Dyson-Sphäre
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Eine Dyson-Sphäre ist eine hypothetische Megastruktur, die einen Stern vollständig umschließt und einen großen Prozentsatz seiner Sonnenenergie einfängt. Bei diesem Konzept handelt es sich um ein Gedankenexperiment, das zu erklären versucht, wie eine raumfahrende Zivilisation ihren Energiebedarf decken könnte, wenn dieser Bedarf das übersteigt, was allein aus den Ressourcen des Heimatplaneten gewonnen werden kann. Da nur ein winziger Bruchteil der Energieemissionen eines Sterns die Oberfläche eines Planeten in der Umlaufbahn erreicht, könnte eine Zivilisation durch den Bau von Strukturen, die den Stern umschließen, weitaus mehr Energie gewinnen. ⓘ
Die erste zeitgenössische Beschreibung dieser Struktur stammt von Olaf Stapledon in seinem Science-Fiction-Roman Star Maker (1937), in dem er beschreibt, dass "jedes Sonnensystem ... von einem Netz aus Lichtfallen umgeben ist, die die entweichende Sonnenenergie für intelligente Zwecke bündeln". Das Konzept wurde später von Freeman Dyson in seinem 1960 erschienenen Aufsatz "Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation" popularisiert. Dyson spekulierte, dass solche Strukturen die logische Folge des steigenden Energiebedarfs einer technologischen Zivilisation wären und eine Notwendigkeit für ihr langfristiges Überleben darstellten. Er schlug vor, dass die Suche nach solchen Strukturen zur Entdeckung von fortgeschrittenem, intelligentem außerirdischem Leben führen könnte. Verschiedene Arten von Dyson-Sphären und ihre Fähigkeit, Energie zu sammeln, entsprächen den Stufen des technologischen Fortschritts auf der Kardashev-Skala. ⓘ
Seitdem wurden in der Forschung weitere Varianten vorgeschlagen, die den Bau einer künstlichen Struktur oder einer Reihe von Strukturen um einen Stern herum vorsehen, oder in der Science-Fiction unter dem Namen "Dyson-Sphäre" beschrieben. Diese neueren Vorschläge beschränken sich nicht auf Solarkraftwerke, viele beinhalten auch Wohn- oder Industrieelemente. Die meisten fiktionalen Darstellungen beschreiben eine feste Hülle aus Materie, die einen Stern umschließt, was Dyson selbst als die am wenigsten plausible Variante der Idee betrachtete. Im Mai 2013 wiederholte Dyson auf dem Starship Century Symposium in San Diego seine Äußerungen, dass er sich wünschte, das Konzept wäre nicht nach ihm benannt worden. ⓘ
Eine Dyson-Sphäre [ˈdaɪ̯sn̩ ˌsfɛːrə] ist ein hypothetisches Konstrukt, entwickelt um die Energie eines Sterns oder eines Schwarzen Loches optimal nutzen zu können. Benannt ist sie nach dem Physiker Freeman Dyson. ⓘ
Hintergrund
Die Struktur einer Dyson-Sphäre wurde erstmals von dem Physiker Freeman Dyson in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift Science im Jahr 1960 beschrieben. Dyson thematisierte in dem Artikel die Suche nach fortgeschrittenen außerirdischen Intelligenzen anhand von Infrarotquellen. Die Energie eines Zentralgestirns muss nach ihrer möglichst vollständigen Nutzung durch eine Zivilisation gemäß dem Energieerhaltungssatz auch wieder abgegeben werden. Dabei würde das Spektrum der emittierten Strahlung des Zentralgestirns zu langwelligerer Infrarotstrahlung verschoben. ⓘ
Der Originalvorschlag von Dyson ging nicht weiter auf die Details der Konstruktion eines solchen Objektes ein. Er konzentrierte sich auf das fundamentale Thema, nämlich wie eine fortgeschrittene Zivilisation ihre Energiegewinnung auf das für ein Planetensystem erreichbare Maximum ausweiten könne. Eine solche Zivilisation würde als Typ II nach der Kardaschow-Skala, welche von dem Astronomen Nikolai Kardaschow entwickelt wurde, klassifiziert. ⓘ
