Гравитационный двигатель

    image

    В этой статье речь пойдет о гравитационном двигателе.
    На картинке самая простая схема:
    2 маленькие черные дыры издалека начинают падать в большую центральную.

    Изначально никакой энергии ни у кого нет — все начинают с околонулевой скоростью.
    Для примера давайте возьмем Солнечную систему и сожмем Солнце в Черную дыру.
    Массу маленьких ЧД возьмем в тысячи раз меньше Солнечной — масса имеет значение, но для простоты возьмем одинаковую и незначительную относительно центральной ЧД.

    Начальную скорость маленьких ЧД возьмем вторую космическую для начальной высоты, Например если мы начинаем падение с высоты Земли, то начальная скорость ~42 км/с, если начинать с высоты Юпитера, то ~18,3 км/с — т. е. Чем дальше, тем меньше начальная энергия, она может быть и 100 м/с и околонулевой, но для удобства начнем с высоты Земли и скорости ~42 км/с.

    Итак: Для начала давайте бросим одну ЧД в нормальное Солнце со скоростью ~42 км/с по параболической траектории — в таком случае она подлетая к Солнцу ускоряется и около «поверхности» Солнца (695 700 километров от центра самого Солнца) разгонится до скорости ~617 км/с, пролетит рядом с «поверхностью» и начнет отдаляться/замедляться и на высоте Земли её скорость будет такая же как изначально 42 км/с.

    Теперь бросаем 2 ЧД в нормальное Солнце примерно как на первой картинке. Вариантов начальных параметров очень много и можно бросать с разной начальной скоростью или разного расстояния, но мы возьмем самый простой и наглядный, одинаковая скорость, одинаковое расстояние до Солнца, но бросаем из разных начальных точек.

    Итак, изначально маленькие ЧД друг с другом не связанны (расстояние между ними миллионы километров).
    Они начинают каждая со скоростью 42 км/с, а при максимальном приближении к Солнцу их скорость будет ~617 км/с, и в этот же момент они приблизятся максимально близко друг к другу и сделают гравитационный маневр для перераспределения энергии.

    Коротко о гравитационных манёврах из Википедии.
    image


    За 1 гравитационный манёвр можно передать максимум 50% энергии, т. е. Забрать всю энергию у «сбрасываемой» ЧД за 1 раз не получится и в таком случае КПД 50%, но там очень много параметров и не вдаваясь в детали КПД 50% — это очень легко, 99% — это уже сложнее, но тем не менее тоже возможно.
    Для начала давайте разберемся сколько вообще энергии можно получить таким образом (КПД как бы 100%).

    Итак при сближении с Солнцем у нас 2 ЧД на скорости 617 км/с = энергией ~190 гигаджоулей на килограмм у каждой. Забираем энергию у одной и отдаем другой.
    Итого ЧД без энергии как бы «ляжет» на «поверхность» Солнца с нулевой скоростью.
    А ЧД получившая энергию начнет удаляться от Солнца со скоростью 872 км/с, а когда она отлетит до высоты Земли — на которой она была изначально, то её скорость составит ~618,5 км/с = энергия 191 263 МДж на каждый килограмм. А это энергия, которую можно получить при сжигании 4,3 ТОННЫ бензина!!!

    Теперь просто сожмём Солнце в 100 тысяч раз (нет ничего проще — чем сжать термоядерную бомбу в активной фазе) до диаметра ~7 км — это еще не ЧД, а нейтройнная звезда. Итак масса у нас та же самая — Солнечная, и даже сама материя та же самая и ничего внутри не поменялось, поменялась только плотность, но теперь мы можем получить гораздо больше энергии и если раньше мы могли приблизится к центру масс на расстояние 696 тысяч километров и столкнулись бы с «Поверхностью» Солнца, то теперь «путь свободный» и мы можем пролететь еще сотни тысяч километров получая энергию/ускорение.

    Сколько энергии можно получить около нейтронной звезды?


    Около нейтронной звёзды скорость будет составлять сотни тысяч км/с (десятки процентов от скорости света) и там уже нужно учитывать эффекты Теории Относительности, а я к сожалению не «гравитолог» и кривые пространства считать не умею, но в одной из лекций Сергея Попова, он говорил, что при падении на нейтронную звезду энергия составляет 20% от $E_0=mc^2$ Т.е. Около нейтронной звезды с каждого сброшенного килограмма мы можем получить 20% от энергии, которую мы бы получили от аннигиляции 1 кг материи и антиматерии. И это от нейтройнной звезды, если мы сожмем её до черной дыры, то энергии будет больше чем 20% от $E_0=mc^2$.

