В этой работе мы оцениваем потенциальную возможность обнаружения солнечных панелей из кремния на экзопланете, подобной Земле, в качестве потенциального техносигнала. Фотоэлектрические элементы на основе кремния обладают высокой отражательной способностью в диапазоне от ультрафиолетового до видимого (UV-VIS) и в ближнем инфракрасном диапазоне, что соответствует концепции флагманской космической миссии, такой как обсерватория обитаемых миров (HWO). Предполагая, что для удовлетворения энергетических потребностей человека в 2022 году будет использоваться только солнечная энергия при площади суши в 2,4%, и прогнозируя будущий спрос на энергию с учетом различных сценариев роста, мы оцениваем возможность обнаружения с помощью 8-метрового телескопа типа HWO. Выбрав наиболее благоприятную ориентацию для наблюдения и сосредоточив внимание на сильной границе поглощения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах (0,34-0,52 мкм), мы обнаружили, что для достижения отношения сигнал/шум = 5 для планеты земного типа, вращающейся вокруг Солнца, требуется несколько сотен часов наблюдения звезды на расстоянии 10 ПК, даже при покрытии солнечными панелями 23% площади поверхности будущей Земли.
Мы обсуждаем необходимость таких концепций, как цивилизации I/II типа по Кардешеву и сферы Дайсона, которые были бы направлены на использование огромного количества энергии. Даже при гораздо большем населении, чем сегодня, общее потребление энергии человеческой цивилизацией было бы на порядки ниже порогового значения для прямого теплового обогрева или достижения масштабов цивилизации первого типа по Кардашеву. Любая внеземная цивилизация, которая аналогичным образом достигает устойчивого уровня численности населения, может также обнаружить предел своей потребности в расширении, что предполагает, что цивилизации, охватывающей всю галактику, как это представляется в парадоксе Ферми, может и не существовать.
1. Введение
Поиск внеземной жизни в первую очередь сосредоточен на обнаружении биосигналов, которые представляют собой дистанционные наблюдения за атмосферными или наземными спектральными особенностями, указывающими на признаки жизни на экзопланете. В последнее время повышенное внимание уделяется "техносигнатурам", относящимся к любым наблюдаемым проявлениям внеземных технологий, которые могут быть обнаружены или выведены с помощью астрономических исследований (Тартер 2007). В то время как поиск внеземного разума с помощью радионаблюдений был популярен на протяжении десятилетий, недавние исследования предложили альтернативный поиск техносигнатур в ультрафиолетовой и средней инфракрасной части спектра: см. Участники семинара НАСА по техносигнатурам (2018), Лингам и Леб (2019, 2021), Socas-Navarro и др. (2021) и Хакк-Мисра и др. (2022c) для получения подробного описания.
В частности, были предложены методы обнаружения техносигнатур с помощью спектральных сигнатур экзопланет в качестве средства использования существующих методов и телескопических установок. К ним относятся загрязнение диоксидом азота (NO2) (Коппарапу и др., 2021), фторированные соединения, такие как хлорфторуглероды (CFC; Оуэн, 1980; Лин и др., 2014; Хакк-Мисра и др., 2022b), или трифторид азота (NF3) и гексафторид серы (SF6; Сигер и др., 2023)., огни ночного города (Битти, 2022) и сельскохозяйственные признаки на экзопланетах (Хакк-Мисра и др., 2022a). В этой работе мы сосредоточимся на другом потенциальном техносигнатуре: кремниевых солнечных панелях.
Технологические цивилизации могут использовать излучение своей звезды-хозяина для удовлетворения своих энергетических потребностей, точно так же, как наша цивилизация начала с крупномасштабных солнечных фотоэлектрических установок. В большинстве солнечных элементов используется кремний в различных формах. Лингам и Леб (2017) описали три основные причины использования солнечных панелей на основе кремния, которые могут быть широко применимы. Во-первых, это относительно высокое космическое содержание кремния по сравнению с элементами, используемыми в других типах фотоэлектрических систем, таких как германий, галлий или мышьяк. Во-вторых, электронная структура кремния (в частности, его запрещенная зона) хорошо подходит для использования излучения, испускаемого солнцеподобными звездами (Рюле, 2016). В-третьих, кремний также экономически эффективен с точки зрения очистки, переработки и производства солнечных элементов (Bazilian et al., 2013)8.
