Если инопланетные технологические цивилизации существуют, они почти наверняка используют солнечную энергию. Наряду с ветром, это самая чистая и доступная форма энергии, по крайней мере, здесь, на Земле. Благодаря технологическому прогрессу и массовому производству потребление солнечной энергии на Земле быстро растёт.
Вполне вероятно, что представители внеземного разума (ВЗР), использующие широко распространённую солнечную энергию на своей планете, могут дать нам знать о своём присутствии.
Если ВЗР существуют, они вполне могут опережать нас в технологическом плане. На поверхности их планет могут широко использоваться кремниевые солнечные панели. Может ли их массовое внедрение стать заметной техносигнатурой?
Авторы новой работы изучают этот вопрос. Работа называется «Обнаруживаемость солнечных панелей как техносигнатуры» и будет опубликована в журнале The Astrophysical Journal. Ведущий автор — Рави Коппарапу из Центра космических полётов имени Годдарда НАСА.
В своей работе авторы оценивают возможность обнаружения солнечных панелей на основе кремния на планете, находящейся в обитаемой зоне, подобной Земле. «Фотоэлектрические элементы на основе кремния обладают высокой отражательной способностью в УФ-ВИС и ближнем ИК-диапазоне, что соответствует диапазону длин волн для флагманской космической миссии, такой как Обсерватория обитаемых миров (HWO), — пишут авторы. HWO будет заниматься поиском и съёмкой землеподобных миров в пригодных для жизни зонах. Сроки создания такой миссии не определены, но в Десятилетнем обзоре 2020 года рекомендуется построить этот телескоп. В данном исследовании рассматривается возможность реализации этой или подобной ей миссии в будущем.
Естественно, авторы делают ряд предположений о гипотетических ВЗР, использующих солнечную энергию. Они предполагают, что ВЗР будут использовать крупномасштабные фотоэлектрические системы (ФЭС) на основе кремния и что их планета вращается вокруг звезды, похожей на Солнце. Производство кремниевых фотоэлектрических элементов экономически выгодно, и они хорошо подходят для использования энергии звезды, похожей на Солнце.
Коппарапу и его соавторы не первые, кто предположил, что кремниевые фотоэлектрические элементы могут представлять собой техносигнатуру. В работе 2017 года Ави Лоеб и Манасви Лингам из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики написали, что кремниевые фотоэлектрические элементы создают искусственный перепад в своих спектрах. Он напоминает т.н. «красный край«, который можно обнаружить в растительности Земли при наблюдении из космоса, но смещён в сторону более коротких длин волн. «Будущие наблюдения отражённого света от экзопланет смогут фотометрически обнаружить как естественный, так и искусственный край, если значительная часть поверхности планеты покрыта растительностью или фотоэлектрическими решётками, соответственно», — пишут Лингам и Лоеб.
«Под «краем» понимается заметное увеличение отражательной способности рассматриваемого материала при съёмке спектра отражённого света планеты», — поясняют авторы нового исследования. Спутники следят за красным краем на Земле, чтобы наблюдать за сельскохозяйственными культурами, и то же самое может быть применимо для наблюдения за фотоэлектрическими элементами на других планетах.
Если Лингам и Лоеб просто предположили такую возможность, то Коппарапу и его соавторы копнули глубже. Они отмечают, что мы могли бы производить достаточно энергии для всех наших нужд (по состоянию на 2022 год), если бы всего лишь 2,4% поверхности Земли были покрыты фотоэлектрическими панелями на основе кремния. Цифра 2,4% будет верна только в том случае, если выбранное для панелей местоположение оптимально. Для Земли это означает пустыню Сахара, и нечто подобное может быть и в инопланетном мире.
Авторы объясняют: «Этот регион расположен близко к экватору, где сравнительно большее количество солнечной энергии будет доступно в течение всего года, и имеет минимальный облачный покров».
Авторы также оперируют цифрой в 23% площади суши. Эта цифра отражает результаты предыдущих исследований, показавших, что при прогнозируемой максимальной численности населения в 10 миллиардов человек 23% покрытие площади суши обеспечит высокий уровень жизни для всех. Они также используют это число в качестве верхнего предела, поскольку превышение этого показателя представляется крайне маловероятным и может привести к негативным последствиям. На Земле весь Африканский континент занимает около 23% поверхности суши.