Freeman Dyson wurde nach eigener Angabe von ähnlichen Ideen in Olaf Stapledons Science-Fiction-Roman Star Maker aus dem Jahre 1937 inspiriert. Eine noch frühere mögliche Anregung sowohl für Stapledon als auch für Dyson ist die Bernal-Sphäre, die erstmals 1929 von John Desmond Bernal beschrieben wurde. Dyson selbst bezeichnete seine Theorie später als „joke“ (Scherz). ⓘ
Das Konzept der Dyson-Sphäre war das Ergebnis eines Gedankenexperiments des Physikers und Mathematikers Freeman Dyson, als er die These aufstellte, dass alle technologischen Zivilisationen ihren Energiebedarf ständig erhöhen. Er kam zu dem Schluss, dass die menschliche Zivilisation, wenn sie ihren Energiebedarf lange genug steigert, irgendwann die gesamte Energieleistung der Sonne benötigen würde. Er schlug ein System kreisender Strukturen vor (die er anfangs als Hülle bezeichnete), die die gesamte von der Sonne erzeugte Energie auffangen und sammeln sollten. In seinem Vorschlag ging Dyson nicht im Detail darauf ein, wie ein solches System konstruiert werden sollte, sondern konzentrierte sich ausschließlich auf Fragen der Energiegewinnung, wobei er davon ausging, dass sich eine solche Struktur durch ihr im Vergleich zu einem Stern ungewöhnliches Emissionsspektrum auszeichnen könnte. Sein 1960 in der Zeitschrift Science veröffentlichter Artikel "Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation" gilt als der erste, der das Konzept der Dyson-Sphäre formalisierte. ⓘ
Durchführbarkeit
Obwohl solche Megastrukturen theoretisch möglich sind, übersteigt der Bau eines stabilen Dyson-Sphären-Systems derzeit bei weitem die technischen Möglichkeiten der Menschheit. Die Anzahl der Schiffe, die für die Beschaffung, Übertragung und Wartung einer vollständigen Dyson-Sphäre erforderlich sind, übersteigt die heutigen industriellen Möglichkeiten. George Dvorsky hat sich für den Einsatz von selbstreplizierenden Robotern ausgesprochen, um diese Beschränkung in relativ naher Zukunft zu überwinden. Einige haben vorgeschlagen, dass solche Lebensräume um Weiße Zwerge und sogar Pulsare herum gebaut werden könnten. ⓘ
Varianten
In fiktionalen Darstellungen wird das Konzept der Dyson-Sphäre oft als künstliche, hohle Materiekugel um einen Stern interpretiert. Diese Vorstellung beruht auf einer wörtlichen Auslegung von Dysons ursprünglichem kurzen Aufsatz, in dem das Konzept vorgestellt wurde. In einer Antwort auf Briefe, die durch einige Zeitungen ausgelöst wurden, antwortete Dyson: "Eine feste Schale oder ein Ring, der einen Stern umgibt, ist mechanisch unmöglich. Die Form der 'Biosphäre', die ich mir vorstellte, besteht aus einer losen Ansammlung oder einem Schwarm von Objekten, die sich auf unabhängigen Bahnen um den Stern bewegen". ⓘ
Dyson-Schwarm
Die Variante, die dem ursprünglichen Konzept von Dyson am nächsten kommt, ist der "Dyson-Schwarm". Er besteht aus einer großen Anzahl unabhängiger Konstruktionen (in der Regel Solarenergiesatelliten und Raumhabitate), die in einer dichten Formation um den Stern kreisen. Dieser Konstruktionsansatz hat Vorteile: Die Komponenten könnten entsprechend dimensioniert werden, und er kann schrittweise aufgebaut werden. Für den Energietransfer zwischen den Schwarmkomponenten und einem Planeten könnten verschiedene Formen der drahtlosen Energieübertragung genutzt werden. ⓘ
Die Nachteile, die sich aus der Natur der Orbitalmechanik ergeben, würden die Anordnung der Bahnen des Schwarms extrem komplex machen. Die einfachste derartige Anordnung ist der Dyson-Ring, in dem alle diese Strukturen dieselbe Umlaufbahn teilen. Kompliziertere Muster mit mehr Ringen würden mehr von der Produktion des Sterns abfangen, aber dazu führen, dass einige Konstrukte andere periodisch verdecken, wenn sich ihre Bahnen überschneiden. Ein weiteres potenzielles Problem besteht darin, dass der zunehmende Verlust an Bahnstabilität beim Hinzufügen weiterer Elemente die Wahrscheinlichkeit von Bahnstörungen erhöht. ⓘ