Основываясь на этих аргументах, Лингам и Леб (2017) предполагают, что существование крупномасштабных кремниевых солнечных элементов может создавать искусственные спектральные "границы" в некоторых ультрафиолетовых диапазонах длин волн при наблюдении атмосферы экзопланеты в отраженной спектроскопии из-за резкого изменения коэффициента отражения кремния. Этот искусственный спектральный край может быть похож на красный "край" растительности (VRE), видимый в диапазоне от 0,70 до 0,75 мкм, который можно заметить в спектре отраженного света Земли (Саган и др., 1993; Арнольд и др., 2002; Вульф и др., 2002). Термин "край" относится к заметному увеличению коэффициента отражения рассматриваемого материала при съемке спектра отраженного света от планеты. В случае VRE высокая отражательная способность возникает из–за контраста между поглощением хлорофилла на красных длинах волн (0,65-0,70 мкм) и рассеивающими свойствами клеточных и листовых структур на длинах волн ближнего инфракрасного диапазона (0,75–1,1 мкм): см., например, Seager et al. (2005), Тернбулл и др. (2006), Швитерман и др. (2018) и О'Мэлли-Джеймс и Кальтенеггер (2018) для получения более подробной информации. Обнаружение VRE на экзопланете предоставило бы контекстуальную информацию о типе широко распространенной биологической жизни (например, автотрофии) и соответствующих свойствах атмосферы, имеющих отношение к обитаемости. Лингам и Леб (2017) предполагают, что подобная искусственная граница, если она проявится, может предоставить некоторую контекстуальную информацию о типе технологической активности на планете.
Можем ли мы определить характеристики поверхностного отражения солнечных панелей на экзопланетах как техносигнатуры? Хотя Лингам и Леб (2017) предположили такую возможность, они не проводили никакой количественной оценки их обнаруживаемости. В этой работе мы рассмотрим возможность обнаружения солнечных панелей на планете земного типа, вращающейся вокруг звезды, подобной Солнцу, с помощью космического телескопа класса LUVOIR-B (8 м). Структура статьи следующая: В разделе 2 рассматриваются методы и модели, использованные в этой работе. В разделе 3 мы оцениваем площадь суши, которую необходимо покрыть, чтобы обеспечить потребности человеческой цивилизации в энергии сегодня и в будущих сценариях. Затем в разделе 4 оценивается потенциальная возможность обнаружения. Раздел обсуждения и краткое изложение наших результатов приведены в разделе 5.
2. Методы
Здесь описаны методы оценки возможности обнаружения фотоэлектрических панелей как признака присутствия высокоразвитых цивилизаций. Для ограничения спектрального сигнала необходимо оценить следующее: (1) Отражательную способность фотоэлектрических панелей. (2) Панели должны быть размещены в подходящем месте на карте местности (3). Спектроскопический сигнал от панелей необходимо сравнить с результатами моделирования без панелей и вычислить отношение сигнал/шум (S/N), которое может быть отнесено к панелям.
2.1. Кремний и отражательная способность как спектральная характеристика
Чистый кремний не так хорошо подходит (как материал) для использования в фотоэлектрических элементах, поскольку он обладает высокой отражающей способностью в диапазоне от ультрафиолетового до видимого (UV-VIS). Поскольку электрическая энергия генерируется путем поглощения фотона для продвижения электрона через PN-переход, любой отраженный свет приводит к снижению эффективности. Чтобы свести к минимуму отражение света, фотоэлектрические элементы либо подвергают текстурированию (Campbell & Green, 1987; Macdonald et al., 2004; Kim et al., 2020), либо покрывают просветляющими покрытиями, часто TiO2 или Si3N4 (Zhao & Green, 1991; Raut et al., 2011; Sarkin et al., 2020).; в результате нанесения покрытия получается типичный темный цвет, характерный для солнечных панелей.