    Сколько максимум энергии можно получить из гравитации?


    И это самый интересный и сложный вопрос. Я конечно не астрофизик, но кое что в физике и математике понимаю, а на этот вопрос я потратил часов 300 и в конечном итоге вопросов у меня стало гораздо больше чем было изначально. В общем дальше я просто расскажу свои мысли по этому поводу.

    Итак, сжимаем Солнце в ЧД и получаем кристально чистый гравитационный двигатель. Никакой термодинамики, энтропии, фотонов и электронов тут нет = Электромагнитное взаимодействие тут не участвует вообще!!! -Только масса и гравитация, и при этом мы можем получить энергию. В системе из 3-х тел, где изначально нет никакой энергии и всё никуда не двигается (почти), мы можем получить массу летящую с околосветовой скоростью. Т.е. По сути, в системе из 3-х тел гравитация может отталкивать, а потенциальная энергия — это не отрицательная энергия — её можно сделать положительной.

    При плотности нейтронной звезды можно получить 20% энергии от $E_0=mc^2$, у ЧД плотность выше и энергии будет больше. Минимальное расстояние пролета около звезды ограничивается поверхностью самой Звезды, у ЧД поверхности нет, но есть горизонт событий из под которого уже ничего не вытащить и забрать энергию можно только над горизонтом. А горизонт событий как раз и начинается там, где вторая космическая скорость становится равна $mc^2$. И по сути максимальная энергия, которую можно забрать у сбрасываемого тела равна энергии аннигиляции. И мы как бы можем избавиться от массы аннигилировав материю с антиматерией и получить энергию, либо мы можем сбросить массу в черную дыру (по сути в никуда) и получить ровно такую же энергию и точно так же навсегда и безвозвратно потерять массу.

    Но при этом — Черные дыры гораздо «реальней» чем антиматерия, найти чистую антиматерию во вселенной вообще невозможно, а черные дыры просто валяются в вакууме. В галактике существуют двойные черные дыры вращающиеся друг вокруг друга с околосветовой скоростью образовавшиеся естественным путём.

    image

    ЧД тормозит камень ускоряется. Если для примера опять взять Солнечную систему (в центре 2 вращающиеся ЧД массой 0,5 Солнечной каждая), то мы сбрасываем с Земли 2 камня один камень остается в центре — после тормозящего гравитационного маневра он останется на орбите центра масс — вокруг которого вращаются и сами ЧД и со временем упадет в одну из ЧД, а второй ускорившийся камень, прилетит к Земле с околосветовой скоростью. Камень летящий с околосветовой скоростью — это конечно замечательно, но нам нужно электричество. Самый тупой способ получить электричество — столкнуть этот камень с Луной, т. е. Камни влетают на околосветовой скорости в Луну, она нагревается и начинает светиться как лампочка — из света получаем электричество. При столкновении на такой скорости, мощность взрыва будет в ~2 миллиона раз больше чем мощность бомбы сброшенной на Хирасиму (при массе камня, равной массе бомбы). На самом деле, способов получить электричество с помощью гравитации очень много, но пока давайте разберемся с самим источником энергии.

    Тратить массу в случае нахождения 2-х Черных дыр, нам придется только для того, чтобы чёрные дыры не слились и вечно находились на одном и том же расстоянии друг от друга. Если же не «тратить» массу, а кидать камни только для ускорения, то ЧД начнут сближаться
    и когда-нибудь сольются, а для получения энергии нужно обязательно две — Вернее главный элемент конструкции — это одно плотное тело с большой скоростью на орбите массивного тела, (идеал — это как раз черная дыра двигающаяся с околосветовой скоростью вокруг другой черной дыры). А если они сольются, то ЧД у нас будет всего одна, и с нулевой скоростью, поэтому нужно держать баланс. Но всё же возникает вопрос:- Сколько энергии можно забрать до того как 2 ЧД сольются? — 100% от $mc^2$, если у нас 2 ЧД по 0,5 Массы солнца, то сольются они, когда мы заберем энергию равную аннигиляции целого Солнца (зависит от изначального расстояния между ними, но даже если изначально они будут вращаться на орбите Меркурия ~ 120 млн км друг от друга, то суммарная энергия будет больше 99% от $mc^2$). На самом деле, Солнце за 5 миллиардов лет своего существования не произведет столько энергии, а за всю свою жизнь Солнце «растворит» меньше 0,1% своей массы.