Eine solche Kollektorwolke würde das vom Sternsystem ausgestrahlte Licht verändern (siehe unten). Allerdings wäre die Störung im Vergleich zum gesamten natürlichen Emissionsspektrum eines Sterns höchstwahrscheinlich zu gering, um von Astronomen auf der Erde beobachtet zu werden. ⓘ
Dyson-Blase
Eine zweite Art von Dyson-Sphäre ist die "Dyson-Blase". Sie würde ähnlich wie ein Dyson-Schwarm aus vielen unabhängigen Konstruktionen bestehen und könnte ebenfalls schrittweise aufgebaut werden. ⓘ
Im Gegensatz zum Dyson-Schwarm befinden sich die Konstrukte, aus denen sie sich zusammensetzt, nicht in einer Umlaufbahn um den Stern, sondern wären Statiten - Satelliten, die mit Hilfe von riesigen Lichtsegeln aufgehängt sind und den Strahlungsdruck nutzen, um der Anziehungskraft des Sterns entgegenzuwirken. Solche Konstrukte würden nicht Gefahr laufen, zusammenzustoßen oder sich gegenseitig zu verfinstern; sie wären in Bezug auf den Stern völlig stationär und unabhängig voneinander. Da das Verhältnis von Strahlungsdruck und Schwerkraft eines Sterns unabhängig von der Entfernung konstant ist (vorausgesetzt, der Satellit hat eine ungehinderte Sichtlinie zur Oberfläche seines Sterns), könnten solche Satelliten auch ihren Abstand zu ihrem Zentralstern variieren. ⓘ
Die Praktikabilität dieses Ansatzes ist mit der modernen Materialwissenschaft fraglich, kann aber noch nicht ausgeschlossen werden. Ein zu 100 % reflektierender Satellit, der um die Sonne kreisen würde, hätte eine Gesamtdichte von 0,78 Gramm pro Quadratmeter Segelfläche. Zur Veranschaulichung der geringen Masse der erforderlichen Materialien ist zu bedenken, dass die Gesamtmasse einer Blase aus solchem Material mit einem Radius von 1 AU etwa 2,17×1020 kg betragen würde, was etwa der Masse des Asteroiden Pallas entspricht. Eine weitere Veranschaulichung: Normales Druckpapier hat eine Dichte von etwa 80 g/m2. ⓘ
Ein solches Material wurde bisher noch nicht in Form eines funktionierenden Leichtsegels hergestellt. Das leichteste Leichtsegelmaterial aus Kohlefaser, das derzeit hergestellt wird, hat - ohne Nutzlast - eine Dichte von 3 g/m2 und ist damit etwa viermal so schwer, wie es für den Bau eines Solarstatiten erforderlich wäre. ⓘ
Ein einzelnes Blatt Graphen, die zweidimensionale Form des Kohlenstoffs, hat eine Dichte von nur 0,37 mg pro Quadratmeter, so dass ein einzelnes Blatt Graphen möglicherweise als Solarsegel verwendet werden könnte. Allerdings wurde Graphen bis 2015 noch nicht in großen Blättern hergestellt, und es hat eine relativ hohe Strahlungsabsorptionsrate von etwa 2,3 % (d. h. es werden immer noch etwa 97,7 % durchgelassen). Bei Frequenzen im oberen GHz- und unteren THz-Bereich liegt die Absorptionsrate aufgrund von Spannungsvorspannung und/oder Dotierung bei 50-100 %. ⓘ
Ultraleichte Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit molekularen Herstellungsverfahren vernetzt werden, haben eine Dichte von 1,3 g/m2 bis 1,4 g/m2. Bis eine Zivilisation bereit ist, diese Technologie zu nutzen, könnte die Herstellung der Kohlenstoffnanoröhren so weit optimiert sein, dass sie eine geringere Dichte als die erforderlichen 0,7 g/m2 aufweisen und die durchschnittliche Dichte des Segels mit Takelage auf 0,3 g/m2 beschränkt werden kann (ein "spinstabilisiertes" Leichtsegel erfordert nur minimale zusätzliche Masse an Takelage). Wenn ein solches Segel mit dieser Flächendichte konstruiert werden könnte, könnte ein Weltraumhabitat von der Größe des von der L5 Society vorgeschlagenen O'Neill-Zylinders - 500 km2 mit Platz für mehr als 1 Million Einwohner und einer Masse von 2,72×109 kg (3×106 Tonnen) - von einem kreisförmigen Leichtsegel mit einem Durchmesser von 3.000 km und einer kombinierten Masse von Segel und Habitat von 5,4×109 kg getragen werden. Zum Vergleich: Dies ist nur geringfügig kleiner als der Durchmesser des Jupitermondes Europa (obwohl das Segel eine flache Scheibe und keine Kugel ist) oder die Entfernung zwischen San Francisco und Kansas City. Ein solches Gebilde hätte jedoch eine Masse, die weit unter der vieler Asteroiden liegt. Obwohl der Bau eines solchen massiven bewohnbaren Staates ein gigantisches Unterfangen wäre und die dafür erforderliche Materialwissenschaft noch in den Kinderschuhen steckt, gibt es andere technische Leistungen und erforderliche Materialien, die in anderen Varianten der Dyson-Sphäre vorgeschlagen werden. ⓘ
