Энергия – это наше всё. И особенно это заметно в проявлении жизнедеятельности организмов. При этом совсем не важно, какие они – разумные или примитивные.
Степень развития любой цивилизации можно свести к количеству освоенной ею энергии. Чем оно больше, тем более развитой считается цивилизация. Эту нетривиальную теорию в 1964 году предложил советский астрофизик Николай Семёнович Кардашёв в своей работе «Передача информации внеземными цивилизациями». Проанализировав развитие энергетических потребностей цивилизации, Кардашёв теоретически обосновал их изменение в будущем, по мере развития самой цивилизации.
Созданную таким методом шкалу Кардашёва развил немецкий писатель-фантаст Хельге Каутц, а американский астрофизик Карл Сейган сделал её, по сути, универсальным мерилом технологического развития цивилизации, основанного на количестве потребляемой ими энергии.
Если проанализировать энергопотребление нашей цивилизации, то она качественно подтверждает шкалу Кардашёва.
В 2019 году человечество потребило 586 ЭДж энергии. Такое количество энергии получает наша планета от Солнца меньше чем за час!
Мы всё ещё очень далеки от уровня энергопотребления цивилизации первого типа.
Другими словами, в течение 2019 года наша цивилизация освоила, в среднем, 18,58 Тераватт энергии.
Что соответствует значению чуть более 0,01% от энергии, получаемой нашей планетой от Солнца, или 0,19% от энергопотребления цивилизации первого типа.
Цивилизация, энергопотребление которой достигло значения 10 в 16 степени Ватт, считается цивилизаций первого типа. Для справки: Земля получает в 17,4 раза больше энергии от Солнца, чем предусмотрено шкалой Кардашёва для энергопотребления цивилизацией первого типа.
Есть простой пример, чтобы понять этот масштаб: для достижения энергопотребностей цивилизации первого типа потребуется 539 цивилизаций, по уровню развития сопоставимых с нашей. Будь мы сегодня цивилизацией первого типа, то каждому жителю Земли было бы доступно более 1,28 МВт энергии (30,76 Мегаватт-час за день), которую он смог бы использовать для своих нужд.
Зачем нам столько энергии? Допустим, для реплицирования необходимых нам вещей прямо дома с помощью 3D-принтера.
А теперь давайте порассуждаем о самом интересом: какие источники энергии способны обеспечивать потребности цивилизаций различных типов.
Сегодня самым мощным источником энергии является атомная энергетика. Следующим логическим развитием этой технологии станет Замыкание Ядерного Топливного Цикла (к 2050 году), тогда ядерная энергетика задействует весь свой энергетический потенциал. Объём уже добытого урана при ЗЯТЦ сможет обеспечить нынешние энергетические потребности человечества на ближайшие 300 лет.
Как говорилось выше, развитие нашей цивилизации прямопропорционально зависит от потребляемой ею энергии, а средний прирост в потреблении энергии за поселение 30 лет составляет 1,675%.
Если взять в расчёт этот показатель, то ресурсы ядерной энергетики в ЗЯТЦ будут исчерпаны уже к 2127 году, если перевести всю энергетику на атом.
К 2127 этому году энергопотребление нашей цивилизации возрастет более чем в 6 раз.
И тут получается казус. Дело в том, что с 1900 года по 2000 год энергопотребление возросло прочти в 20 раз, что соответствовало средней прибавке в энергопотреблении более чем на 3%. Налицо замедление роста энергопотребления и, как следствие, развития научно-технического прогресса. Всё дело было в бурном освоении легко добываемых углеводородов и в развитии атомной энергии, что сегодня уже невозможно в силу различных причин.
Однако атомная энергетика, работающая по ЗЯТЦ совместно с альтернативной (солнечной и ветряной), а также расширение газовой генерации - всё это способно вернуть прежний рост энергопотребления. Но раньше 2050 года, однозначно, этого не произойдёт.
Итак, Карл Сейган предложил формулу расчёта коэффициента значений шкалы Кардашева. Вычисляется она через десятичный логарифм и показывает уровень развития цивилизации.
Где Р - потребление энергии нашей цивилизацией в Ваттах.
Подставляя в эту формулу известные нам значения, можно вычислить уровень развития нашей цивилизации в 2019 году:
Теперь вы знаете, как вычислить этот коэффициент Кардашёва-Сейгана. Можете сами попробовать в Excel: « =((LOG10(18580000000000))-6)/10 ». Подобная формула отлично показывает коэффициенты всех трёх типов цивилизаций.
Итого, к 2050 году наша цивилизация достигнет коэффициента 0,749 при потреблении энергии в 31,09 ТВт (0,31% от потребления цивилизации 1-го типа).
