Il Santo Graal dell’Energia Infinita: Raccolta dei buchi neri

Scritto da Alex Kimani tramite OilPrice.com,

Un anno fa, il rappresentante della Camera Alexandria Ocasio-Cortez di New York e il senatore Edward J. Markey del Massachusetts, entrambi democratici, hanno proposto il Green New Deal , una risoluzione del Congresso non vincolante che delinea un grande piano per affrontare il cambiamento climatico incontrando il 100% dei la domanda di energia negli Stati Uniti attraverso fonti di energia pulita, rinnovabile ea emissioni zero.

Sebbene il futuro della proposta sull'energia pulita rimanga incerto, la maggior parte degli americani ha letto dalla stessa pagina ciò che deve essere fatto: ridurre drasticamente la dipendenza del paese dai combustibili fossili nei prossimi due decenni è fondamentale per ridurre i gas serra ( GHG) e affrontare il cambiamento climatico, con sei adulti statunitensi su 10 che affermano che favorirebbero politiche con questo obiettivo energetico.

Per fortuna, gli scienziati hanno ricercato soluzioni energetiche alternative come l'energia eolica e solare per decenni, comprese fonti meno conosciute che possono sembrare un po 'insolite o addirittura ridicole e irrealistiche.

Puoi attribuire l'energia raccolta dai buchi neri a quest'ultima categoria.

Cinquant'anni fa, il fisico matematico britannico, Roger Penrose , propose un'idea apparentemente assurda di come una società aliena (o futuri esseri umani) potesse raccogliere energia da un buco nero rotante facendo cadere un oggetto appena fuori dalla sua sfera di influenza nota anche come ergosfera dove si trova potrebbe guadagnare energia negativa. Da allora, nessuno è stato in grado di verificare la fattibilità di questa idea apparentemente bizzarra, almeno fino ad ora .

Mezzo secolo dopo, i ricercatori hanno finalmente dimostrato che il signor Penrose era davvero interessato a qualcosa di grande.

Il processo Penrose

I buchi neri hanno catturato l'immaginazione degli astrofisici sin da quando il primo è stato scoperto nel 1971, e per una buona ragione. Dopotutto, sono alcuni degli oggetti più strani e affascinanti nello spazio.

I buchi neri rappresentano lo stadio finale del ciclo di vita delle stelle così massicce che, una volta che è diventata supernova, il nucleo non può più resistere alla propria gravità e collassa totalmente in una singolarità – un singolo punto unidimensionale di densità infinita. Questa singolarità si trova all'interno di una regione chiamata orizzonte degli eventi – il punto in cui la gravità attorno al buco nero è così forte, nemmeno la velocità della luce è sufficiente per raggiungere la velocità di fuga.

Nel 1969, Roger Penrose propose che se un oggetto si divide in due e una parte cade nel buco nero, l'altra parte può essere recuperata con più energia rispetto all'oggetto originale, perché ha perso energia negativa – in pratica dicendo un meno di un segno meno fa un vantaggio!

Due anni dopo, il fisico russo Yakov Zel'dovich ha adattato questa idea e l'ha tradotta in altri sistemi rotanti che potremmo testare sulla Terra. Zel'dovich ha previsto che le onde con momento angolare – note anche come "onde contorte" – riflesse da un cilindro metallico rotante saranno amplificate. Il cilindro vede queste onde attorcigliate essere spostate rotazionalmente Doppler , cioè la loro frequenza cambia a seconda della velocità di rotazione. Questo è simile allo spostamento Doppler lineare in cui il tono di una sirena della polizia cambia mentre passa veloce.

Se il cilindro di Zel'dovich ruota abbastanza velocemente, succede qualcosa di molto strano. La frequenza spostata Doppler diventa negativa. Queste onde di frequenza negative ci appaiono semplicemente come normali onde di frequenza positive. Ma notevolmente questo cambia il modo in cui le onde interagiscono con il cilindro. Il metallo di solito assorbe le onde. Ma quando la frequenza Doppler diventa negativa, l'assorbimento diventa amplificazione e l'onda riflessa ha più energia di quando è entrata. Come con gli alieni di Penrose e il buco nero rotante, le onde contorte hanno preso energia dal cilindro assorbente rotante.

C'era solo un problema con la proposta originale di Zel'dovich: la velocità del cilindro rotante deve essere di almeno 1 miliardo di rotazioni al secondo, ben al di là di tutto ciò che possiamo ottenere meccanicamente senza che i pezzi centrifughi distruggano l'intera cosa.

Quindi non c'era modo di convalidare fisicamente la teoria, fino a quando non arrivò un team di fisici della School of Physics and Astronomy dell'Università di Glasgow in Scozia. Hanno ideato un esperimento basato sul lavoro di Zel'dovich ma hanno usato onde sonore invece di onde luminose. Le onde sonore sono un milione di volte più lente delle onde luminose, il che significa che il disco rotante non ha bisogno di ruotare altrettanto velocemente.

Il loro esperimento consisteva in un anello di altoparlanti predisposti per introdurre una torsione nelle onde sonore, analoga alla luce distorta nell'esperimento di Zel'dovich. Un assorbitore del suono rotante fatto di un disco di schiuma era analogo al buco nero rotante, la cui rotazione sarebbe accelerata quando le onde sonore lo colpivano. Hanno usato un anello di altoparlanti per creare un'onda sonora attorcigliata sull'altro lato del disco e l'hanno diretta verso un assorbitore di suono rotante e hanno posizionato microfoni dietro la schiuma che ruotano anche, per misurare le onde spostate Doppler che passano attraverso il disco mentre gira. Potrebbero riprodurre il suono registrato dai microfoni all'aumentare della velocità di rotazione.

I risultati sono stati a dir poco sorprendenti. Quando la rotazione del disco accelerava, il tono del suono che colpiva i microfoni si abbassava fino a diventare impercettibile, quindi ricominciava a risalire al tono originale, ma un buon 30% più alto del suono proveniente dagli altoparlanti. In sostanza, le onde sonore stavano raccogliendo ulteriore energia dal disco rotante.

Ciò che effettivamente senti è la frequenza dell'onda contorta che viene spostata Doppler a zero, dove diventa troppo bassa per sentire, quindi diventa più forte con l'aumentare della frequenza negativa.

Se si traccia l'ampiezza del segnale sonoro dell'onda contorta, si nota che il suono è decisamente più forte dopo che la frequenza Doppler è passata da positiva a negativa. In altre parole, l'ampiezza delle onde a frequenza negativa è molto maggiore quando l'assorbitore sta ruotando.

L'area ombreggiata in rosso è la regione in cui le onde prendono energia dall'energia rotazionale dell'assorbitore. Questo incredibile effetto di amplificazione è al centro della proposta di Penrose di estrarre energia dai buchi neri e potrebbe guidare nuovi esperimenti verso l'amplificazione delle onde elettromagnetiche e forse anche le fluttuazioni quantistiche.

Ovviamente, questo esperimento non verifica esplicitamente che l'idea di Penrose per l'estrazione di energia funzionerà effettivamente per un buco nero. Piuttosto, dimostra qualcosa che sembra contro-intuitivo: che lo spostamento delle frequenze delle onde da positive a negative porta effettivamente le onde a guadagnare, piuttosto che a perdere, energia.

Siamo ancora molto lontani dall'estrarre energia dai buchi neri rotanti. Tuttavia, l'ultimo esperimento della School of Physics and Astronomy dell'Università di Glasgow fornisce una bella dimostrazione del concetto che potrebbe aprire nuove ed entusiasmanti strade di esplorazione scientifica.