ทรงกลมไดสัน (Dyson sphere) สิ่งก่อสร้างขนาดใหญ่ล้อมรอบดาวฤกษ์
ค้นพบโอเอซิสโบราณ บนดาวอังคาร โดยยานคิวริออสซิตี้ ของนาซ่า
ค้นพบโอเอซิสโบราณ บนดาวอังคาร โดยยานคิวริออสซิตี้ ของนาซ่า
ตุลาคม 10, 2019

ไดสัน สเฟียร์ (Dyson sphere) หรือ ทรงกลมไดสันเป็นโครงสร้างสมมุติขนาดใหญ่ในระดับ “เมก้า สตรัคเจอร์ ” (Megastructure) ซึ่งโครงสร้างของ Dyson sphere นั้นใหญ่ในระดับที่สามารถครอบคลุมดาวฤกษ์ทั้งดวงเอาไว้ได้ โดยโครงสร้างเหล่านี้มีวัตถุประสงค์หลักๆเลยก็คือ การดักจับพลังงานของดาวฤกษ์ที่ปลดปล่อยออกมา แล้วนำพลังงานนั้นกลับมาใช้

ปัจจุบัน แนวคิดนี้ยังเป็นเพียง การทดลองทางความคิด ที่พยายามอธิบายถึงอารยธรรมที่ต้องการใช้ชีวิตอยู่ในอวกาศ อันเนื่องมาจากความต้องการของพลังงานที่เพิ่มมากขึ้น จนแหล่งพลังงานบนดาวเคราะห์ของพวกเขานั้นมีไม่เพียงพอ

อีกทั้งพลังงานที่ได้รับมาจากดาวฤกษ์นั้นยังถูกจำกัดอยู่แต่ในพื้นผิวส่วนน้อยของดาวเคราะห์ ดังนั้นเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพในการรับพลังงานให้ได้มากที่สุด การก่อสร้างโครงสร้างขนาดใหญ่มาล้อมรอบดาวฤกษ์จึงถือเป็นหนึ่งในทางเลือกที่สนใจเอามากๆ เพราะพลังงานที่ได้รับนั้นแทบไร้ขีดจำกัด

โดยคำอธิบายแรกเกี่ยวกับโครงสร้างสุดยิ่งใหญ่นี้ได้เคยถูกอธิบายเอาไว้โดย “โอลาฟ สเตเปิลดอน” (Olaf Stapledon) ในนิยายวิทยาศาสตร์ของเขาเรื่อง “สตาร์ เมคเกอร์” (Star Maker) ในปี ค.ศ. 1937 ซึ่งมีคำบรรยายอยู่ท่อนหนึ่งที่อธิบายว่า “ทุกๆระบบสุริยะ ถูกโอบล้อมเต็มไปด้วยตาข่ายดักแสง เพื่อนำพลังงานที่กระจายไป ได้ย้อนกลับมาใช้อย่างชาญฉลาด”

อารยธรรมก้าวหน้าในอวกาศอาจสามารถสร้าง Dyson sphere ได้
อารยธรรมก้าวหน้าในอวกาศอาจสามารถสร้าง Dyson sphere ได้

ต่อมาแนวคิดดังกล่าวก็กลับมาได้รับความนิยมอีกครั้งในปี ค.ศ.1960 โดยงานวิจัยที่ชื่อเรื่อง “การค้นหาแหล่งที่มาของรังสีอินฟราเรดจากดวงดาวประดิษฐ์” (Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation) ของ ฟรีแมนไดสัน (Freeman Dyson) ซึ่งเขาเป็นนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและนักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกัน

ไดสันพิจารณาว่าโครงสร้างดังกล่าวเป็นผลพวงมาจากความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นของอารยธรรมต่างดาวหากพวกเขาอยู่รอดมานานพอ ดังนั้นเขาจึงเสนอว่าการค้นหาโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ล้อมรอบดาวฤกษ์นั้น จะเป็นหนทางนำไปสู่การค้นพบสิ่งมีชีวิตนอกโลกทรงภูมิปัญญาได้ในท้ายที่สุด