В случае с вышеупомянутым просветляющим покрытием искусственная граница все еще заметна, но менее выражена и становится глубже в ультрафиолетовом свете (по сравнению с чистым кремнием), когда для фотоэлектрических элементов используются реальные материалы. Для этой работы используется спектр отражения, показанный на рисунке 1. Это объясняет основной источник расхождений между работой Lingam & Loeb (2017) и нашей работой, поскольку в первой подчеркивалось большее покрытие поверхности солнечными панелями из чистого кремния, которые могли бы компенсировать снижение эффективности, в то время как мы рассматриваем потенциально более реалистичные фотоэлектрические элементы, обладающие более высокой эффективностью, что гарантирует меньшее покрытие.
2.2. Создание модели поверхности, содержащей солнечные панели
Исходя из расчетной площади поверхности, необходимой для текущего энергопотребления, о котором говорилось в разделе 3, составляется карта местности, на которой представлено примерно 2,4% площади суши. Для размещения солнечных панелей была выбрана пустыня Сахара. Этот регион расположен близко к экватору, где в течение всего года можно было бы получать сравнительно большее количество солнечной энергии, и имеет минимальное облачное покрытие. Однако пыльные бури также распространены, и за последние четыре десятилетия их частота возросла (см. рисунок 4 в Varga 2020). В среднем они происходят примерно 20 раз в год и имеют различную степень тяжести. Такие явления могут уменьшить доступ к солнечному свету, что еще больше ограничит выработку энергии. Мы признаем и предупреждаем, что на Земле нет необитаемых территорий, и даже размещение солнечных электростанций в, казалось бы, бесплодных пустынях вызывает споры из-за возможного разрушения чрезвычайно хрупких экосистем. Однако наша цель в этой работе - оценить возможность обнаружения солнечных панелей на экзопланете, и поэтому для этой цели выбрано наиболее "оптимальное" местоположение на суше с точки зрения выработки солнечной энергии.
Модель земной поверхности, используемая для этого исследования, основана на данных спектрорадиометра среднего разрешения (MODIS), который установлен на спутниках Terra и AQUA, эксплуатируемых Центром космических полетов имени Годдарда НАСА. 9 Карты MODIS-MCD12C1 обеспечивают среднегодовой охват с высоким пространственным разрешением 18 различных типов суши по всей планете. В данном документе охват местности сокращен до пяти различных типов: океан, снег/лед, трава, лес и голая почва. Пространственное разрешение уменьшено до 2,5 на 2° (долгота/широта). Альбедо грунта, или доля отраженного света в зависимости от длины волны для различных типов поверхности, взяты из базы данных Геологической службы США (Kokaly et al., 2017). Впоследствии в качестве шестой категории добавляются солнечные панели, которые описываются с помощью коэффициента отражения из Reflectance Experiment Laboratory (RELAB; Pieters & Hiroi, 2004) и размещаются на карте поверхности в выбранных местах.
2.3. Оценка вклада кремния в отражательную способность
Для того чтобы спектральный признак можно было обнаружить, он должен удовлетворять двум условиям. Он должен быть достаточно сильным, а его спектральный сигнал должен однозначно идентифицироваться с молекулой-источником или, в данном случае, с поверхностью земли. Было предложено, чтобы обнаруживаемость фотоэлектрических панелей находилась в УФ-видимой области спектра, которая является диапазоном, в котором спектральные характеристики панелей наиболее однозначно идентифицируются. Инфракрасная область не подходит, поскольку разница в отражательной способности здесь не соответствует спектрально уникальной характеристике: характеристики перекрываются с гораздо более сильными сигналами от других компонентов поверхности. Это исследование построено таким образом, чтобы сосредоточить внимание на максимальной обнаруживаемости техносигналов. Это не означает, что сигнал может быть полностью однозначно отнесен к панелям, что потребовало бы последующего исследования с использованием методов поиска и исчерпывающего поиска возможных перекрывающихся сигналов (например, рэлеевского рассеяния, поглощения O3 или дымки). Первым шагом в оценке обнаруживаемости является определение потенциальной силы сигнала в наиболее оптимистичном случае, что и рассматривается здесь.
Следует также отметить, что размещение панелей в пустыне также является удачным с точки зрения возможности обнаружения, поскольку из компонентов покрытия местности, показанных на рисунке 1, контраст с почвой является вторым по величине (после снега/льда).