    Термоядерный синтез — это вообще фуфло по сравнению с тем, сколько энергии можно получить с помощью гравитации. К слову, масса ЧД совершенно не влияет на КПД = скорость около горизонта событий всегда одинаковая. И для получения энергии, по факту нам не обязательно иметь черные дыры огромной массы, по сути, масса ЧД может быть даже по 1 кг и мы можем сжать 2 арбуза до черных дыр, и всё будет работать так же как и с большими черными дырами. Причем управлять маленькими ЧД гораздо проще чем термоядерным синтезом (есть даже мнение, что удерживать материю температурой несколько миллиардов градусов вообще невозможно), а черные дыры можно держать теми же самыми гравитационными маневрами. Поэтому маленький и даже переносной реактор массой несколько килограмм вполне возможен. Правда чем меньше ЧД — тем она «злее», около горизонта событий огромные приливные силы будут разрывать любую материю и получится 2 маленьких злобных и неуправляемых квазара. В общем сбрасывать материю в маленькие ЧД плохая затея.

    Можно ли сбрасывать в Черные Дыры свет?


    Я конечно не специалист по кривым пространствам, но вроде бы гравитационные маневры должны работать и со светом. По крайней мере, я слышал о таком эксперименте: В институте светили «фонариком» вертикально вверх/вниз. И фотоны поднимающиеся вверх теряли энергию (краснели), а фотоны падающие вниз получали энергию (синели). Т.е. Гравитация передаёт энергию свету, а значит и гравитационные маневры со светом тоже должны работать (свет проходящий позади движения ЧД будет «ускоряться»/синеть/получать энергию, а пролетающий перед движением ЧД будет «тормозить»/краснеть/терять энергию). У света есть импульс и он может «толкать» парус, поэтому и гравитационные маневры скорее всего должны работать. Тогда энергию гравитации можно легко получать даже из очень маленьких черных дыр.

    А как же излучение Хокинга?


    Излучение Хокинга позволяет создать вечный двигатель, мы сбрасываем массу и получаем энергию, а она опять выходит, мы опять сбрасываем и получаем энергию, а она опять выходит. Поэтому по всем вопросам обращайтесь к самому Хокингу, а ещё лучше к тем, кто ему нобелевскую премию выдал. В моем двигателе, никакие квантовые числа не нарушаются — Всё абсолютно легально!!! Кот Шрёдингера будет доволен!!!

    Хотя всё же запашок вечного двигателя тут есть. Импульс света равен $p=(hv)/c$
    Чем больше частота — тем больше импульс, но «тормозящий» гравитационный маневр будет уменьшать частоту и в предельном случае, если забрать у света всю энергию около горизонта событий — то он упадет в ЧД с нулевой энергией, тогда на сколько увеличится масса ЧД?
    У материи, к слову, возникает такая же проблема, если забрать всю энергию у килограммового камня перед сбросом, масса ЧД должна увеличится на 1 кг. Но второй килограммовый камень который унесёт энергию — при столкновении с Луной на околосветовой скорости, осколков из него вылетит на 2 кг. ($E_0=mc^2$ работает в обе стороны). И в результате у нас будет опять 2 кг., да еще и масса ЧД увеличится на 1 кг. Итого суммарная масса вселенной увеличится на 1 кг. И вроде бы эта проблема вообще никак не решается — суммарная масса вселенной при любом КПД будет увеличиваться.

    Либо каким-то чудесным образом, при сбросе в ЧД со скоростью/энергией меньше чем $mc^2$ — масса ЧД будет уменьшаться и тогда получается, что с помощью гравитации мы можем вытаскивать энергию из ЧД.

    Либо масса вселенной всё таки увеличится… но произойдет какая-нибудь дичь. Всё же бесконечно увеличивать массу мы не сможем, если мы всё это будем делать условно на орбите Земли, то со временем, горизонт событий «дотянется» до Земли, и мы просто окажемся в ЧД (энергии при этом мы не получим). И тогда бесконечно получать массу/энергию мы не сможем. Но все эти проблемы начнутся после увеличения центральной массы в миллионы раз.