อีกทั้งข้อมูลที่เสนอมาของได้สันนั้นยังมีความสัมพันธ์กันกับระดับความก้าวหน้าของเทคโนโลยีตามแนวคิดใน “คาเดเชฟ สเกล” (Kardashev scale) อีกด้วย โดย Kardashev scale นั้นถูกคิดค้นขึ้นมาโดย นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวโซเวียตและรัสเซียที่ชื่อ “นิโคไล คาเดเชฟ”  (Nikolai Kardashev) ในปี ค.ศ. 1964 ซึ่งเขาได้อธิบายถึงวิธีการตรวจวัดระดับของเทคโนโลยีในอารยธรรมนั้นๆไว้อยู่ 3 ระดับ ได้แก่ 

ระดับที่ 1: อารยธรรมดาวเคราะห์ (planetary civilization) ซึ่งในระดับนี้ อารยธรรมของสิ่งมีชีวิตทรงภูมิปัญญาจะสามารถใช้และกักเก็บพลังงานทั้งหมดบนดาวเคราะห์ของพวกได้

ระดับที่ 2: อารยธรรมดวงดาว (stellar civilization) ในระดับนี้ อารยธรรมของสิ่งมีชีวิตทรงภูมิปัญญาจะสามารถใช้และควบคุมพลังงานในระดับระบบสุริยะได้ สำหรับแนวคิดเรื่อง Dyson sphere ถูกจัดอยู่ในขั้นอารยธรรมนี้

ระดับที่ 3: อารยธรรมกาแลคซี (galactic civilization) และสุดท้ายนี้คือขั้นสูงสุดของการพัฒนาเทคโนโลยีในอารยธรรม ซึ่งหากมีเผ่าพันธ์ของสิ่งมีชีวิตใดสามารถพัฒนาตนเองจนมาอยู่ในระดับนี้ได้ พวกเขาก็จะสามารถควบคุมพลังงานทั้งหมดภายในแกแล็คซี่หลักของพวกเขาได้!

ฟรีแมนไดสัน Freeman Dyson จะเรียกว่าเป็นบิดาแห่งเรื่องนี้เลยก็ได้ จนได้รับขนานนามทุกๆแนวคิดเกี่ยวกับ สิ่งก่อสร้างรอบดาวฤกษ์ว่า Dyson sphere ตามชื่อของเขา เขาเกิดในปี ค.ศ. 1923 ปัจจุบันอายุ 95 ปี (2019)
ฟรีแมนไดสัน Freeman Dyson จะเรียกว่าเป็นบิดาแห่งเรื่องนี้เลยก็ได้ จนได้รับขนานนามทุกๆแนวคิดเกี่ยวกับ สิ่งก่อสร้างรอบดาวฤกษ์ว่า Dyson sphere ตามชื่อของเขา เขาเกิดในปี ค.ศ. 1923 ปัจจุบันอายุ 95 ปี (2019) ภาพจาก wikipedia/ioerror – Flickr

และเมื่อเรารู้ถึงระดับของอารยธรรมทั้ง 3 แล้วมามองย้อนกลับไปที่อารยธรรมของมนุษย์ เราก็จะเกิดคำถามขึ้นมาว่าแล้วเราอยู่ในระดับไหนของทั้ง 3 นี้ ซึ่งในคำถามนี้คุณ “มิชิโอะ คะกุ” (Michio Kaku) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและนักอนาคตวิทยาชาวอเมริกันก็เคยออกมาประเมินเอาไว้ว่า อารยธรรมของมนุษย์ ณ ขณะนี้ ยังพัฒนาไปไม่ถึงในระดับที่ 1 ในคาเดเชฟ สเกลเลย แต่ด้วยแนวโน้มของการบริโภคพลังงานงานบนโลกที่เพิ่มขึ้นมาเกือบ 4 เท่านับตั้งแต่ปี ค.ศ. 1965 นั้น ก็คาดว่า ภายในอีก 100 ถึง 200 ปีต่อไปจากนี้ มนุษย์อาจสามารถข้ามขีดจำกัดของอารยธรรมตัวเอง จนเข้ามาอยู่ในระดับที่ 1 หรือ อารยธรรมดาวเคราะห์ได้