Получив новый мощный источник энергии в виде ЗЯТЦ и совместив его с альтернативной и традиционной энергетикой, человечество, с большой долей вероятности, сможет восстановить трёхпроцентный прогресс в потреблении энергии. Учитывая подобный энергетический прогресс, в котором ЗЯТЦ может занять до 50% выработки энергии, можно предположить, что запасы всех делящихся элементов на Земле закончатся к 2132 году. К этому времени наша цивилизация достигнет коэффициента 0,854 при потреблении 346,51 ТВт энергии (3,47% от потребления цивилизации 1 типа).
Таким образом, 2132 год можно считать пределом, когда в полном объёме должен быть безопасно и эффективно освоен новый энергетический ресурс – Управляемый Термоядерный Синтез (УТС). И именно к 2132 году УТС должен полностью заменить ЗЯТЦ и тому подобные ядерные энергетические технологии. Переход к УТС позволит возводить специальные реакторы практически в любом месте Солнечной системы.
После 2150 года ежегодный прирост в потреблении энергии будет превышать сегодняшний уровень потребления - более 18,58 Тераватт.
Необходимый прирост в потреблении энергии следующие 50 лет будет обеспечивать термоядерная энергетика.
К 2200 году мы достигнем коэффициента Кардашёва-Сейгана в 0,94. Энергии будет освоено почти 26% от цивилизации 1 типа.
Но к началу к 23-го века даже термоядерные мощности могут оказаться недостаточно быстровозводимыми для обеспечения прироста в потреблении энергии. Прирост в потреблении энергии будет равен количеству всей энергии, освоенной человечеством в 2080 году, или больше чем в 4 раза больше сегодняшнего уровня потребления.
Выхода тут два: к 2200 году освоить реакторы на антиматерии (аннигиляционные реакторы), или приступить к созданию разновидности Сферы Дайсона – Рой Дайсона, представляющей собой солнечные сборщики площадью в 1км2.
Какие ресурсы потребуются, чтобы создать Рой Дайсона, я рассказывал в статье "Слепое будущее – Сфера Дайсона".
Но для нашей цивилизации будет предпочтительнее освоить именно реакторы на антиматерии, так как с ними можно осуществлять космическую экспансию.
Антиматерия – это противоположность по свойствам (квантовым числам) обычной материи, и при их взаимодействии происходит аннигиляция (взаимное уничтожение), где 100% от общего количества материи превращается в энергию.
Исследования «Comparison of Fusion/Antiproton Propulsion Systems for Interplanetary Travel», проведённые компанией НАСА, показывают, что при аннигиляции пары протон-антипротон 2/3 энергии уносят нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом, поэтому сегодня мы можем использовать только 33% энергии от потенциала аннигиляции. Имея эти данные, можно вычислить КПД энергетической безубыточности производства антивещества.
И тут нас встречает большая проблема.
Допустим, для производства одной частицы антивещества требуется 100 единиц энергии, при этом КПД будет равен 100%. При аннигиляции мы получим 200 единиц энергии, так как материя уже есть и её создавать не требуется. Однако, из 200 единиц энергии можно освоить только 66,67 единиц, что делает синтез антиматерии даже с КПД 100% - убыточным.
Выхода тут, опять же, два:
- Поиск частиц-античастиц, которые дают меньше нейтринного выхода при аннигиляции;
- Создание методов и материалов, способных активно взаимодействовать с нейтрино.
Эти задачи будет решать учёные будущего, чтобы продолжать развивать нашу цивилизацию.
Если вопрос с антиматерией будет решён и мы получим эффективность энергетического выхода хотя бы на уровне термоядерного синтеза, то это сильно облегчит энергетические нужды человечества 23-го века.
Аннигиляционные реакторы постепенно начнут заменять собой термоядерные, и уже менее чем через 50 лет, в 2246 году, человечество достигнет энергопотребления цивилизации первого типа - 10 в 26 степени Ватт.
Но даже в 2246 году человечество освоит всего 5,79% от энергии, которую получает Земля от Солнца.
Реакторов на антиматерии будет достаточно для обуздания этой энергии к 2343 году. Тогда энергопотребление возрастет до 1,74 в 10(17) степени ватт, а коэффициент Кардашёва-Сейгана составит 1,125.
Подобная энергия выделяется при аннигиляции 1,97 кг антивещества-вещества, либо при взрыве термоядерной бомбы массой 42,3 Мегатонны в тротиловом эквиваленте. И это каждую секунду!
То есть в год нужно производить, как минимум, 32 тонны антиматерии с учётом 100%-ного КПД использования энергии аннигиляции.
Сегодня мы можем синтезировать около миллиарда атомов антиводорода, что в 6 * 10 в 14 степени раз меньше числа Авогадро. Так что даже миллиграмма антивещества нам пока синтезировать не под силу.
Однако для достижения уровня цивилизации II типа в приемлемые сроки нам понадобится что-то посерьёзнее антиматерии. Это позволит к 3060 году освоить эквивалент энергии, излучаемой нашим Солнцем, но об этом в следующей статье.
Часть 2