3. Требования к фотоэлектрической системе заземления
В настоящее время плотность мощности (т.е. мощность, вырабатываемая на единицу площади земли) солнечной энергии оценивается в 5,4 Вт/м2 (Miller & Keith, 2018). Игнорируя влияние на пригодную для жизни среду планеты, если общая площадь суши Земли 10 составляет 149*10^6 км2, то общая мощность, которую можно было бы получить, если бы вся земля была покрыта солнечными батареями, составила бы 5,4 Вт/м-2 * 149*10^6 км2 = 804 ТВТ, или 25 374 ЭДЖ в год-1. В 2022 году мировое потребление энергии из всех первичных источников (включая коммерчески продаваемое топливо и современные возобновляемые источники энергии, используемые для выработки электроэнергии) составило 604 ЭДЖ. 11 Очевидно, что нет необходимости покрывать всю территорию: для обеспечения мирового потребления энергии в 2022 году солнечными батареями будет покрыто всего 2,4% территории.
На рисунке 2 показано историческое годовое мировое потребление энергии в джоулях и прогнозируемое потребление энергии при различных сценариях темпов роста. Этот график аналогичен показателю темпов роста, показанному в исследовании Mullan & Haqq-Misra (2019), где авторы обсуждали влияние роста населения на потребление энергии. Показаны два набора данных: один из них взят из данных Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) 12 за период с 1850 по 2015 год, а другая кривая - из Института энергетики (см. сноску 11) за период с 1965 по 2022 год. Цель представления обоих наборов данных состоит в том, чтобы показать, что эти два набора данных в целом совпадают, за исключением небольших систематических различий. Прогнозируемое потребление энергии в 2030 году основано на оценках Управления энергетической информации США 13 (678*10^15 Бте = 715 ЭДЖ), и также показано соответствующее покрытие территории (2,8%), необходимое для обеспечения всего мира энергией за счет солнечных панелей.
Прогнозы на будущее показаны на рисунке 2. Они основаны на сценариях постоянного роста на 7% в годовом исчислении, 2,6% в годовом исчислении, 2% в годовом исчислении и 1% в годовом исчислении, основанных на оценке мирового потребления энергии на 2022 год в размере 604 ЭДЖ, полученной от Института энергетики, и предположении о фиксированной солнечной энергии. плотность составляет 5,4 Вт/м2. Исторический период с 1850 по 2022 год показывает средний темп роста примерно в 2,6% в годовом исчислении, хотя в более поздний период 1965-2022 годов этот темп роста снизился примерно до 2% в годовом исчислении. Темп роста в 7% в год за 1 год был использован Фон Хорнером (1975) в предыдущем анализе пределов роста; такой прогноз соответствовал более быстрым темпам роста, наблюдавшимся примерно в 1950-1975 годах. Эти сценарии, наряду с более консервативным сценарием, рассчитанным на 1% в годовом исчислении, и сценарием логистики игрушек, служат иллюстрацией диапазона и присущей им неопределенности при составлении таких прогнозов на будущее.
На рисунке 2 также показана точка на каждой проекции, в которой для удовлетворения потребностей в энергии потребуется покрытие солнечными панелями 23% территории Земли — размером примерно с Африку — с ежегодным потреблением энергии в размере 5840 ЭДЖ. Такой масштаб потребления энергии будет достигнут к 2056 году при сценарии 7% в годовом исчислении, к 2110 году при сценарии 2,6% в годовом исчислении, к 2137 году при сценарии 2% в годовом исчислении и к 2250 году при сценарии 1% в годовом исчислении. Идея покрыть солнечными батареями такую большую часть поверхности Земли неизбежно повлекла бы за собой множество нежелательных последствий для климата и местной окружающей среды; тем не менее, этот 23-процентный предел покрытия территории будет использоваться в качестве верхнего предела при расчетах обнаруживаемости в разделе 4.
