O sferă Dyson este o megastructură ipotetică care înconjoară o stea și captează un procent mare din energia sa radiantă. Conceptul este un experiment de gândire care încearcă să explice modul în care o civilizație spațială și-ar îndeplini cerințele energetice odată ce aceste cerințe depășesc ceea ce poate fi generat numai din resursele planetei natale. Deoarece doar o mică parte din emisiile de energie ale unei stele ajunge la suprafața oricărei planete care o orbitează, construirea de structuri care să înconjoare o stea ar permite unei civilizații să colecteze mult mai multă energie.
Prima descriere contemporană a acestui gen de structură energetică a fost făcută de Olaf Stapledon în romanul său științifico-fantastic Star Maker (publicat în anul 1937 și considerat de Sir Arthur C. Clarke a fi "probabil cea mai puternică operă de imaginație scrisă vreodată") în care a descris "...nu numai că fiecare sistem solar era acum înconjurat de o țesătură de capcane de lumină, care concentrau energia solară care scăpa pentru o utilizare inteligentă, astfel încât întreaga galaxie a fost estompată...". Conceptul a fost popularizat ulterior de Freeman Dyson în lucrarea sa din 1960 „Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation”. Dyson a speculat că astfel de structuri ar fi consecința logică a nevoilor de energie în creștere ale unei civilizații tehnologice și ar fi o necesitate pentru supraviețuirea ei pe termen lung. El a propus că căutarea unor astfel de structuri ar putea duce la detectarea vieții extraterestre avansate și inteligente. Diferite tipuri de sfere Dyson și capacitatea lor de a colecta energie ar corespunde nivelurilor de progres tehnologic pe Scara Kardashev.
De atunci, alte variante de design care implică construirea unei structuri artificiale sau a unei serii de structuri care să cuprindă o stea au fost propuse în domeniul ingineriei exploratoare sau descrise în nuvele științifico-fantastice sub numele de „sferă Dyson”. Aceste propuneri ulterioare nu s-au limitat la centrale solare, multe dintre ele implicând elemente de locuit sau industriale. Cele mai multe descrieri fictive descriu un înveliș solid de materie care înconjoară o stea, care a fost considerată de însuși Dyson varianta cea mai puțin plauzibilă a ideii. În mai 2013, la Simpozionul Starship Century din San Diego, Dyson și-a repetat comentariile că și-ar fi dorit ca conceptul să nu fie numit după el.
Originea conceptului Conceptul sferei Dyson a fost rezultatul unui experiment de gândire al fizicianului și matematicianului Freeman Dyson, care a teoretizat că toate civilizațiile tehnologice își cresc încontinuu cererea de energie. El a argumentat că, dacă civilizația umană și-ar extinde cererea de energie suficient de mult, va veni un moment în care va solicita producția totală de energie a Soarelui. El a propus un sistem de structuri orbitale (la care s-a referit inițial ca un înveliș) concepute pentru a intercepta și colecta toată energia produsă de Soare. Propunerea lui Dyson nu a detaliat modul în care va fi construit un astfel de sistem, ci s-a concentrat doar pe probleme de colectare a energiei, pe baza faptului că o astfel de structură ar putea fi identificată prin spectrul său neobișnuit de emisie în infraroșu în comparație cu o stea. Lucrarea sa din 1960 „Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation”, publicată în revista Science, este considerată prima care a oficializat conceptul de sfere Dyson.
Cu toate acestea, Dyson nu a fost primul care a avansat această idee. S-a inspirat din romanul științifico-fantastic din 1937 Star Maker de Olaf Stapledon și, posibil, din lucrările lui J. D. Bernal.
Fezabilitate Deși astfel de megastructuri sunt teoretic posibile, construirea unui sistem stabil de sfere Dyson este în prezent cu mult peste capacitatea de inginerie a umanității. Efortul necesar pentru a obține, transmite și menține o sferă Dyson completă depășește capacitățile industriale actuale. George Dvorsky a susținut utilizarea roboților cu auto-replicare pentru a depăși această limitare într-un termen relativ apropiat. Unii au sugerat că habitate de sfere Dyson ar putea fi construite în jurul piticelor albe și chiar al pulsarilor.