Расчёты авторов показывают, что 8-метровый телескоп, подобный HWO, не разглядит похожую на Землю экзопланету, 2,4% поверхности которой покрыто фотоэлектрическими элементами.
Если бы ВЗР покрыли 23% поверхности своей планеты энергоулавливающими фотоэлектрическими элементами, смогли бы мы это обнаружить? Было бы трудно отделить свет планеты от света звезды, и потребовались бы сотни часов наблюдений, чтобы достичь приемлемого соотношения сигнал/шум (S/N).
«Поскольку мы выбрали диапазон 0,34-0,52 м для расчёта влияния кремниевых панелей на спектры отражения, разница между планетой с кремнием и без него не будет заметной, даже при 23%-ном покрытии суши», — объясняют авторы.
Технологический прогресс добавляет ещё одну проблему к этим цифрам. По мере развития фотоэлектрических технологий ВЗР будет занимать всё меньшую площадь поверхности планеты для выработки того же количества энергии, что ещё больше затруднит обнаружение.
Солнечная энергия стремительно распространяется на Земле. Каждый год все больше индивидуальных домов, предприятий и учреждений устанавливают солнечные батареи. Возможно, это не является технопризнаками, но растут не только индивидуальные установки.
Китай построил огромную солнечную электростанцию под названием Gonghe Photovoltaic Project в своей малонаселённой провинции Цинхай. Она вырабатывает 3182 МВт. В Индии есть солнечный парк Бхадла (2245 МВт) в пустыне Тхар. Саудовская Аравия построила несколько новых солнечных электростанций и намерена построить ещё. Регулярно объявляются и другие инновационные солнечные проекты.
Но сможем ли мы когда-нибудь покрыть 2,4% нашей планеты солнечными батареями? И нужно ли нам это? Вопросов много.
Производство солнечной энергии в условиях жаркой пустыни Сахара — сложная задача. Сильная жара снижает эффективность. Ещё одной проблемой является создание инфраструктуры, необходимой для доставки энергии в населённые пункты. Подумайте также о том, что фотоэлектрические элементы на основе кремния, возможно, не являются конечной точкой в развитии солнечных батарей. Фотоэлектрические элементы на основе перовскита имеют все шансы превзойти кремний. Они более эффективны, чем кремний, и исследователи часто бьют с ними рекорды энергии (в лабораториях). Смогут ли перовскитные фотоэлектрические элементы создать такой же «край» в спектре планеты?
Авторы не рассматривали конкретные технологические достижения, такие как перовскит, поскольку это выходит за рамки их статьи.
Суть в том, что солнечные батареи на основе кремния на поверхности планеты вряд ли создадут легко обнаруживаемую техносигнатуру. «Предполагая, что 8-метровый телескоп типа HWO сфокусирован на краю отражения в УФ-ВИС, и учитывая различное покрытие поверхности солнечными панелями на землеподобной экзопланете, соответствующее текущим и прогнозируемым потребностям в энергии, мы оцениваем, что для достижения SNR ~5 при высоком покрытии поверхности ~23% необходимо несколько сотен часов наблюдений», — пишут авторы.
Авторы также задаются вопросом, что это означает для шкалы Кардашёва и таких вещей, как сфера Дайсона. В этой парадигме ВЗР требуют все больше и больше энергии и в конце концов строят мегаинженерный проект, который собирает всю энергию, доступную от их звезды. Сфера Дайсона создаст мощную техносигнатуру, и астрономы уже ищут её.
Но если цифры, приведённые в этом исследовании, верны, мы можем никогда не увидеть такую сферу, потому что она будет не нужна.
«Мы обнаружили, что даже при значительном росте населения энергетические потребности человеческой цивилизации будут на несколько порядков ниже энергетического порога для цивилизации I типа по Кардашёву или сферы/роя Дайсона, использующего энергию звезды», — заключают авторы. «Это направление исследований позволяет пересмотреть полезность подобных концепций и потенциально решить один из важнейших аспектов парадокса Ферми: мы до сих пор не обнаружили никаких крупномасштабных инженерных разработок, возможно, потому, что передовые технологии могут в них не нуждаться».
