Frage:
Ist Spaltung / Fusion zu Eisen der effizienteste Weg, um Masse in Energie umzuwandeln?
Juggernaut
2019-06-11 04:20:47 UTC
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Ist die Spaltung / Fusion eines Elements mit Eisen-56 (oder Nickel-62?) der beste Weg, um Masse in Energie umzuwandeln, bei der es sich nicht um Schwarz handeltLöcher?

Mit anderen Worten, werden wir immer darauf beschränkt sein, nur etwa 1% der verfügbaren Masse in Energie umzuwandeln?Gibt es andere Möglichkeiten (mit Strangelets? Antimaterie?), Um diese Grenze zu überschreiten?

Ich schließe Schwarze Löcher aus, da Sie meines Wissens nur eine begrenzte Menge an Energie gewinnen können, indem Sie ihren Spin reduzieren, sodass sie für die Energieerzeugung im kosmologischen Maßstab nicht lebensfähig sind.

Gerne schließen wir Schwarze Löcher aus, aber ich würde nicht sagen, dass sie im kosmologischen Maßstab nicht lebensfähig sind, da viele oder vielleicht sogar alle hellsten Quellen im Universum von den starken Schwerkraftprozessen angetrieben werden, die mit einem Schwarzen Loch verbunden sind.
"Sind Schwarzloch-Raumschiffe möglich" (https://arxiv.org/abs/0908.1803) ist ein großartiger Artikel, der die Möglichkeit untersucht, künstlichen Schwarzen Löchern durch Hawking-Strahlung Energie zu entziehen.Mein Laie nimmt davon ab, dass dies völlig funktioniert und das Beste ist.
@DanielDarabos Hawking-Strahlung ist eine separate Sache;Der wichtigste interessante Fall, mit dem Menschen gearbeitet haben, ist die Extraktion der Energie des Gravitationspotentials - schleudernde Materie an einem Schwarzen Loch, so dass sie den Brunnen hinunterwirbelt und enorme Energiemengen als (im Wesentlichen reine) Strahlung freisetzt, lange bevor sie sich nähertder Ereignishorizont.Kernreaktionen in Sternen setzen etwa 1% der Restmasse frei;Akkretion auf einem Neutronenstern um 10% (und es ist egal, um welche Kerne es sich handelt).Die Akkretionsscheibe eines rotierenden Schwarzen Lochs erreicht etwa 40%, viel besser als Antimaterie.
@DanielDarabos Eine weitere interessante Option ist das Extrahieren des Drehimpulses eines geladenen, rotierenden Schwarzen Lochs - etwa 20% der "Massenenergie" eines typischen Schwarzen Lochs mit Sternmasse liegt in seiner Rotationsenergie und kann relativ einfach extrahiert werden.Hawking-Strahlung ist für Schwarze Löcher mit Sternmasse im Wesentlichen nutzlos - sie ist nur für Schwarze Löcher mit extrem geringer Masse interessant (z. B. die Art, die Sie als "Stromquelle" auf einem Science-Fiction-Raumschiff verwenden würden).
Können Sie einem geladenen Schwarzen Loch elektromagnetisch Impuls entziehen?Das heißt,Könnten Sie es in eine Spule stecken und sehen, wie Ströme in der Spule erzeugt werden?
@Skyler Jede Leitung reicht aus.In der Tat ist das der einfache Teil - der schwierige Teil besteht darin, etwas zu bauen, das die Bedingungen in der Nähe eines Schwarzen Lochs überlebt: D.
@AndrewSteane Für Bonuspunkte scheint es nun so zu sein, dass die meisten spaltbaren Elemente (zusammen mit anderen "schwereren als Eisenelementen") tatsächlich in Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern / Neutronensternen hergestellt wurden (und nicht als Teil von Supernova-Explosionen).wie vorher gedacht).Damit ist "1%" selbst nur "1% des Abfalls, der durch die gigantische Energie, die von Schwarzen Löchern / Neutronensternen freigesetzt wird, ausgestoßen wird".Die Schwerkraft ist trotz ihrer erbärmlichen Stärke wieder die mit Abstand effizienteste Methode, um Masse in Energie umzuwandeln: D.
Sechs antworten:
G. Smith
2019-06-11 06:47:58 UTC
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Materie-Antimaterie-Vernichtung, wie ein Elektron, das mit einem Positron vernichtet wird, um zwei hochenergetische Photonen zu bilden, kann 100% der Masse in Strahlung umwandeln.Spaltung und Fusion sind also alles andere als die effizientesten Methoden, um Masse in andere Energieformen umzuwandeln.Leider scheint das Universum fast keine Antimaterie zu enthalten.

