Великое в малом
Первый метод извлечения энергии придумал небезызвестный Пенроуз: если кинуть в экзосферу черной дыру ракету, которая включится над горизонтом событий и вылетит назад, то при определенном соотношении между массой ракеты, массой выброшенного топлива и его скорости истечения полная энергия вылетевшей ракеты (кинетическая энергия + масса покоя) будет превышать исходную суммарную энергию, запасенную в массе покоя ракеты и топлива. Избыток энергии будет взят от черной дыры, скорость вращения которой чуть-чуть уменьшится.
Знатоки вспомнят, что черная дыра создает огромные приливные силы, которые могут разорвать любой объект, к ней приблизившийся. Но простые оценки показывают, что стальной предмет размером с пулю легко выдержит приливное воздействие при пролете в непосредственной близости от горизонта рядовой черной дыры весом в 10 масс Солнца. А у более крупных черных дыр приливное воздействие меньше.
Можно представить такой фантастический сеттинг: цивилизация, обитающая в системе с черной дырой и запускающая межзвездные зонды, самособирающиеся из миниатюрных запчастей, разогнанных до околосветовых скоростей черной дырой. Зона влияния такой цивилизации будет распространяться вдоль линии пересечения галактического диска с плоскостью, перпендикулярной оси вращения дыры. Обороняться тоже легко: всего одна рота космодесантников Хаоса, вооруженная только легкими болтерами, при меткой стрельбе сможет уничтожить наступающий имперский флот.
Однако, «вот прямо так» это все нереализуемо. Потому что Император непобедим, еретики! Для того чтобы получить положительный выход энергии с помощью эффекта Пенроуза, скорость выброса топлива из ракеты должна превышать половину скорости света. То есть пули для болтеров придеться заправлять антивеществом. Учитывая же, что максимальный КПД эффекта Пенроуза (отношение энергии вылетевшего к массе сброшенного в дыру) для незаряженных тел равен всего 120%, затея выглядит в практическом плане бессмысленной.
К счастью, есть альтернативный вариант - процесс Блэнфорда-Знаека. Если наложить на черную дыру магнитное поле, параллельное ее оси вращения, то черная дыра будет вести себя аналогично униполярному генератору, с плюсом на экваторе дыры и минусами на ее полюсах. Ну или наоборот, в зависимости от направления вращения дыры.
Физические механизмы возникновения электрического поля рядом с черной дырой и в униполярном генераторе сильно различаются. Во вращающемся роторе униполярного генератора электрическое поле возникает за счет сдвига зарядов, вызванного взаимодействием электронов с внешним магнитным полем. В черной дыре никаких свободных зарядов нет, а электрическое поле возникает потому, что…. ну вот так получается из уравнений Максвелла во вращающемся пространстве.
Если подвести к полюсам и экватору проводники - цепь замкнется и пойдет ток. В дикой природе таким проводником (и нагрузкой) может служить плазма из аккреционного диска. Считается, что именно процесс Блэнфорда-Знаека является основным источником энергии квазаров.
Вернемся к уже упомянутой типичной черной дыре в 10 солнечных масс. Если наложить на нее магнитное поле с индукцией, равной индукции магнитного поля у поверхности Земли, то в нагрузке за секунду будет выделятся энергия, эквивалентная нескольким сотням граммов массы. Это где-то в тысячу раз превышает мировое потребление энергии человечеством в настоящее время. Если же увеличить магнитное поле до 10 тесл, то вырабатываемая мощность сравняется со светимостью Солнца… Мощность квадратично зависит от магнитного поля и от массы дыры.
Если на черную дыру не падает газ, то ее окрестности относительно безопасны (в отличии, например, от нейтронной звезды, которая обладает огромным собственным магнитным полем, нагретой до миллионов градусов поверхностью, излучает во всех диапазонах и будет остывать еще сотни миллиардов лет). Так что приблудные колонизаторы смогут спокойно разместить на ее орбите спутники для генерации магнитного поля и электронно-позитронных пар (так как при замыкании цепи носители заряда будут бесследно исчезать за горизонтом событий, и нужно постоянно создавать новые).
Преимущества чернодырного варианта перед сферой Дайсона очевидны - масштабы стройки века несоизмеримо меньше, получаемая мощность регулируема и может превышать суммарную мощность, получаемою сферой Дайсона, энергия, запасенная в дыре звездной массы, во много тысяч раз превышает энергию, которую излучит Солнце за все время своего существования. Минусы тоже очевидны - до черной дыры сначала надо добраться. Ближайший объект, в котором подозревают черную дыру, находится в 1600 световых годах от Земли. Правда, в настоящее время мы можем обнаруживать только сильно излучающие черные дыры с аккреционным диском. Спокойных, неизлучающих черных дыр, которые и нужны энергетикам, должно быть гораздо больше. Исходя из количества массивных звезд, из которых они рождаются, черных дыр в Галактике должно быть где-то сто миллионов.
Теперь о том, как можно обнаружить индустриально эксплуатирующих черную дыру инопланетян. Вынесенную в эпиграф мысль, что их, так же как дайсоносферопасов, можно обнаружить по избыточному тепловому излучению, мы отвергнем. Если у них есть столь компактный, мощный и «долгоиграющий» источник энергии, нет никаких резонов громоздить колоссальный радиатор и сбрасывать тепло при температуре в 300 или даже 3000 кельвинов. КПД 99.9999…% не имеет таких преимуществ перед КПД 90%, чтобы ради него столь усложнять тепловую машину. Практичнее держать «радиаторы» нагретыми до миллионов градусов, а ту часть инфраструктуры, которая не переносит высоких температур, искусственно охлаждать. Затраты энергии на охлаждение будут скомпенсированы более быстрой работой местных интернетов за счет близкого размещения пользователей.
При снятии энергии дыра будет замедлятся, и отдавать свой момент импульса инопланетянской токосъёмной аппаратуре. Чтобы оная аппаратура из-за этого не разогналась и не улетела вдаль, момент импульса надо сбрасывать. Практичнее всего это делать за счет асимметричного излучения с вышеупомянутых тепловых радиаторов. Отношение сброшенного момента импульса к энергии ушедшей с тепловым излучением будет прямо пропорционально расстоянию от черной дыры до радиатора.
Резюмируем:
Признак первый: Оно должно выглядеть как необычный источник, излучающий в плоскости перпендикулярной оси вращения (а не узкими пучками-джетами вдоль оси вращения, как это делают обычные дикие черные дыры и нейтронные звезды).
Признак второй: Рядом с ним должны болтаться объекты с температурой, много более низкой, чем она должна быть, исходя из светимости центрального объекта (т.е. искусственно охлаждаемые).
…
И такая примета - для купанья кареты:
Он их всюду таскает, и даже
Почему-то считает, что эти предметы
Украшают любые пейзажи.
Признак пятый - зазнайство и вера в успех.
Подчеркну: надлежит отличать
Тех из них, кто пернат и клюется, - от тех
Кто усат и умеет рычать.
Снарки, в общем, безвредны …
(с) Л.Керрол «Охота на Снарка»