Variante În relatările fictive, conceptul de sferă Dyson este adesea interpretat ca o sferă de materie artificială, goală, în jurul unei stele. Această percepție se bazează pe o interpretare literală a lucrării scurte originale a lui Dyson care introduce conceptul. Ca răspuns la scrisorile solicitate de unele lucrări, Dyson a răspuns: „Un înveliș sau un inel solid care înconjoară o stea este imposibil din punct de vedere mecanic. Forma de „biosferă” pe care am avut-o în vedere constă într-o colecție liberă sau roi de obiecte care călătoresc pe orbite independente în jurul stelei".
Roiul Dyson miniatura|Un inel Dyson - cea mai simplă formă a roiului Dyson - la scară. Orbită are o rază de 1 UA, colectorii au un diametru de 1,0×107 km (10 Gm sau ≈25 de ori distanța Pământ-Lună), distanțați la 3 grade de la centru la centru în jurul cercului orbital. Varianta cea mai apropiată de concepția originală a lui Dyson este „roiul Dyson”. Constă dintr-un număr mare de construcții independente (de obicei sateliți cu panouri solare și habitate spațiale) care orbitează într-o formațiune densă în jurul stelei. Această abordare de construcție are avantaje: componentele pot fi dimensionate corespunzător și pot fi construite în mod incremental. Diferite forme de transfer de energie fără fir ar putea fi utilizate pentru a transfera energie între componentele roiului și o planetă.
Dezavantajele rezultate din natura mecanicii orbitale ar face ca dispunerea orbitelor roiului să fie extrem de complexă. Cel mai simplu astfel de aranjament este inelul Dyson, în care toate aceste structuri au aceeași orbită. Modele mai complexe, cu mai multe inele, ar intercepta o mai mare parte a energiei radiante a stelei, dar ar duce la eclipsarea unor construcții pe altele, periodic, atunci când orbitele lor se suprapun. O altă problemă potențială este că odată cu adăugarea mai multor elemente crește probabilitatea perturbațiilor orbitale.
Un astfel de nor de colectori ar altera lumina emisă de sistemul stelar (vezi mai jos). Cu toate acestea, întreruperea în comparație cu spectrul natural general emis al unei stele ar fi cel mai probabil prea mică pentru ca astronomii de pe Pământ să o poată observa.
Bula Dyson Un al doilea tip de sferă Dyson este „bula Dyson”. Ar fi similar cu un roi Dyson, compus din mai multe construcții independente și, de asemenea, ar putea fi construit în mod incremental. miniatura|Un aranjament relativ simplu de mai multe inele Dyson de tipul din imaginea de mai sus, pentru a forma un roi Dyson mai complex. Razele orbitale ale inelelor sunt distanțate la 1,5×107 km una față de alta, dar raza orbitală medie este încă de 1 UA. Inelele sunt rotite cu 15 grade unul față de celălalt, în jurul unei axe comune de rotație. Spre deosebire de roiul Dyson, structurile care îl alcătuiesc nu se află pe orbită în jurul stelei, ci ar fi staționare - sateliți suspendați prin utilizarea unor pânze ușoare enorme care folosesc presiunea radiației pentru a contracara forța gravitațională a stelei. Astfel de construcții nu ar fi în pericol de coliziune sau de eclipsare reciprocă; ar fi total staționare în raport cu steaua și independente unul de celălalt. Deoarece raportul dintre presiunea radiației și forța gravitațională de la o stea este constant, indiferent de distanță (cu condiția ca satelitul să aibă o linie de vizibilitate neobstrucționată față de suprafața stelei sale), astfel de sateliți ar putea, de asemenea, să-și modifice distanța față de steaua lor centrală.