Стоит также отметить, что выработка энергии при 23% площади суши намного превысила бы ту, которая необходима для обеспечения высокого уровня жизни всех людей. Анализ, проведенный Джексоном и др. (2022), показал, что благосостояние людей может достичь пика при потреблении энергии на душу населения в 75 ГДж на человека14, таким образом, 5840 ЭДЖ, генерируемых при 23% площади суши, будет более чем достаточно для поддержания численности населения в 10 миллиардов человек (что соответствует 750 ЭДЖ, или 3% площади суши), что приблизительно соответствует максимальной численности населения, прогнозируемой большинством моделей Организации Объединенных Наций. Для иллюстрации в этом исследовании в качестве верхней границы логистической функции игрушек на рисунке 2 используется потребление энергии населением в 30 миллиардов человек (2250 ЭДЖ, 8,9% площади суши). Эта игрушечная логистическая функция служит для демонстрации возможности нелинейной траектории использования энергии в будущем, которая может даже привести к устойчивому равновесию. Для современной человеческой цивилизации отрадно осознавать возможность того, что 8,9% площади Земли, покрытой солнечными панелями, что примерно равно площади Китая и Индии вместе взятых, будет более чем достаточно для обеспечения высокого качества жизни в будущем. Последствия этой возможности для техносигнатур будут рассмотрены в разделе 5.
4. Требования к обнаруживаемости для фотоэлектрических систем.
Мы провели моделирование с помощью генератора планетарного спектра (PSG; Вильянуэва и др., 2018, 2022) для генерации спектров отраженного света, а затем рассчитали требуемое соотношение сигнал/шум для обнаружения сигнатур солнечных панелей в диапазоне 0,34–0,52 мкм, который перекрывается с ультрафиолетовой и оптической областями спектра для обитаемых миров Обсерватория (HWO). Мы выбрали именно эту область по следующей причине: на рисунке 1 показано, что коэффициент отражения кремниевой солнечной панели имеет пики ниже 0,4 мкм и в диапазоне от 1 до 2 мкм. Однако эти характеристики сильно перекрываются с характеристиками других материалов поверхности. Любое изменение в освещении солнечными панелями будет затенено изменениями в соотношении площади океана и площади почвы или растительности, как показано на рисунке 3. На рисунке 3(а) показана зависимость коэффициента контрастности спектра от длины волны для различных углов обзора с точки зрения наблюдателя. Коэффициент контрастности больше 1, поскольку мы предполагаем, что коронограф блокирует большую часть звездного света. Изменения в спектрах за пределами 0,8 мкм в основном связаны с изменением отражательной способности поверхности. Любой вклад кремния смешивается с общими спектрами в этой области длин волн; Обратите внимание, что перекрытие характеристик кремния характеристиками молекулярного поглощения не является предметом нашего исследования. Наш анализ позволяет установить верхний предел сигнала, который может исходить от фотоэлектрических панелей. Потенциальное совпадение с молекулярными особенностями стало бы следующим шагом в исследовании, если бы сигнал можно было обнаружить.
На рисунке 3(б) показаны значения S/N для различных зон покрытия солнечными панелями в зависимости от времени наблюдения с помощью 8-метрового телескопа типа HWO. Модельный набор инструментов аналогичен телескопу LUVOIR concept study telescope, поскольку в настоящее время продолжается разработка миссии HWO. Поскольку и LUVOIR-B, и HWO являются концепциями для внеосевых телескопов, концепция LUVOIR-B на данный момент является наилучшим приближением. Он оснащен внутренним коронографом, основная цель которого - прямые наблюдения экзопланет (Хуанола-Паррамон и др., 2022). Он оснащен тремя каналами: ближним ультрафиолетовым (NUV; 0,2–0,525 мкм), видимый (0,515–1,030 мкм) и ближний (1,0–2,0 мкм). Канал NUV позволяет получать только высококонтрастные изображения с эффективным спектральным разрешением R = 7. Оптический канал содержит камеру для формирования изображения и интегральный полевой спектрограф с R = 140. Планета находится в квадратурной фазе (в нашем моделировании фазовый угол орбиты равен 270°). Это планета земного типа, находящаяся на расстоянии, подобном земному, от звезды, подобной Солнцу, на расстоянии 10 пк.
Значение S/N, зависящее от длины волны, рассчитывается как разница между спектрами с солнечными панелями и без них, разделенная на шум, смоделированный PSG для рассматриваемого прибора (см. раздел 5.3 в Villanueva et al., 2018; глава 8 в Villanueva et al., 2022; а также веб-сайт PSG, 15 где подробно обсуждается модель шума). "Чистое значение S/N" рассчитывается путем суммирования квадратов отдельных значений S/N на каждой длине волны в пределах заданного диапазона (NUV или VIS), а затем извлечения квадратного корня. Эта методология в значительной степени применима к S/N, если объект определяется спектром. S/N рассчитывается для различных продольных видов планеты, похожей на Землю, с точки зрения наблюдателя. Для наглядности показаны только три продольных вида. Угол в 0° по долготе соответствует углу обзора, при котором расположение солнечных элементов видно только частично с точки зрения наблюдателя. Угол в 315° по долготе указывает на то, что солнечные элементы расположены почти полностью в поле зрения наблюдателя. Долгота в 90° представляет собой угол обзора, при котором солнечные элементы не видны наблюдателю.