Theoretisch könnten genügend Satelliten, die um ihren Stern kreisen, eine nicht starre Version der unten erwähnten Dysonhülle bilden. Eine solche Hülle hätte weder den Nachteil des massiven Drucks, noch wäre der Massenbedarf einer solchen Hülle so hoch wie bei der starren Form. Eine solche Schale hätte jedoch die gleichen optischen und thermischen Eigenschaften wie die starre Form und würde von Suchern auf ähnliche Weise entdeckt werden (siehe unten). ⓘ
Der Strahlungsdruck hängt von der absorbierten bzw. abgestrahlten Leistung pro Fläche ab. Die Wellenlänge der Strahlung spielt dabei keine Rolle. ⓘ
Beispielsweise beträgt bei einem Radius von 149.600.000 km (entspricht Erdbahnradius) die Solarkonstante 1367 W/m2 und der resultierende Strahlungsdruck (bei Absorption) 4,56·10−6 N/m2. Das Gegengewicht bildet die Gravitation der Sonne mit 5,93·10−3 m/s2. Um ein Segment der Blase in der Schwebe zu halten, müssten sich beide gegeneinander gerichteten Kräfte aufheben. Dies wäre bei einer Blasenmasse von 7,69·10−4 kg/m2 der Fall. Der Strahlungsdruck stützt das Blasensegment gegen die Gravitation ab. Diese Masse pro Fläche gilt auch für alle anderen Abstände zur Sonne, denn der Strahlungsdruck und die Gravitation nehmen nach außen hin gleichermaßen ab (mit dem Kehrwert des Quadrats des Sonnenabstands). Einzelne Objekte, die durch den Strahlungsdruck der Sonne schweben, ohne sie ausreichend schnell zu umkreisen, werden Statiten genannt (im Gegensatz zu den Satelliten). ⓘ
Für eine Dyson-Blase mit dem Erdbahnradius ergibt sich bei einer Gesamtfläche von 2,81·1023 m2 eine Masse von 2,16·1020 kg. Das entspricht ungefähr der Masse eines größeren Planetoiden. ⓘ
Wenn die Dichte des verwendeten Materials 1 g/cm3 betragen würde (etwa die Dichte einer Kunststofffolie), betrüge die Schichtdicke der Dyson-Blase nur 769 nm. Das entspricht der Wellenlänge von rotem Licht nahe dem Infrarot. Die dadurch verringerte Absorptionsfähigkeit dieser dünnen Schicht würde auch den stützenden Strahlungsdruck verringern. ⓘ
Dyson-Schale
Die in der Fiktion am häufigsten dargestellte Variante der Dyson-Sphäre ist die "Dyson-Schale": eine einheitliche feste Hülle aus Materie um den Stern. Eine solche Struktur würde die Emissionen des Zentralsterns vollständig verändern und 100 % des Energieausstoßes des Sterns abfangen. Eine solche Struktur würde auch eine riesige Oberfläche bieten, die nach Meinung vieler für die Besiedlung genutzt werden könnte, wenn die Oberfläche bewohnbar gemacht werden könnte. ⓘ
Eine kugelförmige Dyson-Sphäre im Sonnensystem mit einem Radius von einer astronomischen Einheit, so dass die innere Oberfläche die gleiche Menge an Sonnenlicht pro Raumwinkeleinheit empfängt wie die Erde, hätte eine Oberfläche von etwa 2,8×1017 km2 (1,1×1017 km2), also etwa 550 Millionen Mal die Oberfläche der Erde. Dies würde die vollen 384,6 Yottawatt (3,846 × 1026 Watt) der Sonnenleistung abfangen. Nicht-schalenförmige Konstruktionen würden weniger abfangen, aber die schalenförmige Variante stellt die maximal mögliche Energie dar, die das Sonnensystem zu diesem Zeitpunkt der Entwicklung der Sonne einfangen kann. Das ist etwa das 33 Billionenfache des Stromverbrauchs der Menschheit im Jahr 1998, der bei 12 Terawatt lag. ⓘ
