BH colisione, lo que también es un evento catastrófico. ¿Afecta el giro, la carga o el potencial gravitatorio local al rendimiento? ¿Hay alguna manera de que la radiación Hawking sea un método razonablemente seguro de conversión de materia en energía (incluso para una civilización avanzada)?
• ¿Cuáles son los parámetros de la masa total y la producción de energía? En concreto, ¿cuál sería la producción total de energía dividida por la masa, y cuál sería la eficiencia de conversión de masa en energía del nuevo material en caída? En el caso de la acreción, he oído cifras como que el 30% del material que entra se convierte en energía y se expulsa al espacio en los polos... pero ¿podríamos cambiar y controlar eso? ¿Cómo se compararían los parámetros de una BHPP con los de nuestro sol y los de las actuales centrales eléctricas terrestres?

Lamento no haber podido resumir esto en una sola pregunta. Lo he intentado. Para abordar la preocupación "sobre el tema", escucho que la gente menciona que el tokomak fusión La investigación sobre la energía todavía tiene muchas incógnitas que pertenecen al ámbito de la física, a diferencia de la ingeniería, que vendrá más adelante en su desarrollo. He intentado editar mi pregunta anterior para que sea realmente de naturaleza física. Creo que hablo en nombre de la mayoría de la gente cuando digo que no entiendo la gran mayoría de los física de BHs. Mi pregunta aquí es, en general, cómo se desarrollaría esa física en una máquina que realiza una conversión útil de materia en energía.

Answer 1

No sé si extraer masa-energía del interior del agujero negro; me parece bastante ineficiente. La radiación Hawking no es tan potente (además de ser todavía muy hipotética), pero construir un Esfera Dyson alrededor de una estrella es mejor. Recuerda, los agujeros negros, son, bueno, negros. Si hubiera suficiente radiación Hawking, dejarían de ser negros y brillarían como estrellas.

La forma más eficaz de extraer energía de un agujero negro es extraer su energía de rotación. 20% 1 de la masa-energía de un agujero negro (en rotación) está en forma de energía rotacional. Esta energía no se almacena en el interior del agujero negro, sino que se almacena en el remolino del espacio fuera del agujero negro (en el Ergosfera ). Podemos extraer esta energía enhebrando líneas magnéticas llenas a través del agujero negro. El remolino del espacio arremolina los campos magnéticos, y este remolino crea corriente (no estoy seguro del tratamiento exacto de esto, clásicamente sería alguna forma de inducción electromagnética, pero esto no es física clásica). La corriente fluye a lo largo de las líneas de campo y puede ser captada.

Esta es una foto de 1 :

ACTUALIZACIÓN: Ver este también.

1 Agujeros negros y deformaciones temporales Kip Thorne. Página 53.

Answer 2

Con esta respuesta, voy a enumerar algunas de mis notas del documento que @zephyr publicó como comentario, http://arxiv.org/abs/0908.1803v1 . Utilizar la radiación Hawking como medio de conversión de masa en energía parece, en una palabra, absurdo. Sin embargo, el documento aborda exactamente eso para utilizarlo en la alimentación de una nave espacial tripulada hacia las estrellas.

La radiación Hawking como fuente de empuje

En primer lugar, permítanme enumerar los parámetros de la BH que se analizan en el documento:

• masa de $10^{12} kg$
• radio de $10^{-10} m$ o $10^{-18} m$ no está del todo claro
• poder de $P=a f(T) / R^2$ que es diferente dependiendo de los números que pruebe del papel, mi primer intento me da $13 W$ que indica que el radio de $10^{-10} m$ es demasiado grande.

Buenos puntos

Una nave espacial de este tipo, por cierto, es una actividad extraordinariamente intensiva en energía. Una fracción importante de la masa de cualquier nave espacial de este tipo tendría que convertirse necesariamente en energía para que la idea fuera viable. Por lo tanto, es necesario que el dispositivo de confianza tenga una eficiencia de conversión masa-energía muy alta para este proceso. Esta es una de las razones por las que la radiación Hawking puede ser la única opción viable para ciertos viajes.

Cuando pensamos en diseñar una nave espacial, nuestras consideraciones van más allá de la propia nave. Para construirla y preparar la fuente de energía se necesitarán actividades terrestres o solares. El artículo compara la radiación Hawking con un cohete de antimateria. Afirma en general que los teóricos no prevén que la eficacia de la producción de antimateria supere $10^4$ entrada de energía a la masa creada. Ahora, toda la masa de la antimateria se convertirá en propulsor de fotones en servicio en la nave espacial. La cuantificación de la eficiencia de un agujero negro artificial es un poco más complicada. Así que he hecho un dibujo.

Básicamente, se junta cierta cantidad de masa para que se comprima más que su horizonte de sucesos y se tiene un agujero negro. Obviamente, esto sería un proceso muy energético para hacer, así que tenemos que incluir la energía cinética utilizada para lanzar esta materia juntos a un punto extremadamente pequeño. Sin embargo, como lo estás usando, puedes añadir toda la masa que quieras a el BH con relativa facilidad porque una vez que está en el horizonte de sucesos, se ha añadido a la masa. La radiación Hawking se emitirá continuamente (lo quieras o no), y al final del viaje te quedará algo de masa como BH que no has utilizado. Es importante incluir esto para una nave espacial porque para una nave espacial la materia-energía a energía asuntos de conversión. Para la energía civil, generalmente el energía a energía asuntos de conversión. Ya definí la conversión de materia a energía, pero la eficiencia de energía a energía sería:

$$\eta = \frac{M+E+M'-M''}{E}$$

Lo que quiero decir es que la eficiencia de conversión de masa en energía será cercana a 1, similar a la antimateria. La conversión de energía a energía será muy superior a 1, a diferencia de $10^{-4}$ para el caso de la antimateria. Basado en la energía pura, Los BHs serían muy eficientes, ligeros e ideales para una fuente de empuje interestelar .

La otra razón principal para observar la radiación Hawking de los agujeros negros artificiales es que tienen muy buena confinamiento . El uso de la antimateria requeriría el confinamiento activo de la antimateria, para lo cual las perspectivas no parecen buenas. En caso de que la activo Si los métodos de confinamiento fallan, se producirá una espectacular explosión que destruirá la nave y el vecindario cósmico local. Un BH, en cambio, está confinado pasivamente por la gravedad. Si se deja reposar el tiempo suficiente, sí, puede evaporarse y destruirse igualmente, pero eso tardará en ocurrir.

Inconvenientes

En primer lugar, para obtener el nivel de potencia necesario, el BH tendría que ser un "agujero negro subatómico" (SBH), con un radio inferior a $10^{-10} m$ . Aparentemente, no sabemos exactamente cuánta energía emitiría un SBH de masa determinada, eso requiere básicamente modelos de física de gravedad cuántica, y esos no están completamente decididos.

Además, aparentemente, un SBH de este tipo emite parte de su masa como masa, no como energía . Esto significa que la masa no se convertiría en empuje para una nave espacial y no se convertiría en energía útil en una aplicación de tipo central eléctrica civil. También, neutrinos se crearía y emitiría isotrópicamente, sin aportar nada al empuje ni a la energía útil.

La temperatura del SBH sería muy alta aparentemente, en algún lugar del rango de $0.06 GeV$ y $100 GeV$ para los parámetros que el documento discute. Estas energías tendrán un gran multiplicador para calcular los daños por radiación del material. Blindaje también sería difícil.

La masa entretenida en el papel es $10^{12} kg$ y para crear el agujero negro, éste tendría que ser acelerado/comprimido en un radio subatómico. A riesgo de sonar sarcástico, esto no parece fácil. Esto es básicamente decir que si se puede comprimir el Monte Everest en el volumen de un solo átomo se puede tener energía libre. Un método que se discute es utilizar "láseres de rayos X convergentes" para hacerlo. Al parecer, la autogravitación puede ayudar a concentrarlos en un punto. Esta es una buena noticia.