    В общем что это за энергия и откуда она берется вопрос весьма интересный и возможно что эта энергия вообще никак не связанна с $E_0=mc^2$ – это какая-то другая энергия и её гораздо больше. Если пойти с другой стороны и задаться вопросом — А почему вся масса вселенной не схлопнулась в огромную ЧД? — Её растолкала какая-то энергия…

    P.S.

    В общем Черные дыры и мутная энергия всё это конечно замечательно, но это крайне далекое будущее, да и не понятно как это будет работать с ЧД. В следующей статье поговорим о более реальных вариантах. На самом деле, даже на орбите Юпитера можно легко построить электростанцию из грязи палок и фольги — производящую 900 Мдж с каждого сброшенного килограмма, а это энергия 25 литров бензина. Вот в следующей статье я и попробую прикинуть сколько будет весить такая орбитальная конструкция.

    P.P.S.

    Хотелось бы еще обратится к читателям. А может кто-нибудь перевести статью на английский язык? Просто на такие статьи уходит очень много времени, да и в России физика никому особо и не нужна. Нужен хотя бы спрос. И вообще куда можно на английских ресурсах писать такие статьи?

    Иногда, между состояниями ни жив ни мертв — я коллапсирую на твиче.

    Комментарии 20

      –4
      школьники на хабре
        +1
        школьники тоже люди, а изучение физики ещё никому не навредило
        +1

        "Переведите на английский… Физика в Росси никому не нужна."
        Надо было это вначале статьи написать, чтобы не тратить напрасно времени читателей.

          0
          А разве гравитация это не искривление пространства?
            0
            Ага, это согласно ОТО еще и искривление времени.
            0
            www.popmech.ru/science/538424-chernaya-dyra-izvergaet-potoki-veshchestva-so-sverhsvetovoy-skorostyu
            Одной черной дыры вполне достаточно.
              0
              Отличная идея для НФ-романа! Лю Цысинь одобряет/обзавидуется!
                0

                Уважаемый автор. Насколько могу судить критики уже дали свою оценку статье, а я бы хотел, будучи школьником в физике, но половозрелым мужчиной в жизни, кое-какие нюансы уточнить.


                "4,3 ТОННЫ бензина!!!" это действительно так много? Я понимаю, мой автомобиль будет поглощать это количество годами (в зависимости от режима эксплуатации), но какая-нибудь производственная установка может "съесть" существенно быстрее.


                "есть даже мнение, что удерживать материю температурой несколько миллиардов градусов вообще невозможно". Статья о китайском солнце: https://3dnews.ru/1027110/kitay-zagigaet-iskusstvennoe-solntse-vvedyon-v-ekspluatatsiyu-termoyaderniy-reaktor-hl2m-tokamak
                Речь не о миллиардах градусов, но 150 миллионов тоже вполне ощутимая температура. Китайцы зря мучаются?


                Вы потратили 300 часов на изучение этой темы. Могли бы посоветовать доступные для непосвящённых умов источники?


                "… а потенциальная энергия — это не отрицательная энергия..." далее у Вас может стать положительную. Из школьного курса помню про существование потенциальной и кинетической энергии. О положительной не припомню. Расскажите об особенностях положительной энергии?


                Очень интересно узнать возможные методы сжатия арбузов до состояния черных дыр.


                "Электромагнитное взаимодействие тут не участвует вообще!!!" как-то отражает пренебрежение к электромагнитному взаимодействию? Я считал, что эта область знаний ещё активно исследуется и предполагается существенная выгода от ее изучения, но я очень мало знаю.


                Буду рад, узнать Ваши ответы на мои вопросы, что позволит подглядеть в область знаний, где являюсь профаном.

                  +1
                  По поводу бензина.
                  Кажись автор имел ввиду количество на килограмм массы разгоняемого тела.
                  +1
                  Отличная идея! В самом деле, в задаче трёх тел часто появляются такие решения, где одно из тел выбрасывается из системы с большой скоростью. Именно такие явления происходят при звёздообразовании, когда некоторые звёзды выбрасываются из формирующегося скопления.

