Wie baut man eine Dyson-Sphäre? Weltraumexperten bieten eine Lösung

In den letzten Jahrzehnten hat die Dyson-Sphäre, eine Science-Fiction-Superstruktur, Denker fasziniert. Vor nicht allzu langer Zeit schrieb Dirk Schulze-Makuch, Astrobiologe am Zentrum für Astronomie und Astrophysik der Technischen Universität Berlin, einen Artikel, in dem er den Leuten erklärte, wie man eine Dyson-Sphäre baut.

Die Vision eines theoretischen Physikers Im Jahr 1960 veröffentlichte der britische theoretische Physiker Freeman Dyson im Magazin Science einen einseitigen Artikel, in dem er das vielleicht hoffnungsvollste Szenario für die Zukunft der menschlichen Technologie beschrieb, das es je gab.

Dyson stellte sich vor, dass eine fortgeschrittene Zivilisation ihren wachsenden Energiebedarf decken könnte, indem sie eine Kugel um ihren eigenen Planeten baut und die Energieabgabe dieses Planeten absorbiert.

Imaginäre Dyson-Sphäre

Allerdings ist dieses Dokument eher theoretisch und behandelt keine praktischen technischen Anwendungen. Dyson machte keine weiteren Angaben dazu, wie die Megastruktur aussehen oder wie sie gebaut werden soll. Er beschrieb die Kugel einfach als eine „bewohnbare Hülle“, die den Planeten umgibt. Aber es reicht aus, um viele Astrophysiker, Wissenschaftler und Science-Fiction-Autoren anzuziehen und zu inspirieren.

In einigen von Dysons Beschreibungen sieht eine Dyson-Sphäre wie ein riesiger Ring aus, der einen Stern umgibt und fast die Erde berührt. Anderen Beschreibungen zufolge ist eine Dyson-Sphäre eine riesige Struktur, die die Sonne vollständig umgibt und jedes bisschen Energie einfängt, das sie abgibt. Neben wissenschaftlichen Arbeiten tauchen Dyson-Sphären auch in Romanen, Filmen und Fernsehsendungen auf. In „Star Trek“ beispielsweise sind Dyson-Sphären die Heimat hochentwickelter Zivilisationen.

Dyson war sich der Herausforderungen, die mit dem Bau eines solchen Giganten verbunden sind, durchaus bewusst, blieb also selbst skeptisch, was die Möglichkeit des Baus einer Dyson-Sphäre anging. Doch sein Konzept der Dyson-Sphäre inspiriert zu ehrgeizigen Visionen für die Zukunft der Zivilisation und bietet eine Lösung für einige der katastrophalsten Probleme der Menschheit.

Durch die Nutzung der gesamten Energie der Sonne oder anderer Sterne könnten wir unsere unmittelbaren und langfristigen Energiekrisen bewältigen. Wenn wir jedoch Zugriff auf die gesamte Energieabgabe eines Sterns hätten, würde dies weit über die bloße Deckung unseres irdischen Energiebedarfs hinausgehen.

Die Episode „Relic“ von Star Trek: The Next Generation wurde ursprünglich am 12. Oktober 1992 ausgestrahlt. Abgebildet ist das Raumschiff Enterprise neben einer Dyson-Sphäre.

Da uns so viel Energie zur Verfügung steht, könnten wir möglicherweise hochenergetische Laserpulse zu Exoplaneten senden, auf denen möglicherweise Leben vorhanden ist, und so unsere Chancen auf eine Kommunikation mit weit entfernten Zivilisationen erheblich erhöhen. Diese von Dyson angetriebenen Strahlen könnten weiter ins Universum vordringen als jedes derzeit bekannte Mittel und dabei auch Bereiche des Weltraums mit höherer Dichte durchdringen, wie etwa Staubwolken, die die von uns gesendeten Signale abschwächen würden.

Alternativ könnten wir diese Energie nutzen, um direkt zu Exoplaneten zu reisen – oder, wie es sich einige Astrophysiker vorstellen, die Reise durch die Manipulation des Raum-Zeit-Kontinuums durch Experimente zur Quantengravitation verkürzen. Eine weitere interessante Idee besteht darin, aus reinen Photonen sogenannte Kugelblitz-Schwarze Löcher zu erzeugen, von denen gezeigt wurde, dass sie theoretisch in der Lage sein könnten, zukünftige interstellare Raumfahrzeuge anzutreiben. Durch die Verzerrung der Raumzeit könnten wir möglicherweise schneller als mit Lichtgeschwindigkeit reisen oder Wurmlöcher erzeugen, die Abkürzungen durch die Galaxie bieten.

Noch verlockender ist, dass die nahezu unbegrenzte Energie, die eine Dyson-Sphäre liefert, einige unserer größten Herausforderungen bei der Verlängerung unserer Lebensspanne lösen könnte. Den Befürwortern der Kryotechnik ist bewusst, dass der Einsatz dieser Technologie im großen Maßstab und über längere Zeiträume enorme Energiemengen erfordern würde, die weit über das hinausgehen, was derzeit zur Verfügung steht.

Im Jahr 2018 schlugen die Forscher Alexey Turchin und Maxim Chernyakov vor, dass künstliche Intelligenz in der Lage sein könnte, einen Verstorbenen anhand seiner DNA und anderer Informationen in einer simulierten Welt digital nachzubilden. Um eine ausreichend große Stichprobe simulierter Menschen einer nahezu unsterblichen Rasse zu erstellen, wäre ein enormer Energieaufwand erforderlich und es müssten zahlreiche moralische und philosophische Hürden überwunden werden. Die Forscher vermuten jedoch, dass die Dyson-Technologie die benötigte Energie liefern könnte.

Ist es möglich, eine Dyson-Sphäre zu bauen?

Heute scheint Dysons ehrgeizige Vision aktueller denn je. Laut der US-Energieinformationsbehörde Energy Information Administration könnte der weltweite Energiebedarf in den nächsten 30 Jahren um 50 Prozent steigen, wenn die technologische Entwicklung ihren derzeitigen Wachstumstrend fortsetzt.

Wind-, Solar- und andere erneuerbare Energiequellen werden kurzfristig hilfreich sein, doch langfristige Lösungen erfordern mutigere technische Fortschritte. Eine Dyson-Sphäre könnte eine mutige Lösung sein, doch um sie zu verwirklichen, müssen wir offensichtlich viele physikalische und mechanische Probleme überwinden, die selbst eine Zivilisation, die uns um Tausende von Jahren voraus ist, möglicherweise nicht lösen kann.

Als Professor am Zentrum für Astronomie und Astrophysik der Technischen Universität Berlin habe ich Jahrzehnte damit verbracht, die Möglichkeit der Existenz fortgeschrittener außerirdischer Zivilisationen zu erforschen. Ich bin Mitautor von fünf Büchern über außerirdisches Leben und mein wissenschaftliches Interesse hat mich dazu inspiriert, die Möglichkeit zu untersuchen, dass es sich bei den Dyson-Sphären um fortschrittliche außerirdische Technologie handelt. Vor etwa zehn Jahren begann ich mich für verschiedene Großprojekte zu interessieren, die möglicherweise das Werk außerirdischer Zivilisationen sein könnten.

Ein künstlerisch dargestelltes Schwarzes Loch verzerrt Raum und Zeit und erzeugt ein Wurmloch.

Im Jahr 2010 untersuchte ich die Machbarkeit des Baus einer Dyson-Sphäre. Als ich mit Brooks Harrop, einem meiner ehemaligen Physikstudenten an der Washington State University in Pullman, zusammenarbeitete, entdeckten wir eine Reihe von Problemen mit der gängigen Vorstellung einer Dyson-Sphäre, nicht zuletzt das Risiko eines Kollapses der Sphäre. Eine starre konzentrische Kugel, die einen Stern umkreist, würde an jedem Punkt eine Gravitationskraft erfahren.

Kein heute bekanntes Material kann dieser Kraft widerstehen. Ingenieure könnten versuchen, dieses Problem mit einem komplexen System aus Triebwerken zu lösen, die eine Reaktionskraft erzeugen, um die Hülle an ihrem Platz zu halten.

Doch angesichts der enormen Masse der Hülle – in den meisten Szenarien hat die Struktur einen Radius von 150 Millionen Kilometern, also der Entfernung zwischen Erde und Sonne – würde ein solches System zunächst den größten Teil, wenn nicht sogar die gesamte, von der Hülle gesammelte Energie verbrauchen.

Angenommen, wir können diese Probleme überwinden und diese Kugel in ferner Zukunft bauen: Wie würde sie Meteore, Asteroiden, Strahlung und Sonneneruptionen überstehen? Ein Objekt mit einer Masse vergleichbar mit dem Halleyschen Kometen würde die Kugel mit der kinetischen Energie von mehr als einer Million Zar-Wasserstoffbomben treffen, der stärksten jemals von Menschen gezündeten Atombombe.

Dyson hatte diese Risiken vorausgesehen und eingeräumt, dass die Existenz dieser Hülle oder dieses Rings um den Stern unwahrscheinlich sei. Doch der Physiker hat eine Lösung vorgeschlagen: Gäbe es einen Schwarm von Objekten in unabhängigen Umlaufbahnen um einen Stern, könnten sie die Energie ernten und gleichzeitig die meisten physikalischen und mechanischen Probleme einer festen Dyson-Sphäre vermeiden.

Diese Satelliten können im Laufe der Zeit nach und nach gebaut und dem System hinzugefügt werden, wodurch die Energieabgabe des Clusters schrittweise erhöht wird.

Ein Dyson-Schwarm aus etwa 10 Millionen Satelliten könnte den Energiebedarf der Menschheit decken. Dies würde zwar viele Satelliten erfordern, doch moderne Satellitenkonstellationen schaffen einen Präzedenzfall für eine derartige technische Meisterleistung. SpaceX kann 240 Starlink-Kommunikationssatelliten pro Monat starten und hat im Februar 2022 bereits mehr als 2.000 Satelliten im Weltraum.

Nach seiner Fertigstellung könnte der Cluster Zehntausende umfassen – eine Zahl, die weitaus kleiner ist als die eines Dyson-Schwarms, aber groß genug, um unsere Vorstellungskraft anzuregen.

Eine realistischere Lösung: Dyson-Schwarm

Um die Schwierigkeiten von Dysons ursprünglichem Design zu überwinden, versuchten Harrop und ich, es durch ein praktikableres Design zu ersetzen: den Dyson-Schwarm. Wir haben dieses Schema Solar Wind Power Satellite (SWPS) genannt. Herkömmliche Solarmodule gewinnen Energie aus sichtbarem Licht, unsere Satelliten hingegen sammeln Elektronen, die die Hälfte des Sonnenwinds ausmachen (die andere Hälfte besteht aus Protonen und Alphateilchen).

Der schnelle Sonnenwind hat eine Geschwindigkeit von etwa 750 km/s-1, wodurch diese Elektronen energiereicher sind als die Elektronen im sichtbaren Licht, das auf die Solarmodule trifft. Der Kern unseres SWP-Satelliten ist ein langer, zur Sonne gerichteter Metalldraht, der beim Aufladen ein Magnetfeld erzeugt, das eingehende Elektronen in einen kugelförmigen Metallempfänger lenkt. Diese Elektronen erzeugen einen elektrischen Strom, der das Magnetfeld im Draht aufrechterhält und zwischen den beiden ein System bildet, das seine eigene Stabilität aufrechterhalten kann.

Der größte Teil des Stroms wird weiterhin zur Stromerzeugung für die Übertragung von Infrarot-Laserlicht an eine Empfangsstation auf der Erde verwendet. Infrarot ist die beste Wahl, da unsere Atmosphäre ein transparentes „Infrarotfenster“ hat, das Wellenlängen zwischen etwa 8 und 13 Mikrometern durchlässt, ohne absorbiert zu werden.

Nachdem der Laser die elektrische Energie an die Empfangsstation gesendet hat, fallen die verbleibenden Elektronen zurück auf das Ringsegel, wo sie durch das darauf einfallende Sonnenlicht angeregt werden und genügend Energie erzeugen, um den Satelliten in der Umlaufbahn um den Stern zu halten.

Der in Großbritannien geborene amerikanische theoretische Physiker Freeman Dyson (1923–2020) sitzt am 24. Februar 2009 in seinem Büro am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey.

Jeder SWP-Satellit wiegt etwa 3,7 Tonnen (etwa das Dreifache eines GPS-Satelliten) und liefert rund um die Uhr eine kontinuierliche Leistung von etwa 2 Megawatt, genug, um etwa 1.000 US-amerikanische Satelliten mit Strom zu versorgen. Eine SWP-Satellitenkonstellation kann den gesamten Energiebedarf der Menschheit decken.

Die Satelliten können aus relativ einfachen, kostengünstigen Materialien gebaut werden; Die Kosten für den Bau jedes Satelliten bestehen hauptsächlich aus den 280 Metern Kupferdraht. Da diese Satelliten den Sonnenwind als Energiequelle nutzen, absorbieren sie nur minimale Wärme und arbeiten mit einer Effizienz von nahezu 100 %. Im Gegensatz dazu sind herkömmliche Solarzellen teuer in der Herstellung, da ihre Halbleiter hochreines Silizium erfordern und sie einen sehr niedrigen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent haben.