Oder vielleicht zum Glück ...
Obwohl dies die offensichtliche Antwort ist, kann mir eine gewisse Klarheit aus dem OP helfen.Während Antimaterie Ihnen sicherlich einen Wirkungsgrad von 100% verleiht, gilt dies nur, wenn Sie eine einfache Antimateriequelle zur Verfügung haben.Wenn Sie die Antimaterie erzeugen müssen, müssen Sie vermutlich die Effizienz Ihres Antimaterie-Erzeugungsprozesses berücksichtigen, der (für die derzeitige Technologie) unglaublich niedrig ist.Infolgedessen würde Antimaterie am besten als fortschrittliche Batterietechnologie angesehen werden - nicht als Energieerzeugungsmethode, die das OP in seiner Frage erwähnte.
Unglücklicherweise treten ungefähr 40% der einfallenden Masse als neutrale Strahlung aus, die für fast jeden praktischen Zweck im Wesentlichen unbrauchbar ist.Vernichtung ist jedoch immer noch viel effizienter als Spaltung oder Fusion!
Buzz
2019-06-11 06:48:06 UTC
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Die effizienteste nicht-gravitative Methode zur Energiegewinnung aus gewöhnlicher Materie besteht darin, sie in Elemente in der Region $ ^ {56} $ span> Fe umzuwandeln. Es gibt ein ziemlich breites Plateau von Nukliden mit Bindungsenergien von etwa $ 8,7 $ span> MeV pro Nukleon, daher spielt es keine große Rolle, in welche von diesen Sie die Quellmaterie tatsächlich verwandeln . ( $ ^ {56} $ span> Fe ist jedoch das Optimum, da es die niedrigste Massenenergie pro Nukleon aufweist und die Anzahl der Nukleonen erhalten bleibt. $ ^ {62} $ span> Ni hat eine niedrigere Bindungsenergie pro Nukleon, ist jedoch weniger stabil, da einige seiner Neutronen zur Freisetzung in Protonen umgewandelt werden können zusätzliche Energie, effektiv zählt die Bindungsenergie nicht die Energiemenge, die in der etwas größeren Neutronenmasse gebunden ist. Andererseits ist ein Großteil der Energie, die bei der Umwandlung von Ni oder Co-Kernen in Fe freigesetzt würde in Form von Neutrinos, die extrem schwer einzufangen wären.)

Die Energiemenge, die durch Fusion freigesetzt werden kann, verblasst jedoch immer noch im Vergleich zu der Menge, die mit einem tiefen Gravitationspotential gewonnen werden kann. Dies muss kein Schwarzes Loch sein. Ein Neutronenstern reicht aus. Die Freisetzung von Energie in einer Kernkollaps-Supernova beruht auf der enormen Energie des Gravitationspotentials, die freigeschaltet wird, wenn ein $ \ sim1.4 \, M _ {\ odot} $ span> weißer Zwerg (mit einem Radius von Tausenden von Kilometern) kollabiert zu einem Neutronenstern (mit einem Radius von nur wenigen Kilometern). Wenn Sie bereits einen Neutronenstern haben, können Sie Materie darauf fallen lassen und die Strahlung erfassen, die er emittiert, wenn er in Richtung der Neutronensternoberfläche beschleunigt. Unter optimalen Bedingungen kann dies tatsächlich eine wesentliche [d.h. $ {\ cal O} (1) $ span> - in der Größenordnung 1] Bruchteil der gesamten Massenenergie eines fallengelassenen Teilchens.