Die Variante der Dyson-Sphäre mit fester Hülle birgt einige ernsthafte theoretische Schwierigkeiten: Eine solche Hülle hätte keine Netto-Gravitationswechselwirkung mit ihrem eingeschlossenen Stern (siehe Schalentheorem) und könnte in Bezug auf den Zentralstern driften. Wenn solche Bewegungen unkorrigiert blieben, könnten sie schließlich zu einer Kollision zwischen der Kugel und dem Stern führen - höchstwahrscheinlich mit katastrophalen Folgen. Solche Strukturen bräuchten entweder eine Art von Antrieb, um dem Abdriften entgegenzuwirken, oder eine Möglichkeit, die Oberfläche der Kugel vom Stern abzustoßen. ⓘ
Aus demselben Grund hätte eine solche Hülle keine Netto-Gravitationswechselwirkung mit irgendetwas anderem in ihrem Inneren. Der Inhalt einer Biosphäre, die sich auf der inneren Oberfläche einer Dyson-Schale befindet, würde nicht von der Kugeloberfläche angezogen und würde einfach in den Stern fallen. Es wurde vorgeschlagen, eine Biosphäre zwischen zwei konzentrischen Sphären zu platzieren, auf der Innenseite einer rotierenden Sphäre (in diesem Fall steht die Kraft der künstlichen "Schwerkraft" senkrecht zur Rotationsachse, so dass sich die gesamte Materie im Inneren der Sphäre um den Äquator sammelt, was die Sphäre zu einem Niven-Ring macht, der zwar bewohnbar ist, aber immer noch voll als Strahlungsenergie-Kollektor funktioniert) oder auf der Außenseite der Sphäre, wo sie von der Schwerkraft des Sterns gehalten wird. In solchen Fällen müsste man sich eine Form der Beleuchtung ausdenken oder die Kugel zumindest teilweise transparent machen, da das Licht des Sterns sonst völlig verborgen bliebe. ⓘ
Geht man von einem Radius von 1 AE aus, dann müsste die Druckfestigkeit des Materials, aus dem die Kugel besteht, immens sein, um eine Implosion durch die Schwerkraft des Sterns zu verhindern. Jeder willkürlich gewählte Punkt auf der Oberfläche der Kugel kann so betrachtet werden, als stünde er unter dem Druck der Basis einer Kuppel von 1 AE Höhe unter der Schwerkraft der Sonne in dieser Entfernung. In der Tat kann man ihn so betrachten, als befände er sich an der Basis einer unendlichen Anzahl willkürlich ausgewählter Kuppeln, aber da ein Großteil der Kraft einer beliebigen Kuppel durch die Kraft einer anderen ausgeglichen wird, ist die Nettokraft auf diesen Punkt immens, aber endlich. Kein bekanntes oder theoretisch denkbares Material ist stark genug, um diesem Druck standzuhalten und eine starre, statische Kugel um einen Stern zu bilden. Paul Birch hat (im Zusammenhang mit kleineren "Supra-Jupiter"-Konstruktionen um einen großen Planeten statt um einen Stern) vorgeschlagen, dass es möglich sein könnte, eine Dyson-Schale mit dynamischen Mitteln zu stützen, ähnlich denen, die in einem Weltraumbrunnen verwendet werden. Massen, die sich auf kreisförmigen Bahnen im Inneren der Kugel mit Geschwindigkeiten bewegen, die deutlich über der Umlaufgeschwindigkeit liegen, würden aufgrund der Zentrifugalkraft auf magnetischen Lagern nach außen gedrückt. Bei einer Dyson-Schale mit einem Radius von 1 AE um einen Stern mit der gleichen Masse wie die Sonne würde eine Masse, die sich mit der zehnfachen Umlaufgeschwindigkeit (297,9 km/s) bewegt, das 99-fache (a = v2/r) ihrer eigenen Masse in einer zusätzlichen Schalenstruktur tragen. ⓘ
Auch wenn man von einem Radius von 1 AE ausgeht, gibt es im Sonnensystem möglicherweise nicht genügend Baumaterial, um eine Dyson-Schale zu bauen. Anders Sandberg schätzt, dass es im Sonnensystem 1,82×1026 kg leicht verwertbares Baumaterial gibt, genug für eine Schale von 1 AE mit einer Masse von 600 kg/m2 - durchschnittlich 8-20 cm dick, je nach Dichte des Materials. Dazu gehören auch die schwer zugänglichen Kerne der Gasriesen; allein die inneren Planeten bieten nur 11,79×1024 kg, genug für eine Hülle von 1 AE mit einer Masse von nur 42 kg/m2. ⓘ