                  И раз так, что почему бы не обратить эти явления в нашу пользу, особенно в предельном случае, когда одно или несколько тел системы — чёрные дыры.

                  Насчёт излучения Хокинга: для малых чёрных дыр оно существенно. Где-то пробегали формулы для вычисления температуры ЧД и мощности излучения в зависимости от массы. Если склероз не изменяет, то ЧД массой в 1 кг испарится за доли секунды, взорвавшись с выделением энергии, равной mc2. В связи с этим черные дыры массой меньше, чем пару сотен тысяч тонн, не представляют практической ценности, разве только как бомбы.

                  Существует такая масса ЧД, что мощность и спектр излучения Хокинга будут представлять интерес с точки зрения энергетики. Тем не менее, «кормить» такую дыру практически невозможно, так как из-за малых размеров в неё очень трудно попасть. Кроме того, излучение Хокинга будет оказывать давление на летящий в дыру «корм», и вам придётся это давление как-то преодолевать. Также надо учитывать термодинамику: каждая ЧД имеет некоторую температуру (чем меньше дыра — тем выше температура), а тепло не может передаваться от холодного тела к горячему. В общем, я считаю, что поддержание малых ЧД бесперспективно. Думаю, тему малых ЧД лучше отложить до лучших времён. Во Вселенной такие дыры найти трудно, а создать — ещё труднее.

                  Кормить светом чёрные дыры можно, всё по той же формуле E=mc2 применительно к фотону. Можно даже создать чёрную дыру из одних фотонов: в английском для такой дыры есть специальный немецкий термин «Kugelblitz» («шаровая молния»-ЧД). Вероятно, первая искусственная ЧД будет создана именно таким способом: фотоны проще упаковать в пространстве, так как для них не действует принцип Паули и связанное с ним давление вырождения материи, препятствующее росту плотности.

                  Возвращаясь к практике. Думаю, единственная доступная нам система из двух массивных тел — это Земля-Луна. Можно внести в эту систему третье тело и подобрать его траекторию так, чтобы оно ускорилось за счёт некоторого сближения Земли и Луны. Вы не проводили расчёты, сколько можно максимально извлечь при этом энергии?
                    0

                    А как технически для двух чд, пролетающих мимо большой чд, у одной из пары отобрать энергию, а второй добавить? Что демиург сделать должен для реализации этого маневра?

                      0
                      Гравитационным манёвром, пролетающая ЧД перед другой ЧД потеряет энергию. Нужна только изначальная настройка при сбросе, в нужный момент и в нужное время.
                        0

                        Сбросе чего? Ведь две летящие чд никак не связаны. Предположим, одна потеряет энергию (хотя непонятно, что для этого надо сделать), но как другая эту энергию приобретет? При обсуждении грав. Маневра предполагалось, что в точке траектории с наибольшей скоростью, включается двигатель корабля и добавляет скорости, а в случае с двумя чд что нужно сделать?

                          0
                          Вы путаете гравитационный маневр и эффект Обрета (Маневр Оберта), при грав. маневре не нужны двигатели.
                      0

                      Хорошо, пусть двигатели не нужны, но что сделать-то нужно, чтобы поведение дву чд было разным, одна отдала энергию, а другая получила? Та, которая, получает энергию, она ведь ее приобретает за счет первой чд, которая летит впереди. Почему это происходит?

                        0
                        Потому что орбитальная механика так работает))) Читайте в интернете про гравитационные маневры — это в двух словах не объяснить.
                          0
                          При определённых начальных условиях (положениях и начальных скоростях тел, составляющих систему) это происходит само собой. Явление наблюдается как в рамках ньютоновской механики и теории тяготения, так и в эйнштейновской.
                          –1
                          свидетельств описываемого поведения чёрных дыр мы пока не наблюдаем. более того мы не полностью уверены в существовании чёрных дыр их свойствах их природе. антиматерия на данный момент куда реальнее чем чёрные дыры.
                            0
                            Кошмар. Сами бросайте ваши черные дыры в Солнце. А у нас они на каждом углу не валяются
                              0
                              Не совсем понятно, как из тяжелой быстролетящей бандуры получить полезную энергию? И если мы научимся этому, то зачем все эти гравитационные маневры нужны, давайте сразу отбирать энергию с планет и спутников — с них не убудет.

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое