Calatorii interstelare, orase gigantice: cum gandeste science fiction despre energie

Lucrarile stiintifico-fantastice descriu adesea nave interstelare ultra-rapide, statii orbitale vaste sau metropole planetare gigantice. Cele mai multe dintre aceste artefacte provin din cea mai neinfranata imaginatie. Pe de alta parte, altele supravietuiesc unei analize mai amanuntite, bazate pe stiintele si tehnicile pe care le stapanim: daca nu sunt realizabile in viitorul apropiat, acestea au o functionare gandibila.

Daca presupunem ca universurile science-fiction se supun acelorasi legi ca ale noastre, de ce aceste proiecte sunt, pentru moment, dincolo de atingerea noastra? Dincolo de dificultatile tehnice specifice realizarii unui instrument functional, fie ca este vorba despre un toaster, un autoturism, o sabie laser sau o nava interstelara,

In fizica, energia masoara capacitatea unui sistem de a efectua transformari. Pentru a ridica o caramida in varful unui perete, a fierbe un litru de apa, a conduce o masina sau a merge pe Luna, mai intai ai nevoie de energie.

Trebuie sa asiguram caramizii energia necesara pentru a se deplasa de la nivelul solului in varful peretelui, apa cu energia care ii va ridica temperatura in ciuda pierderilor de caldura, masina cu suficienta pentru a persista in miscarea sa impotriva frecarii aerodinamice care ea sufera, la racheta, suficient pentru a depasi atractia gravitationala a pamantului. Cu cat transformarea este mai mare, cu atat energia implicata trebuie sa fie mai mare si, din acest punct de vedere, science fiction nu face lucrurile pe jumatate.

Cata energie pentru a face o nava interstelara sa calatoreasca?

Luati in considerare, de exemplu, problema calatoriei interstelare. Stelele sunt atat de departe incat pentru a ajunge la ele intr-un timp rezonabil, comparabil cu durata vietii umane, nava spatiala trebuie sa se miste cu o viteza de cel putin 1.000 de ori mai mare decat cea atinsa de sondele noastre interplanetare. Imaginati-va o nava cu 1.000 de tone de sarcina utila lansata catre steaua Alpha Centauri cu o viteza medie egala cu o zecime din cea a luminii. Va dura aproximativ 50 de ani pentru a-si atinge scopul si nicio fiinta umana nu va putea sa se potriveasca in el avand in vedere masa sa redusa. La viteza de croaziera, singura sa energie de miscare (cinetica) este de ordinul celei pe care intreaga umanitate o consuma intr-un an. Si daca ne gandim la Venture Star care, in filmul Avatar, dureaza mai putin de sase ani pentru a ajunge la Alpha Centauri, este mai degraba de 100.000 de ori energia consumata de intreaga umanitate care este necesara pentru a propulsa aceasta nava si a o face sa atinga viteza de croaziera. Putem vorbi, asadar, dupa bunul plac despre tehnicile de propulsie ale viitorului, calatoriile interstelare vor fi posibile doar atunci cand avem o cantitate mare de energie.

Un alt exemplu: science-fiction prezinta adesea super-arme precum Steaua Mortii din saga Razboiul Stelelor . Un mic calcul al ordinului de marime face posibila estimarea energiei necesare functionarii „turbo-laserului” sau capabil sa distruga o planeta – Alderande este primul care plateste pretul. Coeziunea unei planete fiind asigurata de propria sa gravitatie, distrugerea ei necesita injectarea in ea a unei cantitati de energie mai mare decat energia sa de coeziune gravitationala. Presupunand ca Alderande seamana cu Pamantul, aceasta energie este de 500 de miliarde de ori mai mare decat productia anuala de energie a intregii omeniri!

Si aceasta valoare este doar o minima pentru ca, in aceasta ipoteza, resturile planetei se vor raspandi prin spatiu cu o viteza egala cu viteza sa de evacuare, de ordinul a 11 kilometri pe secunda pentru Pamant. Prin urmare, va fi necesar sa asteptati ore intregi pentru ca acestea sa fie dispersate in mod rezonabil. Cu toate acestea, in film, distrugerea lui Alderande abia dureaza o secunda, ceea ce sugereaza ca viteza de expansiune este mult mai mare decat viteza de evacuare: datorita imaginilor poate fi evaluata chiar la aproximativ 10.000 de kilometri pe secunda. Energia implicata este asadar de un milion de ori mai mare decat cea din prima noastra estimare! Nu mai aruncati la gunoi, Steaua Mortii este un artefact dincolo de atingerea noastra, deoarece puterea sa rivalizeaza cu cea a celor mai stralucitoare stele din galaxia noastra.