ส่วนการจะพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อให้อารยธรรมได้ก้าวเข้าไปอยู่ในระดับ 2 หรือ อารยธรรมดวงดาวนั้น คาดว่ามนุษย์จำเป็นต้องใช้เวลาประมาณ 2 ถึง 3 หมื่นปีเป็นอย่างน้อย ส่วนอารยธรรมระดับ 3 หรืออารยธรรมกาแลคซีนั้นคาดว่า มนุษย์จำเป็นต้องใช้เวลาพัฒนาเทคโนโลยีนานถึง 1 แสนปีไปจนถึงนานสุดที่ 1 ล้านปี (ถ้าสายพันธ์ของเราอยู่รอดไปถึง)

และตั้งแต่ฟรีแมน ไดสัน ได้นำเรื่องของโครงสร้างวงล้อมเพื่อกักเก็บพลังงานรอบดาวฤกษ์มาพูดถึงในบทความวิชาการของเขา ก็ได้เกิดแนวคิดสำหรับการออกแบบวงล้อมในทางวิศวกรรมสำรวจ (exploratory engineering) รวมถึงมีการพูดถึงในนิยายวิทยาศาสตร์ขึ้นกันอย่างหลากหลายภายใต้ชื่อ “Dyson sphere” 

ความเป็นไปได้ในการก้าวข้ามขีดจำกัด

แม้ว่าโครงสร้างในระดับ Megastructures จะมีความเป็นไปได้ในทางทฤษฎี แต่สำหรับแผนการสร้างมันจริงๆในอวกาศของ Dyson sphere นั้น ในปัจุบันยังถือว่ามันยังอยู่เหนือขีดความสามารถในทางวิศวกรรมของมนุษย์ เพราะว่าเราจำเป็นต้องการยานอวกาศ, ทรัพยากร, แรงงาน และระบบขนส่งเป็นจำนวนมากเพื่อที่จะมาทำให้ Dyson sphere สมบูรณ์แบบ, แต่ในอุปสรรคของการสร้างทรงกลมไดสันในเรื่องของเวลา, แรงงาน และงบประมาณที่จะต้องใช้จ่ายไป “จอร์จ ดวอร์สกี” (George Dvorsky) นักชีวจริยธรรมและนักอนาคตวิทยาชาวแคนนาดามีก็มีทางออกให้อยู่ โดยเขาเสนอว่าเราควรใช้เทคโนโลยีหุ่นยนต์จำลองตัวเอง (self-replicating robots) มาเอาชนะข้อขีดจำกัดดังกล่าว

หุ่นยนต์จำลองตัวเอง machine self-replication
ตัวอย่างให้เข้าใจกันง่ายๆของหลักการ machine self-replication (ภาพจาก wikipedia/NASA)

เพราะหุ่นยนต์พวกนี้จะสามารถทำงานแทนแรงงานมนุษย์ได้ ซึ่งผลก็คือมันจะช่วยลดระยะเวลาในการสร้าง Dyson sphere เป็นอย่างมาก ซึ่งในเรื่องของเวลาที่ลดลงยังมีความสัมพันธ์ไปถึงงบประมาณและพลังงานที่จะต้องสูญเสียลดลงตามไปด้วย เพราะหุ่นยนต์เหล่านี้จะสามารถสร้างโครงสร้างต่างๆให้มีหน้าตาเหมือนตัวเองได้เรื่อยๆ เพียงแค่เราป้อนทรัพยากรให้กับมัน และเราก็จะพบว่า อัตราความก้าวหน้าของงานนั้นก็จะเพิ่มขึ้นเป็นเท่าตัวในแต่ละช่วงเวลาเลยทีเดียว

อีกทั้ง Dyson sphere ยังไม่ได้จำกัดแต่ว่า เราจะต้องใช้แต่ประเภทของดาวฤกษ์หลักที่ยังมีชีวิตอยู่ มาเป็นแหล่งดูดซับพลังงานเท่านั้น เพราะในทางทฤษฎีเรายังสามารถสร้าง Dyson sphere ขึ้นมาล้อมรอบแหล่งพลังงานอื่นๆได้อย่างเช่น ดาวแคระขาว หรือแม้กระทั่งดาวนิวตรอน!