На рисунке 3(б) показано, что даже при самом большом покрытии суши (23%) и благоприятной перспективе обзора для наблюдателя (долгота планеты 315°) потребовалось бы несколько сотен часов наблюдения в спектрах отраженного света с помощью телескопа размером 8 м, чтобы достичь S/N = 5 (сплошная фиолетовая кривая). Этот результат можно понять из рассмотрения рисунка 4, где приведены спектры в соотношении контрастности планеты и звезды для трех случаев: 2,4% (синее сплошное изображение), 23% (красное сплошное изображение) и нулевое (зеленый пунктир) покрытие поверхности кремниевыми панелями. Поскольку мы выбрали диапазон 0,34–0,52 мкм для расчета влияния кремниевых панелей на спектры отражения, разница между планетами с кремнием и без него незначительна, даже при 23%-ном покрытии суши, как видно из рисунка 4. Это говорит о том, что искусственный кремниевый край, предложенный Lingam & Loeb (2017), возможно, не поддается обнаружению. Это несоответствие частично связано с выбором свойств фотоэлектрических элементов, как указано в разделе 2.1, поскольку коэффициент отражения реальных солнечных элементов менее выражен, чем у чистого кремния, последний из которых был оценен в работе Lingam & Loeb (2017). Увеличение охвата более чем на 23% привело бы к незначительному сокращению времени наблюдения; однако о последствиях увеличения охвата фотоэлектрическими элементами читайте в разделе 5.
5. Обсуждение
Результаты, приведенные в предыдущем разделе, по-видимому, указывают на то, что даже масштабного размещения солнечных панелей (изготовленных из кремния и имеющих просветляющие покрытия) на значительной площади экзопланеты земного типа может оказаться недостаточно для обнаружения с помощью 8-метрового телескопа, подобного HWO. Эти расчеты предполагали фиксированный современный КПД солнечных панелей, поэтому любое технологическое повышение эффективности только уменьшило бы требуемое покрытие территории и, следовательно, снизило бы возможность обнаружения.
Лингам и Леб (2017) предположили, что планеты, вращающиеся вокруг M-карликов, могут быть подходящим местом для начала поиска фотоэлектрических элементов. К сожалению, из—за непосредственной близости планет в обитаемой зоне вокруг M—карликов, что создает проблему для пространственного определения планеты, в настоящее время не существует технологического пути для непосредственного наблюдения планет такого типа. Однако в том случае, если бы такая установка была возможна, обнаруживаемость ультрафиолетовой границы кремния на планетах, вращающихся вокруг M–карликов, была бы еще более снижена, поскольку излучение звезд в соответствующем диапазоне (0,34-0,52 мкм) значительно ниже.
Обратите внимание, что мы выполнили все расчеты S/N на основе фазового угла орбиты, равного 270°, с конфигурацией орбиты с краю (т.е. наклонение = 90°). Для полной оценки потенциальной обнаруживаемости необходимы дополнительные расчеты, изменяющие фазовый угол, угол наклона и так далее. Кроме того, мы не исследовали степень влияния изменения размера зеркала на S/N или другого спектрального типа звезды-хозяина (например, K-карликовой звезды). Бердюгина и Кун (2019) создали составные карты орбитальных фотоэлектрических источников энергии, если бы они были расположены вокруг планеты, подобной Проксиме Центавра b. Необходимо провести специальное моделирование и соответствующие оценки S/N, относящиеся к HWO, для таких орбитальных структур. Эти дополнительные соображения оставлены для будущей работы.