Sa ne intoarcem pe pamant

De la stapanirea focului, acum 500.000 de ani, omenirea a domesticit treptat multe forme de energie pentru a realiza proiecte din ce in ce mai numeroase si ambitioase. Toate sursele de energie disponibile au fost utilizate in grade diferite, dar nu toate au acelasi interes sau aceeasi usurinta de utilizare. Combustibilii fosili (petrol, gaz si carbune) sunt disponibili doar in cantitati finite si, prin urmare, epuizabile, dar sunt usor de extras, transportat si depozitat. Energia nucleara este si ea epuizabila, dar este de un milion de ori mai concentrata decat energia chimica a combustibililor fosili: fisiunea unui gram de uraniu-235 elibereaza la fel de multa energie ca o tona de petrol. De asemenea, este mai dificil de extras, necesita construirea de centrale electrice complexe si gestionarea deseurilor cu viata lunga. In cele din urma, energiile eoliene, solare si hidraulice sunt regenerabile, dar slab concentrate, primele doua fiind mai intermitente.

Retineti ca nicio sursa de energie nu a fost inlocuita cu alta, dar ca toate au fost adaugate. Nu a existat niciodata o tranzitie energetica, ci doar o crestere considerabila a energiei de care dispune umanitatea, in special in Occident: cantitatea de energie consumata de omenire s-a inmultit cu 30 din 1800. Aceasta crestere uluitoare a facut posibila multiplicarea considerabila a transformarilor. a mediului sau, dintre care schimbarile climatice actuale sunt una dintre cele mai evidente consecinte. Ponderea luata de la ecosistemul terestru a fost de multa vreme neglijabila in comparatie cu resursele disponibile Trebuie recunoscut ca, dupa un secol de crestere exponentiala, activitatile noastre concureaza acum cu fortele Naturii. Astfel, omenirea consuma anual de 10 ori energia totala eliberata de un uragan intr-o zi sau de 50 de ori energia produsa de cel mai puternic cutremur inregistrat vreodata. Pentru ca avem cantitati mari de energie, ne-am transformat mediul la scara foarte mare, de la artificializarea peisajului pana la perturbarea climei.

Claseaza civilizatiile in functie de stapanirea energiei

Pe baza principiului ca accesul la energie este calea preferata pentru dezvoltarea tehnica si realizarea unor proiecte majore, fizicianul rus Nikolai Kardashev (1932-2019) si-a propus in 1964 sa clasifice civilizatiile in functie de consumul lor de energie. 

In prima sa categorie, ii plaseaza pe cei care controleaza la scara larga toate formele de energie disponibile pe planeta lor, de la energia eoliana pana la fuziunea termonucleara. La acest nivel, calatoriile interstelare devin posibile din punct de vedere energetic, deoarece reprezinta doar o mica parte din bugetul energetic global. O civilizatie ajunge la al doilea nivel daca are toata energia radiata de steaua sa gigantica: in fiecare secunda, Pamantul primeste de la Soare o energie de 12.000 de ori mai mare decat cea care este consumata de omenire in acelasi timp. Luat in ansamblu, Soarele radiaza intr-o milione de secunda atata energie cat consuma omenirea intr-un an.

O civilizatie capabila sa capteze cea mai mare parte a energiei unei stele are o cantitate de energie de miliarde de ori mai mare decat cea a unei civilizatii de prima categorie. Aici se incadreaza Federatia Planetelor din seria Star Trek . Dupa cateva miliarde de ani, stocul de energie nucleara al unei stele obisnuite se epuizeaza in cele din urma. Acest lucru lasa timp suficient pentru a intreprinde colonizarea unei galaxii si pentru a ajunge pe locul trei al clasificarii lui Kardashev, acela al stapanirii energiei radiate de mai multe stele. Sarind de la stea la stea, o astfel de civilizatie va colecta in cele din urma energie de la o fractiune considerabila din populatia stelara a galaxiei sale. Borg din seria Star Treksi Imperiul din saga Razboiul Stelelor sunt doua exemple de astfel de super-civilizatii. Omenirea din secolul 21 este pe drumul spre primul nivel al acestei scari si ne putem indoi de capacitatea sa de a depasi epuizarea inevitabil a resurselor sale fosile si minerale. Un lucru este cert: Pamantul este un sistem finit ale carui limite le atingem. Ei sunt cei care vor constrange posibilele viitoare.