Practicalitatea acestei abordări este discutabilă cu știința materialelor moderne, dar nu poate fi încă exclusă. Un satelit 100% reflectorizant desfășurat în jurul Soarelui ar avea o densitate totală de 0,78 grame pe metru pătrat de vele. Pentru a ilustra masa redusă a materialelor necesare, luați în considerare că masa totală a unei bule dintr-un astfel de material cu o rază de 1 UA ar fi de aproximativ 2,17×1020 kg, care este aproximativ aceeași masă cu asteroidul Pallas. O altă ilustrație: hârtia de imprimantă are o densitate de aproximativ 80 g/m2.
Un astfel de material nu a fost încă produs sub forma unei vele ușoare de lucru. Cel mai ușor material de velă din fibră de carbon produs în prezent are o densitate - fără sarcină utilă - de 3 g/m2, sau de aproximativ de patru ori mai greu decât ar fi necesar pentru a construi un stator solar.
O singură foaie de grafen, forma bidimensională a carbonului, are o suprafață teoretică de 2629 g/m2, făcând ca o singură foaie de grafen să fie eficientă ca velă solară. grafenul nu a fost fabricat în foi mari și are o rată relativ mare de absorbție a radiațiilor, aproximativ 2,3% (adică, încă aproximativ 97,7% vor fi transmise). Pentru frecvențele din intervalul superior și inferior THz, rata de absorbție este de până la 50–100% din cauza polarizării tensiunii și/sau a dopajului. miniatura|O bulă Dyson: un aranjament de state în jurul unei stele, într-un model non-orbital. Atâta timp cât un satelit are o linie de vedere neobstrucționată față de stea sa, el poate pluti în orice punct din spațiu în apropierea stelei sale. Acest aranjament relativ simplu este doar unul dintr-un număr infinit de configurații posibile de stat și este menit ca un contrast doar pentru un roi Dyson. Statitele sunt ilustrate cu aceeași dimensiune ca și colectoarele din imaginea de mai sus și sunt aranjate la o distanță uniformă de 1 UA de stea. Nanotuburile de carbon ultra-ușoare prinse prin tehnici de fabricație moleculară au densități între 1,3 g/m2 și 1,4 g/m2. Până când o civilizație este gata să folosească această tehnologie, producția nanotuburilor de carbon ar putea fi suficient de optimizată pentru ca acestea să aibă o densitate mai mică decât necesarul de 0,7 g/m2, iar densitatea medie a pânzei cu tachelaj (ansamblul parâmelor folosite la fixarea arborilor sau la manevrarea pânzelor și a vergilor pe o navă) ar putea fi menținută la 0,3 g/m2. (o velă ușoară „stabilizată în rotire” necesită o masă suplimentară minimă în tachelaj). Dacă o astfel de velă ar putea fi construită la această densitate de suprafață, un habitat spațial de dimensiunea cilindrului O'Neill propus de Societatea L5 — 500 km2, cu spațiu pentru peste 1 milion de locuitori, cu o masă de 2,72×109 kg (3×106 tone) — ar putea fi susținută de o velă circulară ușoară de 3.000 km în diametru, cu o masă combinată pânză/habitat de 5,4×109 kg. Pentru comparație, acesta este doar puțin mai mic decât diametrul lunii Europa a lui Jupiter (deși vela este un disc plat, nu o sferă). O astfel de structură ar avea, totuși, o masă mult mai mică decât mulți asteroizi. Deși construirea unui astfel de stat locuibil masiv ar fi o întreprindere gigantică, iar știința materială necesară în spatele acesteia este în stadiu incipient, există alte fapte inginerești și materiale necesare propuse în alte variante de sfere Dyson.
În teorie, dacă s-ar crea și s-ar desfășura destui sateliți în jurul stelei lor, aceștia ar compune o versiune non-rigidă a carcasei Dyson menționată mai jos. O astfel de carcasă nu ar suferi dezavantajele presiunii masive de compresiune și nici cerințele de masă ale unei astfel de carcase nu sunt la fel de mari ca la forma rigidă. O astfel de înveliș ar avea, totuși, aceleași proprietăți optice și termice ca și forma rigidă și ar fi detectată de către cercetători într-un mod similar (vezi mai jos).
Carcasa Dyson