Schließlich gibt es auch eine direkte Vernichtung von Materie / Antimaterie, mit der Sie die gesamte Massenenergie aus dem Ausgangsmaterial gewinnen können.Es erfordert jedoch, dass Sie sowohl Materie- als auch Antimateriequellen bereithalten, was im großen Maßstab nicht unbedingt möglich ist.(Sie können die Antimaterie nicht herstellen, ohne genau so viel Energie einzubringen, wie Sie durch die Vernichtungsreaktion erhalten möchten.) Diese Option funktioniert also nicht mit einem generischen Stück Quellmaterial als potenziellem Kraftstoff.

"Unter optimalen Bedingungen kann dies tatsächlich eine O (1) -Fraktion der Massenenergie eines fallengelassenen Partikels freisetzen."Was ist die unabhängige Variable?
Schöne Antwort, aber der "O (1)" Bruch ist völlig unklar.Können Sie klarstellen, was Sie damit meinen?
"Sie können die Antimaterie nicht herstellen, ohne genau so viel Energie einzusetzen, wie Sie aus der Vernichtungsreaktion gewinnen möchten." Ist dies eine physikalische Tatsache / ein physikalisches Gesetz oder eher ein technisches Problem?Die Tatsache, dass der Prozess Materie verbraucht, um die Energie bereitzustellen, lässt auf den ersten Blick (für mich) den Eindruck entstehen, dass die wichtigsten Naturschutzgesetze (vielleicht) gelten könnten.
@mbrig, Ich glaube, Sie können Antimaterie nicht selbst herstellen, Sie können aufgrund von Erhaltungsgesetzen nur gleiche Mengen an Materie und Antimaterie herstellen.Das Nettoergebnis des gesamten Herstellungsprozesses und der anschließenden Vernichtung verbraucht also keine Materie und kann daher nicht als Energieerzeuger angesehen werden.
Mit $ \ mathcal O (1) $ meint der Autor eindeutig etwas wie "in der Größenordnung 1", was eine Größenordnung von 1 bedeutet. Daher etwa 100% oder mindestens 10% bis 100% Effizienz.
@HarryJohnston So etwas wird durch das Energieerhaltungsgesetz nicht verhindert.[Erhaltung der Baryonenzahl] (https://en.wikipedia.org/wiki/Baryon_number#Conservation) scheint dies für die meisten Vanillepartikel auszuschließen, aber es ist derzeit nicht ganz klar, ob es sich um alle Formen von Materie handeltkann nicht in Antimaterie umgewandelt werden ...
Ich bin mir ziemlich sicher, dass "$ {\ cal O} (1) $" gelesen werden soll, "in der Größenordnung von 1: 1" oder "in der Größenordnung von $ f (x) = x $", was fast bedeutetDie gesamte Masse wird in Energie umgewandelt.
@HarryJohnston Wir wissen bereits, dass die schwache Kernkraft die (ursprünglich angenommene, jetzt als falsch erwiesene) Symmetrie bricht.Auf jeden Fall ist es Ihnen egal, dass Materie zusammen mit Antimaterie produziert wird - was Sie interessiert, ist, dass selbst wenn Sie Antimaterie mit 100% Effizienz produzieren und Antimaterie mit Materie mit 100% Effizienz vernichten könnten (zusammen mit dem Einfangen aller Neutrinosetc.), du würdest immer nur die Gewinnschwelle erreichen - du wirst keine Energie freisetzen, die du noch nicht hattest.Der einzige Grund, warum sich dies jemals lohnen würde, ist die Energiespeicherung mit hoher Dichte *, nicht die Produktion.
@Luaan, Wenn Sie Energie mit 100% iger Effizienz in reine Antimaterie (egal) umwandeln könnten, würden Sie, wenn Sie diese Antimaterie verwenden, um die gleiche Menge an Materie zu vernichten, doppelt so viel Energie abgeben, wie Sie ursprünglich eingegeben haben, weil Sie es sinddoppelt so viel Masse vernichten, wie du erschaffen hast.
Tomáš Zato - Reinstate Monica
2019-06-11 18:10:50 UTC
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Sie schließen Schwarze Löcher aus, aber Hawking-Strahlung strahlt garantiert 100% der Massenenergie aus, die Sie als Schwarzkörperstrahlung einwerfen.Die Temperatur der Strahlung ist umgekehrt proportional zur Größe des Schwarzen Lochs.Aber wenn Sie ein sehr kleines schwarzes Loch in die Hände bekommen könnten (das wahrscheinlich überhaupt nicht schwarz aussehen würde), könnten Sie theoretisch alles werfen, was Sie nicht wollen, und die Strahlung ernten.

