Om svarta hål och Roger Penrose (och Stephen Hawking)
- 6 min
Med anledning av 2020 års Nobelpris i fysik till Roger Penrose, Andrea Gehz och Reinhard Genzel slog vi upp Max Tegmarks numera närmast klassiska bok Liv 3.0, där han i kapitlet Vårt kosmiska kapital spekulerar kring kommande energikällor, refererar till den då kommande Nobelpristagaren Roger Penrose och samtidigt ger ett hommage till en av sina läromästare, Stephen Hawking. Om du inte redan läst boken eller behöver påminnas om det halsbrytande innehållet bjuder vi på ett smakprov här.
Avdunstande svarta hål
I sin bok Kosmos – en kort historik föreslog Stephen Hawking ett svart hål* som kraftverk. Detta kan låta paradoxalt med tanke på att svarta hål länge antogs vara fällor som ingenting, inte ens ljuset, någonsin kunde ta sig ur. Hawking har emellertid i en berömd uträkning lanserat att effekter av kvantgravitationen får ett svart hål att bete sig som ett varmt objekt – ju mindre, desto varmare – och avger en värmestrålning som numera är känd som Hawkingstrålning. Detta betyder att det svarta hålet gradvis förlorar energi och avdunstar. All materia som du dumpar i det svarta hålet kommer med andra ord ut igen som värmestrålning, så när det svarta hålet väl har avdunstat helt och hållet så har du omvandlat din materia till strålning med nära hundraprocentig effektivitet.**
Figur 6.3: Avancerad teknik kan utvinna betydligt mer energi ur materia än vad vi får genom att äta eller förbränna den, och ändå utvinner en kärnfusion 140 gånger mindre energi än var gränsen går enligt de fysikaliska lagarna. Kraftverk som utnyttjar sfaleroner, kvasarer eller avdunstande svarta hål kanske kan prestera mycket bättre.
Ett problem med att använda avdunstning av ett svart hål som energikälla är att såvida det svarta hålet inte är mycket mindre än en atom är det en olidligt långsam process som tar längre tid än universums nuvarande ålder och utstrålar mindre energi än ett stearinljus. Energin som produceras minskar med kvadraten på hålets storlek, och fysikerna Louis Crane och Shawn Westmoreland har därför föreslagit användning av ett svart hål som är cirka tusen gånger mindre än en proton och som väger ungefär lika mycket som det största fartyget som någonsin funnits. Deras främsta motiv var att använda svarta hål-motorn för att driva ett rymdskepp (ett ämne som vi återkommer till nedan), så de var mer bekymrade över flyttbarhet än effektivitet och föreslog att man skulle mata det svarta hålet med laserljus som inte skulle orsaka någon omvandling alls av energi till materia. Även om man kunde mata hålet med materia istället för strålning förefaller det svårt att garantera hög effektivitet: för att få protoner att ta sig in i ett sådant svart hål som är en tusendel av deras storlek måste de avfyras mot hålet med en lika kraftfull maskin som den i acceleratorprojektet vid CERN, Large Hadron Collider, och öka på sin energi mc2 med minst tusen gånger mer kinetisk (rörelse-)energi. Eftersom minst 10 % av den energin skulle gå förlorad till gravitoner när det svarta hålet avdunstar skulle vi därför tillföra mer energi till det svarta hålet än vad vi skulle kunna utvinna och använda, vilket skulle leda till negativ effektivitet. Något som ytterligare ställer till det för att ha ett svart hål som kraftverk är att vi fortfarande saknar en noggrann teori om kvantgravitationen som vi kan basera våra beräkningar på – men den osäkerheten skulle förstås också kunna innebära att det finns nya användbara effekter av kvantgravitationen som ännu återstår att upptäckas.
Roterande svarta hål
Som tur är finns det andra sätt att använda svarta hål som kraftverk och som involverar kvantgravitation eller annan svårförståelig fysik. Exempelvis snurrar många existerande svarta hål väldigt snabbt varvid deras händelsehorisont virvlar omkring med näst intill ljusets hastighet, och den här rotationsenergin kan utvinnas. Händelsehorisonten hos ett svart hål är det område varifrån inte ens ljuset kan ta sig ut eftersom dragningskraften är för stark. Figur 6.4 illustrerar att ett snurrande svart hål utanför händelsehorisonten har ett område som kallas för ergosfär, där det snurrande svarta hålet drar med sig rymd så snabbt att det är omöjligt för en partikel att inte åka med. Slänger du in ett objekt i ergosfären kommer det därför att öka farten genom att rotera runt hålet.
Figur 6.4: En del av ett roterande svart håls rotationsenergi kan utvinnas genom att kasta in partikel A nära det svarta hålet så att den klyvs i en del, C, som slukas och en del, B, som tar sig ut – med mer energi än vad A ursprungligen hade.
Tyvärr slukas det snart av det svarta hålet och försvinner för alltid genom händelsehorisonten, så det tjänar ingenting till att försöka utvinna energi här. Roger Penrose har emellertid upptäckt att om du skjuter iväg objektet i en smart vinkel och för det att klyvas i två delar som figur 6.4 illustrerar, kan du se till att bara en del slukas medan den andra tar sig ut ur det svarta hålet med mer energi än vad det hade i början. Du har med andra ord framgångsrikt omvandlat en del av det svarta hålets rotationsenergi till användbar energi. Genom att upprepa den här processen många gånger kan du mjölka det svarta hålet på all dess rotationsenergi så att det slutar snurra och ergosfären försvinner. Om det ursprungliga svarta hålet snurrar så fort som naturen tillåter, och dess händelsehorisont rör sig med i stort sett ljusets hastighet, låter den här strategin dig omvandla 29 % av dess massa till energi. Det råder fortfarande betydande osäkerhet om hur snabbt de svarta hålen på vår natthimmel snurrar, men många av dem som studerats mest tycks snurra rätt så fort: mellan 30 % och 100 % av det maximalt tillåtna. Det monstruösa svarta hålet mitt i vår galax (som väger fyra miljoner gånger mer än vår sol) verkar snurra, så även om bara 10 % av dess massa skulle kunna omvandlas till användbar energi skulle det vara detsamma som 400 000 solar omvandlade till energi med hundraprocentig effektivitet, eller ungefär lika mycket energi som vi skulle få från Dysonsfärer runt 500 miljoner solar under miljarder år.
* Om inget lämpligt, naturligt skapat svart hål kan påträffas i ett närbeläget universum, kan ett nytt skapas genom att placera mycket materia i en tillräckligt liten rymd.
** Detta är en lätt förenkling eftersom Hawkingstrålningen också inbegriper vissa partiklar som det är svårt att utvinna något användbart ur. Stora svarta hål är bara 90 % effektiva eftersom cirka 10 % av energin strålar ut i form av gravitoner: extremt skygga partiklar som nästan är omöjliga att upptäcka, än mindre utvinna något användbart ur. När det svarta hålet fortsätter avdunsta och krympa minskar effektiviteten ännu mer eftersom Hawkingstrålningen börjar innehålla neutriner och andra massiva partiklar.