Die Schale wäre anfällig für Einschläge von interstellaren Körpern wie Kometen, Meteoroiden und Material im interstellaren Raum, das derzeit durch den Bugschock der Sonne abgelenkt wird. Die Heliosphäre und jeder Schutz, den sie theoretisch bietet, würde aufhören zu existieren. ⓘ
Andere Arten
Dyson-Netz
Eine weitere Möglichkeit ist das "Dyson-Netz", ein Netz aus Kabeln, das um den Stern gespannt ist und zwischen den Kabeln Energie- oder Wärmekollektoren enthalten könnte. Das Dyson-Netz reduziert sich jedoch auf einen Spezialfall der Dyson-Schale oder -Blase, je nachdem, wie die Kabel gegen die Schwerkraft der Sonne abgestützt werden. ⓘ
Blasenwelt
Eine Blasenwelt ist ein künstliches Konstrukt, das aus einer Hülle aus Lebensraum um eine Kugel aus Wasserstoffgas besteht. Die Hülle enthält Luft, Menschen, Häuser, Möbel usw. Die Idee wurde entwickelt, um die Frage zu beantworten: "Was ist die größte Weltraumkolonie, die gebaut werden kann?" Der größte Teil des Volumens ist jedoch nicht bewohnbar und es gibt keine Energiequelle. ⓘ
Theoretisch könnte jeder Gasriese in eine feste Hülle eingeschlossen werden; bei einem bestimmten Radius wäre die Schwerkraft an der Oberfläche irdisch, und die Energie könnte durch Anzapfen der Wärmeenergie des Planeten bereitgestellt werden. Dieses Konzept wird am Rande in dem Roman Accelerando (und der Kurzgeschichte Curator, die als Kapitel in den Roman integriert ist) von Charles Stross behandelt, in dem der Saturn in eine von Menschen bewohnbare Welt umgewandelt wird. ⓘ
Stellartriebwerk
Stellartriebwerke sind eine Klasse von hypothetischen Megastrukturen, deren Zweck es ist, nützliche Energie aus einem Stern zu gewinnen, manchmal für bestimmte Zwecke. Matrjoschka-Gehirne beispielsweise gewinnen Energie für Berechnungen; Shkadov-Triebwerke gewinnen Energie für den Vortrieb. Einige der vorgeschlagenen stellaren Triebwerke basieren auf der Dyson-Sphäre. ⓘ
Anstelle eines Sterns könnte ein schwarzes Loch als Energiequelle dienen, um die Effizienz der Umwandlung von Materie in Energie zu erhöhen. Ein schwarzes Loch wäre auch kleiner als ein Stern. Dadurch würden sich die Kommunikationsentfernungen verringern, was für computergestützte Gesellschaften wie die oben beschriebenen wichtig wäre. ⓘ
Der Ring
Der Ring umgibt einen Stern, z. B. mit einem Radius von etwa einer Astronomischen Einheit. Somit stellt der Ring eine unvollständige Schale dar. Wegen der enormen Tangentialkräfte ist eine realistische Konstruktion nur mit einem Gleichgewicht von Fliehkraft und Gravitationskraft möglich, was bedeutet, dass auf der Oberfläche des Ringes Schwerelosigkeit herrscht. Am Rand der Ringwelt zeigen die Fliehkraft und die Gravitation der Sonne nicht genau in die entgegengesetzte Richtung, was zu einer Kraft führt, die die Breite der Ringwelt zu verringern versucht. Wenn man eine Druckfestigkeit von 100 N/mm2 und eine Dichte von 1 g/cm3 annimmt (dieses Verhältnis von Druckfestigkeit und Dichte erreichen schon heute viele Werkstoffe), dann kann diese Ringwelt 4.500.000 km breit sein, was 3 % des Erdbahnradius entspricht. Am Rand der Ringwelt würde eine Beschleunigung von 9·10−5 m/s2 in die Richtung zur Verringerung der Breite der Ringwelt wirken, was 1,5 % der Gravitation der Sonne beim Erdbahnradius entspricht. Wenn die Ringwelt zylinderförmig wäre, dann wäre an ihrem Rand die Fliehkraft größer als die Gravitation der Sonne, die von 1/Radius2 abhängig ist. Wenn die Ringwelt ein Ausschnitt einer Kugeloberfläche wäre, dann wäre an ihrem Rand die Gravitation der Sonne größer als die Fliehkraft, die linear vom Radius abhängt. Die optimale Form der Ringwelt liegt also zwischen diesen beiden Formen, wobei die Richtung der Druckkraft an jedem Ort parallel zur Fläche der Ringwelt liegt, so dass kein Biegemoment auftritt. Ein Beispiel aus der Science-Fiction ist die Ringwelt von Larry Niven, die allerdings wesentlich schneller rotiert, um durch die Fliehkraft künstliche Schwerkraft zu erzeugen, und die nur 1.600.000 km breit ist. ⓘ