Ein Problem bei diesem Schwarzlochkraftwerk besteht darin, dass sich die Leistung mit zunehmender Größe der Zwerge der Unendlichkeit nähert.Das bedeutet, dass Sie es füttern oder evakuieren müssen.

Dem letzten Satz fehlt eine physikalische Begründung.Die Energieabgabe pro Zeiteinheit kann unendlich sein, aber die Lebenserwartung sinkt auf Null.Sie können auch nicht mit der Hand wegwinken.Sie haben offensichtlich eine klare Obergrenze, die im Laufe der Zeit integrierte Leistung muss mc ^ 2 sein.
@MSalters "Annäherung an die Unendlichkeit" impliziert zu keinem Zeitpunkt einen unendlichen Wert.Es ist eine natürliche Eigenschaft jeder umgekehrt proportionalen Beziehung.
Oh, ich stimme dem vorletzten Satz zu.Gewöhnliche Physik und so weiter.Aber selbst wenn die Spitzenleistung gegen unendlich geht, besteht keine Gefahr für das Kraftwerk, wenn die integrierte Leistung eine Energie liefert, die nicht ausreicht, um das Kraftwerk zu zerstören.Leistungsgrenzen gelten für dauerhafte Leistung.
@MSalters Der allgemeine Konsens ist, dass das Schwarze Loch mit einem Gammastrahlenstoß explodiert.Die Berechnung der zerstörerischen Kraft klingt nach einer interessanten Übung. Ich werde das untersuchen.
Ist Hawking-Strahlung alles masselose Partikel?Zeitsymmetrie bedeutet, dass Sie, wenn Sie durch massive Partikel in ein Schwarzes Loch gelangen und masselose Strahlung erhalten können, auch masselose Partikel hineinwerfen und massive Strahlung herausholen können sollten.Es gibt auch die Frage der Naturschutzgesetze wie Baryonenzahl.
@Acccumulation Wenn die Masse des BH nicht klein ist, ist die Hawking-Strahlung eher schwach und sehr niederfrequent.Sie erhalten Schwarzkörperphotonen, die den Temperaturen von Nanokelvin oder Picokelvin entsprechen.Die Wahrscheinlichkeit, dass Nichtphotonen emittiert werden, wird erst signifikant, wenn die Photonen eine Energie haben, die mit der Elektronenruhenergie vergleichbar ist.
@MSalters Wikipedia sagt: "Ein Schwarzes Loch mit einer Lebensdauer von 1 Sekunde hat eine Masse von 2,28 × 105 kg, was einer Energie von 2,05 × 1022 J entspricht, die von 5 × 106 Megatonnen TNT freigesetzt werden könnte."Ich bezweifle, dass ein Kraftwerk gebaut werden könnte, das nicht durch das Äquivalent von zehn Zarenbomben gleichzeitig zerstört würde ... (Es spielt keine Rolle, dass die Energie innerhalb einer Sekunde freigesetzt wird, das Kraftwerk nichtertrage den Geist einer Chance, in so kurzer Zeit mit so viel Energie fertig zu werden.)
Nun, ich denke, wenn Sie eine Technologie haben, mit der Sie Mini-Schwarze Löcher erzeugen können, können Sie wahrscheinlich mit solchen Explosionen umgehen.Ich war neugierig auf die theoretische Grenze, daher kein Problem bei der Vermutung der Typ 3+ Zivilisation.
