غلاف دايسون

البديل الأكثر قربًا لتصور دايسون الأصلي هو «سرب دايسون». وهو يتكون من عدد كبير من البُنى المستقلة (عادةً أقمار صناعية تعمل بالطاقة الشمسية ومساكن فضائية) تدور بتشكيل كثيف حول النجم. مزايا هذا الأسلوب من البناء هي: إمكانية تحجيم المكونات بشكل مناسب، وإمكانية بنائها تدريجيًا.[10] يمكن استخدام أشكال متعددة من نقل الطاقة لاسلكيًا من أجل نقل الطاقة بين مكونات السرب والكوكب. ستجعل العوائق الناتجة عن طبيعة الميكانيكا المدارية ترتيب مدارات السرب معقدًا جداً. الشكل الأبسط من هذا التركيب هو حلقة دايسون، التي تشترك فيها كل البُنى بالمدار نفسه.[11] تستطيع الأنماط الأكثر تعقيدًا التي تتضمن عددًا إضافيًا من الحلقات اعتراض كمية أكبر من انبعاثات النجم، ولكن نتيجةً لهذا ستحجب بعض البُنى بُنىً أخرى بشكل دوري عندما تتداخل مداراتها. تتمثل مشكلةٌ محتملة أخرى بزيادة خسارة الاستقرار المداري عند إضافة عناصر جديدة تزيد احتمالية الاضطرابات المدارية.

يمكن لهكذا مجموعة من البُنى أن تؤثر بشكل بسيط على الضوء المنبعث من النظام النجمي (انظر للأسفل). ومع ذلك، سيكون الاضطراب صغيرًا جدًا على الأرجح إذا ما قارناه بالطيف الطبيعي الكلي المنبعث من النجم بالنسبة للفلكيين الذين يقومون برصده من الأرض.[2]

فقاعة دايسون

يتمثل النوع الثاني من غلاف دايسون ب «فقاعة دايسون». وهي مشابهة لسرب دايسون، ومكونة من عدة بُنى مستقلة، ويمكن بناؤها بشكل تدريجي أيضًا. على عكس سرب دايسون، لا تكونُ البُنى التي تكوّن فقاعة دايسون في مدار حول النجم، بل هي عبارة عن أقمار اصطناعية ثابتة مرتبطة بأشرعة شمسية ضخمة تستخدم ضغط الإشعاع لمقاومة قوة سحب جاذبية النجم. لن تعاني مثل هكذا بُنى من خطر اصطدامها ببعضها البعض أو أن تحجب بعضها البعض، بل ستكون ثابتة كليًا بالنسبة للنجم ومستقلة عن بعضها البعض. يمكن لهذه الأقمار الاصطناعية أن تغير بعدها عن نجمها المركزي، لأنّ النسبة بين ضغط الإشعاع وقوة الجاذبية الناتجة عن النجم ثابتة بغض النظر عن المسافة (بشرط أن يكون خط النظر بين القمر الاصطناعي وسطح النجم خاليًا من العوائق).[12]

يشكّل التطبيق العملي لهذا النهج موضع تساؤل في علم المواد الحديث، لكن لا يمكن استبعاده حتى الآن. سيبلغ الثقل النوعي الكلي 0.78 غرام لكل متر مربع من الشراع بالنسبة للأقمار الاصطناعية ذات الانعكاسية 100% المنشورة حول الشمس. لتوضيح مدى انخفاض كتلة المواد المطلوبة، اعتبر أنّ الكتلة الكلية للفقاعة المكونة من هكذا مواد يبلغ نصف قطرها 1 وحدة فلكية تبلغ 2.17x10²⁰ كيلوغرام، وهي تشابه في الكتلة كويكب باللاس. توضيح آخر، يبلغ الثقل النوعي لورق الطباعة النظامي حوالي 80 غرام/ متر مربع.[13][14]

لم تُنتج هكذا مواد بعدُ على شكل شراع شمسي. تُنتج أخف المواد المكونة لشراع شمسي من ألياف الكربون حاليًا بثقل نوعي يبلغ 3 غرام/ متر مربع (من دون الحمولة)، وبمعنى آخر حوالي أربعة أضعاف الثقل المطلوب لبناء قمر اصطناعي شمسي ثابت.[15]

تُعتبر «قوقعة دايسون» البديل في الغالب لغلاف دايسون كما صُوّر في الأدب: وهي قشرة مادية صلبة موحدة تحيط بالنجم. بمقدور هذا الهيكل أن يغير انبعاثات النجم المركزي بشكل كامل، واعتراض 100% من إنتاج الطاقة للنجم. بإمكانه هذا أيضًا أن يوفر سطحًا هائلًا يستخدمه الكثير من المتخيلين للسكن، إذا أمكن جعل السطح صالحًا للسكن.[16]