Suche nach Megastrukturen
In seiner ursprünglichen Abhandlung spekulierte Dyson, dass hinreichend fortgeschrittene außerirdische Zivilisationen wahrscheinlich einem ähnlichen Energieverbrauchsmuster wie die Menschen folgen und schließlich ihre eigene Sphäre von Kollektoren errichten würden. Der Bau eines solchen Systems würde eine solche Zivilisation zu einer Kardashev-Zivilisation vom Typ II machen. ⓘ
Das Vorhandensein eines solchen Kollektorsystems würde das vom Sternensystem ausgestrahlte Licht verändern. Die Kollektoren würden die Energie des Sterns absorbieren und wieder abstrahlen. Die Wellenlänge(n) der von den Kollektoren ausgesandten Strahlung würde(n) durch die Emissionsspektren der Substanzen, aus denen sie bestehen, und die Temperatur der Kollektoren bestimmt. Da diese Kollektoren höchstwahrscheinlich aus schweren Elementen bestehen, die normalerweise nicht in den Emissionsspektren ihres Zentralsterns vorkommen - oder die zumindest kein Licht mit so relativ "niedrigen" Energien abstrahlen, wie sie es als energiereiche freie Kerne in der Sternatmosphäre tun würden -, würde das vom Sternsystem abgestrahlte Lichtspektrum atypische Wellenlängen für den Spektraltyp des Sterns aufweisen. Wenn der Prozentsatz des vom Stern abgestrahlten Lichts, der durch diese Absorption und Abstrahlung gefiltert oder umgewandelt wird, signifikant ist, könnte er in interstellaren Entfernungen nachgewiesen werden. ⓘ
Angesichts der Energiemenge, die pro Quadratmeter in einer Entfernung von 1 AE von der Sonne zur Verfügung steht, lässt sich berechnen, dass die meisten bekannten Substanzen Energie im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums abstrahlen. Eine Dyson-Sphäre, gebaut von Lebensformen, die dem Menschen nicht unähnlich sind, die in der Nähe eines sonnenähnlichen Sterns leben und aus Materialien bestehen, die denen des Menschen ähnlich sind, würde also höchstwahrscheinlich zu einem Anstieg der Infrarotstrahlung im emittierten Spektrum des Sternsystems führen. Aus diesem Grund wählte Dyson für seine Veröffentlichung den Titel "Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation". ⓘ
SETI hat diese Annahmen bei seiner Suche übernommen und sucht nach solchen "infrarotlastigen" Spektren von Sonnenanaloga. Seit 2005 sucht das Fermilab mit Hilfe der Daten des Astronomischen Infrarotsatelliten (IRAS) nach solchen Spektren. Die Identifizierung einer der vielen Infrarotquellen als Dyson-Sphäre würde verbesserte Techniken zur Unterscheidung zwischen einer Dyson-Sphäre und natürlichen Quellen erfordern. Fermilab entdeckte 17 potenzielle "mehrdeutige" Kandidaten, von denen vier als "amüsant, aber immer noch fragwürdig" bezeichnet wurden. Andere Recherchen ergaben ebenfalls mehrere Kandidaten, die jedoch unbestätigt sind. ⓘ
Am 14. Oktober 2015 entdeckten die Bürgerwissenschaftler von Planet Hunters ungewöhnliche Lichtschwankungen des Sterns KIC 8462852, die vom Kepler-Weltraumteleskop aufgezeichnet wurden. Der Stern erhielt den Spitznamen "Tabby's Star" nach Tabetha S. Boyajian, der Hauptautorin der ersten Studie. Das Phänomen gab Anlass zu Spekulationen, dass eine Dyson-Sphäre entdeckt worden sein könnte. Weitere Analysen auf der Grundlage von Daten bis Ende 2017 zeigten eine wellenlängenabhängige Verdunkelung, die mit Staub übereinstimmt, aber nicht mit einem undurchsichtigen Objekt wie einer außerirdischen Megastruktur, die alle Wellenlängen des Lichts gleichermaßen blockieren würde. ⓘ
Fiktion
Die Dyson-Sphäre hat ihren Ursprung in der Fiktion und ist ein Konzept, das seither häufig in der Science-Fiction auftaucht. In fiktionalen Darstellungen werden Dyson-Sphären meist als Dyson-Schale dargestellt, wobei die oben erwähnten gravitativen und technischen Schwierigkeiten dieser Variante weitgehend ignoriert werden. ⓘ