@cmaster: Stimmt, aber welche Art von Triebwerk läuft mit einem 228 Tonnen schweren Schwarzen Loch ?!Um das Ding stabil zu halten, würden Sie diese 228 Tonnen Materie pro Sekunde füttern, um 20 Zetawatt Strom zu erzeugen.Das ist ungefähr das Millionenfache des Gesamtenergieverbrauchs der ganzen Erde.
@MSalters In der Praxis kann man nicht zulassen, dass es sich diesem Punkt annähert.Sie müssen weiterhin Partikelstrahlen darauf abfeuern, um die Zufuhr aufrechtzuerhalten. Wenn es zu heiß wird, können Sie es nicht zuführen und es bläst.Es gibt eine kurze Geschichte über ein Kraftwerk in der Erdumlaufbahn, das außer Kontrolle gerät.Ich möchte "Firefly" von Robert L. Forward sagen, kann dies aber nicht bestätigen.
@MSalters Genau wie Loren Pechtel sagte.Um die Sache noch schlimmer zu machen, sind kleine BHs * winzig *.Wie in "kleiner als ein Proton".Und dieser kleine Mistkerl strahlt solch eine enorme Strahlung aus.Versuchen Sie sich nun vorzustellen, was passieren würde, wenn Sie einen Protonenstrahl darauf richten würden.Sie würden einfach weggeblasen, was es praktisch unmöglich macht, das Ding zu füttern.Wenn Sie die Chance haben möchten, ein BH füttern zu können, muss es viel größer, viel schwerer und viel dunkler sein, damit Sie es tatsächlich füttern können.Wenn Sie es nicht füttern und es zu klein wird, sollten Sie schnell einen Planeten zwischen sich und den BH bringen.
Ich meine, all das detaillierte Zeug über Schwarze Löcher in den Kommentaren ist das, was ich absichtlich durch die umstrittenen "Annäherungen an die Unendlichkeit" ersetzt habe, um die Antwort kurz und lesbar zu halten.In diesem Fall ist, genau wie in vielen anderen "Ansätzen unendlich", der Slang der Physik für "lass das nicht zu".
Als Referenz hätte ein 228 Tonnen schweres Schwarzes Loch einen Schwarzschild-Radius von ... 0,0000000000000000003 mm oder 5,7x10 ^ -12 Atomradien.Also, wissen Sie, viel Glück beim Schlagen mit Ihrem Feeder.
@cmaster _ "... das würde nicht durch das Äquivalent von zehn Zarenbomben auf einmal zerstört werden ..." _ - 2,05 × 10²² J sind jedoch nicht zehn Zarenbomben.Es sind 100 000 Zarenbomben.Besser laufen.
@marcelm Argh, guter Fang!Das war eine Kopie von Zahlen in wissenschaftlicher Notation XD.Die Zahl war $ 5 \ cdot 10 ^ 6 $, nicht `5x106`.Ich * hätte * erkennen müssen, dass * etwas * mit `5x106` nicht stimmt ... Danke, dass du auf meine Torheit hingewiesen hast :-)
Colin MacLaurin
2019-06-12 09:19:24 UTC
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Sie schließen Schwarze Löcher aus, insbesondere den Penrose-Prozess zum Extrahieren der Rotationsenergie eines sich drehenden Schwarzen Lochs. Verzeih mir, dass ich trotzdem mit schwarzen Löchern antworte. Penrose beschreibt drei Methoden in seinem klassischen Übersichtsartikel "Gravitationskollaps" (1969). Diese sind nach den Maßstäben der menschlichen Technologie völlig unpraktisch, machen aber Spaß und sind informativ über physikalische Konzepte :)

