[논문 리뷰] Are Black Hole Starships Possible

Louis Crane, Shawn Westmoreland|ArXiv.org|2009. 08. 12.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 15인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 1–6 애터미터의 반지름을 가진 작고 일시적인 블랙홀(SBHs)을 이용해 항성 간 우주선의 추진력으로 사용할 수 있는지의 가능성을 조사한다. 이러한 SBHs가 방출하는 화이트홀 복사(허킹 복사)를 활용함으로써, 최대 몇 페타와트의 에너지를 방출할 수 있으며, 이 에너지를 효율적으로 수집할 수 있다면, 백년대에 걸쳐 10% 빛의 속도에 도달할 수 있는 거대한 우주선을 가속화할 수 있는 추진 시스템을 제안한다. 이는 블랙홀의 안정화 또는 재충전이 가능하다는 전제 하에 성립한다.

ABSTRACT

We investigate whether it is physically possible to build starships or power sources using the Hawking radiation of an artificial black hole as a power source. The proposal seems to be at the edge of possibility, but quantum gravity effects could change the picture.

연구 동기 및 목표

• 인간이 만든 블랙홀이 허킹 복사를 통해 항성 간 우주선의 실용적인 에너지원이 될 수 있는지 평가하는 것.
• 항성 간 항행을 위해 충분한 에너지를 생성하기 위해 필요한 최소한의 블랙홀 크기와 질량을 결정하는 것.
• 이러한 블랙홀을 생성하고 유지하는 데 있어 기술적 및 에너지적 과제를 평가하는 것.
• 암반물질 추진 및 원자력 추진과 비교했을 때 블랙홀 추진의 효율성과 안전성 평가.
• 미래에 양자 중력 효과가 이 개념의 가능성에 영향을 줄 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 일반 상대성이론과 블랙홀 열역학을 사용하여 반지름 1–6 애터미터의 작은 블랙홀(SBHs)의 허킹 복사 모델링.
• 허킹 온도와 빛의 강도 공식을 사용하여 질량과 수명에 따라 SBH의 에너지 출력 계산.
• 우주선을 빛의 10% 속도로 가속화하기 위해 필요한 에너지를 추정하고, 그 에너지를 SBH의 수명 기간 동안 방출되는 총 에너지와 비교.
• 특히 태양 근처에서 태양 에너지로 구동되는 집중된 감마선 레이저를 이용해 SBH를 생성하는 것이 가능한지 평가.
• 중력 붕괴를 통해 블랙홀을 형성하기 위해 고에너지 감마선을 어떻게 봉인하고 조작할 수 있는지에 대한 기술적 과제 평가.
• 초기 블랙홀 생성을 위한 태양 에너지로 구동되는 감마선 레이저를 포함한 다단계 시스템을 제안하고, 이후 재충전 또는 에너지 공급 메커니즘 가능성 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수명이 1,000~10,000년인 작은 인공 블랙홀(SBHs)이 항성 간 항행을 위한 충분한 허킹 복사를 방출할 수 있는가?
• RQ2 우주선을 빛의 10% 속도로 가속화하기 위해 필요한 최소한의 블랙홀 반지름과 질량은 얼마인가?
• RQ3 집중된 감마선 레이저를 태양 에너지로 구동하여 이러한 블랙홀을 생성하는 것은 물리학적으로도 기술적으로도 가능한가?
• RQ4 SBH에서 방출되는 허킹 복사를 얼마나 효율적으로 수집하고 추진력으로 전환할 수 있는가?
• RQ5 양자 중력 효과가 이 추진 메커니즘의 가능성에 영향을 줄 수 있는가 또는 증진시킬 수 있는가?

주요 결과

• 반지름 5.9 애터미터(질량 약 397만 톤)의 블랙홀은 약 3 페타와트의 복사 에너지를 방출하며, 10% 에너지 변환 효율을 가정할 경우, 약 200년 동안 397만 톤의 우주선을 빛의 10% 속도로 가속화하는 데 필요한 에너지를 이론적으로 제공할 수 있다.
• 반지름 1–6 애터미터(질량 약 67만 3,000톤에서 404만 톤) 사이의 SBHs는 추진 목적에 가장 적합한 범위로 확인되었으며, 이는 충분한 에너지를 방출하면서도 유용한 수명을 가지기 때문이다.
• 수명 1,000년의 블랙홀(반지름 약 5.9 애터미터)은 약 3 페타와트를 방출하지만, 에너지 변환 효율이 떨어지므로 빛의 10% 속도로의 항행을 위해 약 200년이 걸린다.
• 이러한 블랙홀을 생성하는 데 필요한 에너지는 태양 에너지 수집 범위 내에 있다: 태양으로부터 100만 km 떨어진 곳에 위치한 370km × 370km 크기의 태양 전지판이 1년 동안 수집할 수 있는 에너지는 2.2 애터미터의 SBH를 생성하는 데 충분하다.
• 에너지 3–16GeV의 감마선 레이저(핵자의 콤퍼튼 반지름과 유사한 파장)를 사용하여 에너지를 집중시켜 SBH를 형성할 수 있으며, 기술적 과제는 여전히 크다.
• 암반물질과 달리, 블랙홀 추진은 자가 유지되며 본질적으로 안정적이며, 물질이 빠져들어가면서 질량이 증가하므로 장기적인 에너지원으로서 더 유망할 수 있다. 반면 암반물질은 대규모 봉인 장치가 필요하고 생산 효율이 매우 낮다(약 10^-7에서 10^-4).