Поскольку Земля остается единственным примером обитаемой планеты с техносферой, будущие траектории движения Земли могут дать представление об ограничениях, которые могут также применяться к внеземным техносферам. Стоит еще раз подчеркнуть, что для обеспечения высокого уровня жизни населения в 10 миллиардов человек потребовалось бы всего 3% площади, покрытой солнечными батареями, а логистическая кривая toy, показанная на рисунке 2, показывает, что даже для населения в 30 миллиардов человек с высоким уровнем жизни потребовалось бы гораздо меньше энергии чем выходная мощность при сценарии покрытия территории в 23%, использованном в этих расчетах обнаруживаемости. Эти оценки не только не учитывают повышение эффективности за счет технологических инноваций, но и не учитывают другие источники энергии. Следовательно, фактические потребности Земли в солнечной энергии, вероятно, будут значительно снижены, особенно в случае, если управляемый ядерный синтез станет жизнеспособным. Для Земли эти результаты указывают на возможность будущего, в котором потребности в энергии даже большего, чем прогнозировалось, населения могут быть полностью удовлетворены с помощью известных технологий.
Если в качестве примера при поиске техносигнатур взять Землю, то возникает вопрос: нужно ли когда-либо масштабное размещение солнечных панелей на поверхности планеты? Любое реальное крупномасштабное развертывание, безусловно, вызовет множество вопросов, касающихся осуществимости такого развертывания или логистических проблем в глобальном распределении энергии, но более фундаментальным остается неизвестным, потребуются ли когда-либо технологической цивилизации такие большие энергозатраты, чтобы оправдать такой сценарий, как покрытие суши на 23% или более. Некоторые из прогнозов, показанных на рисунке 2, показывают время, когда рассеивание энергии в результате использования энергии превышает пороговое значение для существенного воздействия прямого нагрева на климат Земли (3*10^23 Дж), что происходит в 2265 году при сценарии темпов роста 2,6% за 1 год и в 2338 году при сценарии темпов роста 2% за 1 год. сценарий темпов роста за 1 год. Тем не менее, не очевидно, что на Земле когда-либо возникнут такие огромные потребности в энергии: потребности человечества в энергии, необходимые для обеспечения высокого уровня жизни, на несколько порядков ниже порога прямого обогрева. Стремление предотвратить прямое нагревание атмосферы может служить дополнительным сдерживающим фактором, позволяющим избежать подобных сценариев, и дополнительно указывает на то, что для достижения целей устойчивого развития на Земле когда-либо потребуется лишь установка солнечных панелей в небольших масштабах.
Дальнейшие рассуждения показывают, что эти сценарные прогнозы достигнут предела цивилизации первого типа по Кардашеву (Kardashev 1964), которая использует всю доступную энергию на своей планете (т.е. весь звездный свет, падающий на верхние слои атмосферы). Этот порог I типа (5*10^24 Дж) наступает в 2377 году при сценарии роста на 2,6% за 1 год и в 2482 году при сценарии роста на 2% за 1 год. Эквивалентная площадь суши, необходимая для удовлетворения таких энергетических потребностей с помощью солнечной энергии, в этих случаях превышает 100%, что указывает на то, что в этих сценариях потребуются другие источники энергии, возможно, включая солнечную энергию космического базирования. Такие спекулятивные сценарии предполагают изображения "сфер/скоплений Дайсона" (например, Дайсон, 1960; Райт, 2020) солнечных коллекторов, которые расширяют возможности цивилизации улавливать энергию, выделяемую ее звездой-хозяином.
Кардашев (1964) даже представил цивилизацию второго типа как такую, которая полностью использует энергию своей звезды-хозяина; однако такие предположения основаны главным образом на предположении о фиксированном темпе роста мирового энергопотребления. Но в таких огромных запасах энергии не было бы необходимости даже при значительном росте населения, особенно если бы в дополнение к солнечной энергии были доступны термоядерный синтез и другие возобновляемые источники. Концепция цивилизации I или II типа становится упражнением в воображении возможных применений, которые цивилизация могла бы найти для таких огромных запасов энергии. Даже таких видов деятельности, как крупномасштабные физические эксперименты и (релятивистские) межзвездные путешествия (см. Lingam & Loeb, 2021, глава 10), может быть недостаточно, чтобы объяснить необходимость того, чтобы цивилизация использовала значительную часть всей своей планетарной или звездной продукции. Напротив, если человеческая цивилизация сможет удовлетворить свои собственные потребности в энергии лишь при скромном использовании солнечных панелей, то это ожидание может также означать, что такие концепции, как сферы Дайсона, окажутся ненужными в других техносферах.