Eigenschaften
Der Stern innerhalb einer Dyson-Sphäre wäre nicht direkt sichtbar, jedoch würde diese selbst eine dem Energieausstoß des Sterns entsprechende Energiemenge in Form von Infrarotstrahlung emittieren. Dyson schlug vor, dass Astronomen nach solchen anormalen „Sternen“ suchen, um hochentwickelte außerirdische Kulturen zu entdecken. ⓘ
Die symmetrische Konstruktion um das Zentralgestirn herum ermöglicht einen antriebslosen Betrieb der Dyson-Sphäre, sodass lediglich Kurskorrekturen notwendig wären. ⓘ
Typen
Es wurden mehrere Arten von Dyson-„Sphären“ vorgeschlagen. ⓘ
Die Schale
Eine weitere Form ist die feste Schale, die den Stern vollständig umschließt. Diese Variante ist sehr beliebt in der Science-Fiction (als Beispiel sei die Episode Besuch von der alten Enterprise der Star-Trek-Serie Raumschiff Enterprise: Das nächste Jahrhundert genannt) und wird häufig auch mit einer Atmosphäre auf der Innenseite beschrieben, die einen gewaltigen Lebensraum für biologische Organismen bildet. Mit den heute bekannten physikalischen Gesetzen ist eine solche Atmosphäre jedoch nicht realisierbar, da eine symmetrische, hohle Sphäre in ihrem Inneren kein eigenes Gravitationsfeld hat und die Gravitation der Sonne die Atmosphäre und alle beweglichen Objekte in die Sonne stürzen lassen würde. Eine Atmosphäre auf der Außenseite wäre möglich, jedoch müsste man dort ohne direktes Sonnenlicht auskommen. Außerdem würde beim Erdbahnradius die Gravitation der Sonne nur 5,93·10−3 m/s2 betragen. Aufgrund des Auftretens enormer Tangentialkräfte ist eine rein statische Realisierung mit heutzutage verfügbaren Materialien (z. B. Stahl) auf Grund mangelnder Druckfestigkeit nicht machbar. Es ist unklar, ob mittels neuartiger Werkstoffe (z. B. nanoporöse Metallschäume) die mindestens erforderliche Druckfestigkeit von etwa 10 MN/mm² jemals erreicht werden kann. Denkbar wäre auch, Bestandteile der Schale um die Sonne rotieren zu lassen; die entstehenden Fliehkräfte könnten die Schale entlasten und die benötigte Druckfestigkeit reduzieren. ⓘ
Über die erwähnte Star-Trek-Episode sagte Dyson: „Actually it was sort of fun to watch it. It's all nonsense, but it's quite a good piece of cinema.“ (etwa: Das war eigentlich ganz unterhaltsam. Es ist zwar alles Unsinn, aber ziemlich gutes Kino.) ⓘ
Matrjoschka-Gehirn
Ein Matrjoschka-Gehirn (engl. Matrioshka brain) ist eine zwiebelförmige Ansammlung von Dyson-Sphären, deren Ziel nicht die Maximierung der bewohnbaren Oberfläche, sondern maximale Energieausbeute ist, mit welcher dann ein riesiger Computer betrieben wird. Die innerste Sphäre würde so nahe an den Stern platziert wie möglich und die äußerste so weit außerhalb, wie noch Energiegewinnung aus der Temperaturdifferenz zwischen der nächstinneren und dem leeren Raum möglich ist. ⓘ
Das Konzept wurde in den späten 1990er Jahren von dem Informatiker Robert Bradbury entworfen. In der Science-Fiction-Literatur wurde es unter anderem durch Charles Stross in seinem Roman Accelerando bekannt gemacht. ⓘ
Beobachtung
Die Beobachtung des 1450 Lichtjahre entfernten Sterns KIC 8462852 ergab unregelmäßige Helligkeitseinbrüche in den Jahren 2009, 2011 und 2013. Im Extremfall verlor der Stern bis zu einem Fünftel seiner Leuchtkraft. Neben mehreren anderen Erklärungsansätzen wurde spekuliert, dass der Stern von einem Dyson-Schwarm umgeben sein könnte, der die Leuchtkraft des Sterns in Teilen absorbiere. Allerdings ergaben neue Daten, dass die tatsächliche Ursache der Verdunkelung extrem feiner Staub ist. Dieser schluckt das Licht verschiedener Spektralbereiche unterschiedlich stark, was weder bei einem künstlichen Konstrukt, noch bei Planeten der Fall wäre. ⓘ