Dyson-Sphäre

Eine Dyson-Sphäre ist ein hypothetisches Konstrukt, das einen Stern im Idealfall vollständig kugelförmig umschließt, um dessen Energie absorbieren oder umlenken und damit optimal nutzen zu können.

Solch eine Struktur wurde erstmals von dem Physiker Freeman Dyson in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift "Science" im Jahr 1960 beschrieben. Dabei ging es darum, bei der Suche nach fortgeschrittenen außerirdischen Intelligenzen nach Infrarotquellen zu suchen, da die Energie des jeweiligen Zentralgestirns auch nach ihrer vollständigen Nutzung für die Zwecke jener Zivilisation wieder abgegeben werden muss (siehe Energieerhaltungssatz). Das würde aber, nachdem die Energie des kurzwelligen Lichts dazu genutzt wurde, um die Entropie des Systems zu verringern, in langwelligerer Form, und daher im Infrarotbereich, geschehen.

Obwohl Dyson als "Erfinder" der Dyson-Sphäre gilt, hat er die Idee aus dem Science-Fiction-Roman Star Maker von Olaf Stapledon, der 1945 erschien. Der Originalvorschlag von Dyson ging nicht weiter auf die Details der Konstruktion eines solchen Objektes ein, sondern konzentrierte sich mehr auf das fundamentalere Thema, wie eine fortgeschrittene Zivilisation ihre Energieproduktion auf das für ein Planetensystem erreichbare Maximum ausweiten kann. Eine solche Zivilisation würde als Typ II nach der Kardaschow-Skala, welche von dem Astronomen Nikolai Kardaschow entwickelt wurde, klassifiziert.

Der Stern innerhalb einer Dyson-Sphäre wäre nicht direkt sichtbar, jedoch würde sie selbst eine dem Energieausstoß des Stern entsprechende Energiemenge in Form von Infrarotstrahlung abgeben. Des Weiteren würde sie, da sie aus fester Materie besteht, anders als Sterne, kein distinktives Linienspektrum aufweisen. Dyson hat vorgeschlagen, dass Astronomen nach solchen anomalen "Sternen" suchen, um hochentwickelte außerirdische Kulturen zu entdecken.

Die symmetrische Konstruktion um das Zentralgestirn herum ermöglicht einen antriebslosen Betrieb der Dyson-Sphäre, lediglich Kurskorrekturen sind notwendig.

Der theoretische Bau einer Dyson-Sphäre, insbesondere des Schalen-Typs, wirft diverse Probleme auf. Bei einem angenommenen Radius von 100 Millionen km, der erforderlich wäre, um bei einem sonnenänlichen Zentralstern eine angemessene Strahlungsdichte auf der Sphäreninnenwand zu gewährleisten, läge eine Fläche von etwa 125 · 10¹⁵ km2 (125 Billiarden km2) vor. Das entspricht dem 250 Millionenfachen der Erdoberfläche. Nimmt man nun eine Stärke der Sphärenhülle von 100m an und geht davon aus, dass jedes hinreichend schwere Element für die Konstruktion verwendet werden kann, bräuchte man 12.000 Planeten von der Größe der Erde, um dieses Material zu beschaffen. Das bedeutet, dass die lokale stellare Nachbarschaft einer Dyson-Sphäre nach deren Bau relativ arm an Planeten sein müsste. Die technologischen Anforderungen, die an die Sammlung von diesen Massen an Rohmaterial und dessen Verarbeitung in der Sphäre gestellt werden, sowie der notwendige Energiebedarf, sind enorm. Eine Kultur, die die nötige Energie zur Verfügung hat, ganze Planeten zu sammeln und zu einer Dyson-Sphäre zusammenzufügen, würde die Konstruktion nicht brauchen. Gleichzeitig wäre eine Zivilisation, die auf die Energieausbeute aus einer Dysonsphäre angewiesen wäre, nicht in der Lage, sie zu bauen, bzw. müsste eventuell den eigenen Planeten aufgeben.

Ähnliche Probleme ergeben sich in kleinerem Maßstab für den Typ der Ringwelt , wobei bei diesem Konzept zusätzlich der Aufwand in Betracht gezogen werden muss, der betrieben werden müsste, um die Struktur, zur Erzeugung von Oberflächenschwerkraft, in Rotation zu versetzen. Insgesamt wäre eine Ringwelt aber eher realisierbar (wenn man andere Probleme vernachlässigt) als eine Sphäre:

• Der enorme Materialbedarf wäre sehr viel kleiner. Bei einer Ringwelt von der Größe, wie sie Larry Niven in seinem gleichnamigen Buch beschreibt, wäre nur eine Masse von 144 erdähnlichen Planeten vonnöten- allein der Jupiter verfügt schon über knapp 318 Erdenmassen.
• Durch die Ringform könnte die Schwerkraft ausschließlich durch Rotation erzeugt werden. Bei einer schalenförmigen Dyson-Sphäre wären Gravitationsgeneratoren notwendig.

Es gibt mehrere Arten von Dyson-"Sphären", die vorgeschlagen wurden.

Die realistischste und am ehesten Dysons ursprünglichen Vorstellungen entsprechende Form ist der Dyson-Schwarm. Er besteht aus einer großen Anzahl unabhängiger Solarkollektoren, die den Stern umkreisen. Sie könnten sich in Größe und Form unterscheiden und gegebenenfalls eigenständige Habitate bilden. Es wurde eine Vielzahl von Vorschlägen für mögliche Verteilungsmuster gemacht, jeder mit seinen eigenen Vorzügen und Nachteilen. In jedem Fall würden einige Kollektoren einen Teil ihres Umlaufs im Schatten anderer verbringen und somit die Effizienz des Schwarms etwas herabsetzen.

Eine weitere Form ist die feste Schale, die den Stern vollständig umschließt. Diese Variante ist sehr beliebt in der Sciencefiction 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 das Gravitationsfeld einer symmetrischen, hohlen Sphäre niemals nach außen gerichtet ist. Eine Atmosphäre auf der Außenseite wäre möglich, jedoch müsste man dort ohne direktes Sonnenlicht auskommen. Aufgrund des Auftretens enormer Tangentialkräfte ist eine Realisierung mit heutzutage verfügbaren Materialien (z.B. Stahl) auf Grund mangelnder Druckfestigkeit nicht machbar. Es ist unklar, ob mittels neuartiger Werkstoffe (z.B. nanoporöser Metallschäume) die mindestens erforderliche Druckfestigkeit von etwa 10000 kN/mm2 jemals erreicht werden können.

Eine dritte Form ist die sog. "Dyson-Blase", die nur aus sehr wenig Masse besteht und durch den Sonnenwind stabil gehalten wird. Jedoch wäre sie nur von geringem Nutzen, da durch ihr geringes Gewicht und den hohen Reflexionsfaktor eine Energieausbeute kaum möglich ist.

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.

• Der Ring in der Science Fiction: Ringwelt
• Hohlwelttheorie
• Bernal-Sphäre

• www.heise.de: Eine kurze Zukunftsgeschichte der Technologie von Freeman Dyson

• Alternative Raumfahrtkonzepte