Черные дыры можно использовать как батарейки: что для этого нужно и сколько энергии они дадут?

Китайские астрофизики из Тяньцзиньского университета предложили два способа получения энергии из черных дыр, чтобы использовать эти таинственные и пугающие объекты в качестве перезаряжаемых батарей или ядерных реакторов. По словам ученых, черная дыра с ее вращательными и гравитационными свойствами может стать и тем, и другим. Для такой цели подойдут крошечные первичные черные дыры размером с атом. Методы их превращения в батареи опубликованы в журнале Physical Review D.

Предположительно, во Вселенной существует множество черных дыр. Те, что наши ученые смогли обнаружить — это крупные объекты с массой в пять раз больше массы Солнца и до десятков миллиардов солнечных масс. Но считается, что есть и другая «весовая категория» — первичные черные дыры субатомных размеров, которые возникли в самом начале Вселенной после Большого взрыва. Их существование не подтверждено, но если они есть, как подсказывает теория, то они открывают для человечества много возможностей, считают физики.

Вклад советских физиков

Еще в 70-х годах прошлого века советские ученые изменили представление о черных дырах как об объектах, которые только поглощают все вокруг себя. Физик-теоретик Владимир Грибов первым доказывал, что черные дыры из-за квантовых полей вокруг них должны еще и излучать частицы. Затем его коллега Яков Зельдович со своим учеником российским физиком-теоретиком Алексеем Старобинским подтвердили это. Они также встречались в Москве со Стивеном Хокингом и задолго до публикации его знаменитых работ продемонстрировали британцу, что вращающиеся черные дыры должны порождать и излучать частицы. Сегодня этот процесс назван излучением Хокинга (иногда Грибова — Хокинга).

В 2016 году Хокинг заявил, что из микроскопической черной дыры, благодаря этому излучению, можно было бы сделать неиссякаемый источник энергии. И ее должно было бы хватить для питания всей электроники нашей планеты.

Как черные дыры могут послужить человечеству

В новом исследовании ученые из Китая Чжан-Фэн Май и Ран-Цю Ян сделали эту идею еще более наглядной. Их расчеты показывают, что черную дыру можно было бы «зарядить», вводя в нее массивные электрически-заряженные частицы до тех пор, пока у нее не появилось бы собственное электрическое поле. Это поле стало бы отталкивать все последующие вводимые заряды. Когда сопротивление превысит гравитационное притяжение черной дыры, ее можно будет считать полностью заряженной, поясняют авторы.

Согласно расчетам, около 25% вводимой массы частиц черная дыра сможет преобразовывать в доступную энергию в виде электрического поля. Такая периодически подзаряжающаяся батарейка была бы в 250 раз производительней по выделению энергии, чем атомная бомба.

Для извлечения энергии из черной дыры авторы предлагают два способа. В первом сценарии они используют процесс сверхизлучения. Он основан на теории, что пространство — время затягивается вокруг вращающейся черной дыры ее мощным гравитационным полем. И предполагает, что падающие на черную дыру волны усиливаются и рассеиваются.

В таком случае попавшие в область вращения гравитационные и электромагнитные волны тоже могли быть увлечены за ней. Но если они еще не пересекли так называемый горизонт событий — область с предельной гравитацией, откуда не могут вырваться даже кванты света — некоторые волны могли бы отклониться с еще большей энергией, чем они имели изначально.

Второй метод основывается на эффекте Швингера — спонтанном рождении пар из частиц и античастиц. По версии авторов, если черная дыра будет полностью заряженной, рядом с самым горизонтом событий электрическое поле может стать настолько сильным, что само создаст пары электрон/позитрон с противоположным зарядом. И если, например, заряд черной дыры положительный, то из нее были бы вытолкнуты позитроны, которые можно собрать в виде энергии.

Авторы уточняют, что в обоих случаях мы получали бы энергию не из самой черной дыры, а непосредственно рядом с ней. При этом, чтобы черная дыра стала таким аккумулятором или реактором, она может быть размером с атом и массой от 10¹⁵ до 10¹⁸ килограммов. И ее нужно регулярно пополнять заряженными частицами.

Неизвестно, будет ли у человечества когда-нибудь в реальности такая батарея. Так как мы до сих пор даже не нашли ни одной микроскопической черной дыры во Вселенной. Однако тот же Стивен Хокинг считал, что мы вполне можем создать себе такую в Большом адронном коллайдере.