Эти результаты также имеют отношение к проблеме, известной как парадокс Ферми (Уэбб, 2015; Чиркович, 2018; Форган, 2019) или Великое молчание (Брин, 1983): если внеземная экспансия по галактике относительно проста, то где же они? В контексте ограничений роста признание того факта, что человеческая цивилизация может достичь устойчивого равновесия в численности населения и потреблении энергии, которое значительно ниже порогового уровня I типа, предполагает, что внеземные цивилизации, возможно, не будут вынуждены расширяться по соображениям обеспечения существования. Этот вывод отражает "устойчивое решение" парадокса Ферми (например, Хакк-Мисра и Баум, 2009; Муллан и Хакк-Мисра, 2019), которое предполагает, что любые существующие внеземные цивилизации расширяются только пропорционально пропускной способности их планеты. Любая цивилизация, способная достичь устойчивого уровня численности населения при высоком уровне жизни, может также ограничить любую потребность в расширении, что также может ограничить масштабы любых потенциальных техносигнатур, создаваемых такой цивилизацией.
В основе этой дискуссии лежат две конкурирующие философские позиции относительно тенденции жизни к расширению. Первая позиция предполагает, что (а) жизнь будет эволюционировать так, чтобы использовать максимум энергии, доступной в окружающей среде, в то время как вторая предполагает, что (б) жизнь будет эволюционировать так, чтобы использовать столько энергии, сколько необходимо в окружающей среде для достижения оптимального уровня существования. В той мере, в какой окружающая среда всегда будет накладывать термодинамические ограничения, жизнь, вероятно, предпочтет второй вариант (b). Но имеет ли жизнь тенденцию расширяться до таких термодинамических пределов, если ей не противостоять, или она будет стремиться оптимизировать потребление ресурсов, а не максимизировать их? Такие междисциплинарные вопросы подчеркивают пересечение науки о техносигнатурах с концепциями экологии (например, Meurer et al., 2024), и дальнейшее изучение предполагаемой общей тенденции к расширению жизни может быть полезным для осмысления и представления конкретных тенденций расширения техносферы.
6. Заключение
Мы проанализировали способность солнечных панелей на основе кремния (с просветляющим покрытием) обнаруживать признаки внеземных технологий. Предполагая, что 8-метровый телескоп, подобный телескопу HWO, фокусируется на границе отражения в ультрафиолетовом диапазоне, и учитывая различное покрытие солнечными панелями экзопланеты, подобной Земле, которое соответствует текущим и прогнозируемым потребностям в энергии, мы оцениваем, что для достижения максимальной мощности потребуется несколько сотен часов наблюдений./N = 5 йен при высоком земельном покрытии в 23% йен.
Впоследствии мы оценили необходимость установки таких крупномасштабных солнечных панелей, принимая во внимание различные прогнозируемые темпы роста потребления энергии в будущем. Мы обнаружили, что даже при значительном росте населения потребности человеческой цивилизации в энергии были бы на несколько порядков ниже энергетического порога цивилизации типа I по Кардашеву или сферы/роя Дайсона, которые используют энергию звезды. Это направление исследований пересматривает полезность таких концепций и потенциально затрагивает один из важнейших аспектов парадокса Ферми: мы еще не открыли никаких крупномасштабных инженерных разработок, возможно, потому, что передовые технологии могут в них и не нуждаться.
Подтверждения
J.H.M., M.L., и R.K.K. с благодарностью отмечают поддержку со стороны программы экзобиологии НАСА в рамках гранта 80NSSC22K1009. Авторы также выражают признательность Центру космических полетов имени Годдарда (GSFC) за сотрудничество в области экзопланетных сред (SEEC), которое поддерживается исследовательской программой Отдела планетарных наук НАСА. Любые мнения, находки, заключения или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения их работодателей или НАСА.
14 Многие другие исследования также показали, что для достижения высокого уровня жизни должно быть достаточно годового потребления энергии в размере 100 ГДж на человека (Arto et al., 2016; Millward-Hopkins et al., 2020; Vogel et al., 2021).