لو افترضنا وجود قوقعة دايسون كروية في النظام الشمسي مع دائرة نصف قطرها يساوي وحدة فلكية واحدة، بحيث يتلقى السطح الداخلي نفس الكمية من أشعة الشمس التي تتلقاها الأرض لكل وحدة زاويّة مجسمة، فسيكون لها مساحة سطح حوالي 2.8×1017 كيلومتر مربع (1.1×1017 ميل مربع) أو أكبر بحوالي 550 مليون مرة من مساحة سطح الأرض. من شأن هذا أن يعترض 384.6 يوتا واط (3.846 × 1026 واط) من إنتاج الشمس. بإمكان التصميمات غير الصدفية اعتراض طاقة أقل، لكن البديل قوقعي الشكل يمثل أقصى طاقة ممكنة يمكن التقاطها للنظام الشمسي في هذه المرحلة من تطور الشمس. تزيد هذه الطاقة بقرابة 33 تريليون مرة عن الاستهلاك البشري للطاقة عام 1998، والذي كان 12 تيرا واط.[17][18][19]

هناك العديد من الصعوبات النظرية الخطيرة عند التعامل مع بديل غلاف دايسون الصلب قوقعي الشكل، فمثلًا:[19][15]

لن يكون لهذه القوقعة أي تفاعل جاذبي صافي مع نجمها المركزي، وقد تنجرف للاندماج بالنجم المركزي. إذا لم تُصحح مثل هذه الأنشطة، فقد تؤدي في النهاية إلى حدوث تصادم بين الغلاف والنجم، وتؤدي على الأرجح إلى نتائج كارثية. ستحتاج مثل هذه الهياكل إما إلى شكل ما من أشكال الدفع لمواجهة أي انجراف، أو إلى طريقة ما لصد وإرسال سطح الغلاف بعيدًا عن النجم.

الاحتمال الآخر هو «شبكة دايسون»، وهي شبكة من الكابلات الممدودة حول النجم والتي يمكن أن تحتوي على وحدات لتجميع الطاقة أو الحرارة معلقةً بين الكابلات. تتقلص شبكة دايسون إلى حالة خاصة تتمثل بقوقعة أو فقاعة دايسون، وفقًا لكيفية دعم الكابلات ضد جاذبية الشمس.

يُعتبر عالم الفقاعات بناءً صناعيًا يتكون من قوقعة توفر مساحة للعيش حول كرة غازية من الهيدروجين. تحتوي قوقعة على الهواء والناس والمنازل والأثاث، إلخ. صُممت الفكرة للإجابة على السؤال الذي يقول: ما هي أكبر مستعمرة فضائية يمكن بناؤها؟» ومع ذلك، فإن معظم هذا الحجم يكون غير صالح للسكن ولا يوجد هناك مصدر للطاقة.[20]

يمكن وضع أي عملاق غازي في قوقعة صلبة من الناحية النظرية؛ ستكون جاذبية السطح مشابهة لجاذبية الأرض في نصف قطر محدد، ويمكن توفير الطاقة عن طريق استغلال الطاقة الحرارية للكوكب. كُشف عن هذا المفهوم بشكل هامشي بوساطة تشارلز ستروز في رواية «أكسليراندو» (وقصة «أمين المكتبة» القصيرة المدرجة ضمن الرواية باعتبارها فصلًا من فصولها)، إذ يتحول كوكب زحل فيها إلى عالم قابل للسكن البشري.

المحركات النجمية هي صنف من الهياكل الضخمة الافتراضية التي تهدف إلى استخراج طاقة مفيدة من نجم ما، وتُستخدم أحيانًا لأغراض محددة. على سبيل المثال، تستخرج أدمغة ماتريوشكا (هياكل ضخمة اقتُرحت نظريًا من قِبل روبرت برادبري) الطاقة من أجل الحساب؛ تستخرج دافعات شاكدوف (وهي محركات نجمية) الطاقة من أجل الدفع. تستند بعض التصاميم المقترحة للمحركات النجمية إلى غلاف دايسون.[21]

يمكن أن يكون الثقب الأسود مصدرًا للطاقة بدلاً من النجم من أجل زيادة كفاءة تحويل المادة إلى طاقة. يجب أن يكون الثقب أسود أيضًا أصغر من النجم. من شأن هذا أن يقلل من مسافات الاتصال التي ستكون مهمة للمجتمعات التي تعتمد على الحواسيب.