Der Dyson-Schwarm steht noch vor vielen technischen Hindernissen. Obwohl SWP-Satelliten nur wenig Wartung erfordern, sind sie nicht selbstreinigend. Wenn das Segel eines Satelliten positive Ionen statt Elektronen aus dem Sonnenwind einfängt, wird der Satellit weniger effizient und die Leistung des gesamten Systems lässt mit der Zeit nach.

Auch ein weiteres schwieriges Problem haben wir noch nicht gelöst: Wie lassen sich Satelliten im ständig wechselnden Sonnenwind in stabilen Positionen halten und wie lassen sich die Umlaufbahnen von Millionen (und vielleicht irgendwann Milliarden) Satelliten um ihre Sterne anordnen?

Obwohl bei Energieübertragungslasern mit geringer Leistung in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt wurden, bleibt es eine Herausforderung, die Systeme im Weltraum einsatzbereit zu machen. Schon geringe Temperaturänderungen von weniger als einem Grad Celsius können große Veränderungen der Wellenlänge und der Ausgangsleistung des Lasers bewirken.

Die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur im Weltraum ist eine heikle Angelegenheit – ohne Luft ist es schwierig, Wärme von einem heißeren auf ein kühleres Objekt zu übertragen. Es gibt noch immer so viele heikle Probleme im Dyson-Schwarm, die nicht gelöst wurden, aber vielleicht wurden sie bereits von einer anderen Zivilisation gelöst.

Gibt es Dyson-Sphären im Universum?

In unserem Buch „Cosmic Zoo: Complex Life on Many Worlds“, das ich gemeinsam mit William Baines, einem leitenden wissenschaftlichen Mitarbeiter der Cardiff University, verfasst habe, argumentieren wir, dass sich Leben, sobald es auf einem Planetenkörper entsteht, letztendlich zu Intelligenz entwickeln wird – vorausgesetzt, der Planet bleibt lange genug bewohnbar.

Grundlage dieses Arguments ist, dass alle wichtigen Übergänge in der Evolution des Lebens auf der Erde offenbar mehrfach stattgefunden haben, entweder unabhängig voneinander oder über unterschiedliche biochemische Wege. Dies lässt darauf schließen, dass einige der Billionen anderer Planeten im Universum möglicherweise denselben Evolutionsprozess durchlaufen haben und dass sich einige Lebensformen auf diesen Planeten möglicherweise zu intelligentem Leben entwickelt haben.

Verfügen sie über genügend Technologie, um eine Dyson-Sphäre zu bauen? Freeman Dyson stellte die Hypothese auf, dass wir es entdecken könnten, wenn sie eine Dyson-Sphäre bauten.

Eine herkömmliche Dyson-Sphäre mit einer festen Hülle würde Restenergie im mittleren Infrarotbereich abstrahlen, die von heutigen menschlichen Instrumenten erfasst werden kann. Mindestens eine Forschungsgruppe hat begonnen, nach einem solchen Signal zu suchen.

Jason Wright, Professor für Astronomie und Astrophysik an der Penn State, und Matt Povich vom Fachbereich Physik und Astronomie der California Polytechnic State University haben begonnen, mithilfe von Daten des Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) der NASA nach starken Infrarotsignaturen von Dyson-Sphären im Weltraum zu suchen.

Bei dieser Suche wurde keine Dyson-Sphäre gefunden. Der Grund dafür, dass unsere Teleskope keine Megastrukturen im Weltraum entdeckt haben, liegt vielleicht darin, dass Außerirdische zu demselben Schluss gekommen sind, den wir in unserem Artikel ziehen: dass der Bau einer riesigen, festen Dyson-Sphäre selbst für eine fortschrittlichere Zivilisation als die unsere undurchführbar ist.

Auch wenn wir unsere Sonne vielleicht nie in einer Megastruktur eingeschlossen sehen oder wie sie Energie von Millionen Satelliten absaugt, die sie umkreisen, werden die von Dyson-Sphären inspirierte Wissenschaft und Science-Fiction weiterhin unsere wildesten Vorstellungen über das Leben auf diesem Planeten und darüber hinaus beflügeln.

Dies ist möglicherweise der wertvollste Beitrag der Dyson-Sphäre – sie setzt uns ein ehrgeiziges Ziel und ebnet uns den Weg, auch weiterhin revolutionäre Entdeckungen zu machen.

Verweise

1. https://www.popularmechanics.com/space/a40230192/dyson-sphere-immortality/

Zusammengestellt von: BladeRunne

Gutachter: Liu Yong, Forscher am National Space Science Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Botschafter für die Popularisierung der chinesischen Weltraumwissenschaften