  1. Nehmen Sie zwei schwarze Löcher in den Weltraum, lassen Sie sie umeinander spiralisieren, bis sie verschmelzen, und ernten Sie die Energie der emittierten Gravitationswellen. Bilden Sie die neuen Schwarzen Löcher paarweise und wiederholen Sie den Vorgang. Wiederholen Sie dies ausreichend und es nähert sich einer 100% igen Effizienz der Massenenergieumwandlung. Dieser Vorschlag wird Misner gutgeschrieben.

  2. Senken Sie einen Gegenstand an einem Seil langsam in Richtung eines Schwarzen Lochs. Verwenden Sie die Kraft, um eine Turbine oder etwas zu drehen. Stellen Sie sich die Energie vor, die aus dem Gravitationspotential freigesetzt wird (siehe Buzz 'Antwort). Lassen Sie das Objekt am Horizont los. Dies hat einen Wirkungsgrad von bis zu 100%. Penrose behauptet, dies mit einem rotierenden Schwarzen Loch zu tun, man kann> 100% freisetzen, aber ohne die Berechnungen bin ich skeptisch.

  3. Der "Penrose-Prozess".

    4. ol>

    Ich habe Vorschlag Nr. 2 persönlich recherchiert. Hinweis Gibbons (1972) hat als erster die Spannung im Seil analysiert, obwohl es einen Fehler gibt, auf den Unruh & Wald (1982) und Redmount (1984) hingewiesen haben. Wir nehmen an, dass das Seil lächerlich stark ist. Ich habe von einem quasistatischen Fall zu einem sich bewegenden Seil in jeder statischen sphärisch symmetrischen Raumzeit verallgemeinert, siehe MacLaurin 2019, "Cosmic Cable", das hoffentlich im Verlauf der Marcel Grossmann-Konferenz 2018 erscheinen wird.

Sie könnten # 2 als Handlung für einen potenziellen James-Bond-Film verkaufen - "Sie werden sehr langsam auf dieses lächerlich starke Seil gesenkt, Mr. Bond".
Stilez
2019-06-12 11:35:21 UTC
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Reibung in der Akkretionsscheibe, die einen Quasar bildet, setzt eine Energiemenge von enormous frei und wandelt alles bis zu einem Drittel (~ 30%) der Masse in Energie um.

Während dies durch potentielle Gravitationsenergie (massives Schwarzes Loch in der Mitte) angetrieben wird, ist die Energie not, die tatsächlich freigesetzt wird, wenn Materie auf Antimaterie trifft, oder am Ereignishorizont, wenn Materie in das BH gelangt, oder durch Hawkings-Strahlung, aber durch gewöhnliche Strahlung- und immense Reibung.

Möglicherweise kann eine Akkretionsscheibe um einen Neutronenstern oder ein anderes dichtes Objekt ähnliche Auswirkungen haben.NS wäre der offensichtlichste Nicht-BH-Kandidat ....

Die Akkretionsscheibe eines Neutronensterns kann etwa 10% der Masse dessen freisetzen, was Sie als Energie einwerfen.Das ist eine Größenordnung mehr als jede Fusion oder Spaltung (~ 1%) und funktioniert im Gegensatz zu Fusion / Spaltung mit jeder (EM) Materie.Aber wirklich, es gibt wenig Grund, Schwarze Löcher nicht auf die gleiche Weise zu verwenden - die Technik ist wahrscheinlich nicht wesentlich komplizierter und Sie erhalten bis zu 40% der Masse.Da sich Schwarze Löcher drehen und aufgeladen sind, können Sie als Bonus auch die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs für weitere 20% oder so extrahieren.Nichts anderes ist vergleichbar mit dieser Effizienz :)
Das OP fragt jedoch speziell nach Möglichkeiten, "BH nicht einzubeziehen".Wir können nicht so weit gehen.NS ist die nächstbeste Option.
Ja, aber der Grund, warum er Schwarze Löcher ausschließt, ist "wie ich verstehe, kann man nur eine begrenzte Menge an Energie extrahieren, indem man ihren Spin reduziert, so dass sie für die Energieerzeugung im kosmologischen Maßstab nicht lebensfähig sind.", Was nicht stimmt:P.
Okay, stimmt das.
Stig Hemmer
2019-06-11 14:06:37 UTC
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Wir kennen heute keine besseren Möglichkeiten, aber wir wissen nicht alles.

Das Problem ist, dass nach unserem Kenntnisstand die gesamte Baryonenzahl erhalten bleibt.Dies begrenzt streng, welche Reaktionen möglich sind.

Wenn Sie sich die verlinkte Seite im Abschnitt "Erhaltung" ansehen, werden Sie einige theoretische Möglichkeiten sehen, wie dieses Erhaltungsgesetz gebrochen werden kann.Natürlich wissen wir noch nicht, wie das geht, aber wer weiß, was die Zukunft bringen wird?



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