ประเภทของทรงกลมไดสัน

Dyson sphere บ่อยครั้งที่มักถูกตีความว่าคือ สิ่งประดิษฐ์ทรงกลมกลวงของสสารรอบดาวฤกษ์ (an artificial hollow sphere of matter around a star) การตีความเช่นนี้เป็นผลมาจากการรับรู้และเข้าใจในงานวิจัยต้นฉบับของได้สันที่คาดเคลื่อนไป ซึ่งไดสัน มักจะตอบกลับและเน้นย้ำอยู่เสมอว่า  เปลือกแข็ง หรือ วงแหวนรอบดาวฤกษ์ นั้นมันเป็นไม่ได้ในทางกลศาสตร์ แต่สำหรับรูปแบบของ Biosphere ที่ประกอบกันขึ้นมาจากตัวเก็บพลังงานอย่างหลวมๆ หรือฝูงของวัตถุที่โคจรอยู่โดยรอบดาวฤกษ์กันอย่างอิสระต่างหาก ที่เขาพิจราณาถึง สำหรับประเภทของ Dyson sphere สามารถแยกออกมาได้เป็น 3 ประเภทหลักๆได้แก่ Dyson swarm, Dyson bubble และ Dyson shell

ภาพแสดงการจัดเรียงของวงแหวนไดสัน Dyson ring ภาพจาก wikipedia
ภาพแสดงการจัดเรียงของวงแหวนไดสัน Dyson ring ภาพจาก wikipedia

ประเภทที่ 1: Dyson swarm หรือ ฝูงไดสัน ไดสันประเภทแรกนี้ ถือว่าใกล้เคียงกับแนวคิดดั้งเดิมของไดสันที่สุด โดยมันจะประกอบกันขึ้นมาจากสิ่งก่อสร้างจำนวนมากที่เป็นอิสระจากกัน ซึ่งโดยปกติจะเป็นดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ สถานีอวกาศ หรือ อาณานิคมในอวกาศก็ได้ ที่โคจรกันอยู่อย่างหนาแน่นรอบดาวฤกษ์ ซึ่งข้อดีของวิธีก่อสร้างในประเภทนี้ก็คือ เราสามารถปรับขนาดและวงโคจรของตัวเองได้ตามความต้องการ รวมทั้งยังสามารถค่อยๆดำเนินงานสร้างอย่างช้าๆและสำเร็จไปทีละส่วนก็ได้ สำหรับการถ่ายโอนพลังงานระหว่างกันของฝูงยาน หรือโอนถ่ายพลังงานกลับมายังโลกนั้น จะใช้หลักการการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย (Wireless power transfer) เช่นเดียวกับเทคโนโลยีชาร์จแบตสมาร์ทโฟนไร้สายอย่างที่เราได้ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน

เมื่อวงแหวนไดสัน (Dyson rings) มีความซับซ้อนมายิ่งขึ้น
เมื่อวงแหวนไดสัน (Dyson rings) มีความซับซ้อนมายิ่งขึ้น ภาพจาก wikipedia

สำหรับการจัดวางตำแหน่งวงโคจรให้กับฝูงดาวเทียมนั้นค่อนข้างเป็นเรื่องที่ซับซ้อน แต่ถึงอย่างนั้นการจัดเรียงที่ง่ายที่สุดก็คือ การจัดเรียงแบบ “วงแหวนไดสัน” (Dyson ring) ก็คือโครงสร้างทั้งหมดจะถูกเรียงให้ต่อๆกันอยู่ในวงโคจรเดียวกัน สำหรับวงแหวนไดสันเพียงวงเดียวก็คงเป็นเรื่องที่ไม่ยุ่งยากสักเท่าไหร่ แต่หากวงแหวนมีรูปแบบที่มีความซับซ้อนขึ้นมากกว่านี้ เช่นวงแหวนอาจมีมากกว่า 1 ก็อาจสร้างปัญหาในเรื่องของการไปบดบังกันเองในวงโคจรได้ ซึ่งผลก็คืออาจไปทำให้สิ่งก่อสร้างเหล่านี้เกิดมีวงโคจรที่ทับซ้อนกัน รวมถึงปัญหาของความเป็นไปได้ต่างๆที่วงโคจรอาจถูกรบกวน  เช่นหากมีบางโครงสร้างเกิดมีปัญหาจนไปส่งผลให้วงโคจรลดลงหรือเพิ่มขึ้น ปัญหานี้ก็จะไปส่งผลต่อความสัมพันธ์ในเรื่องขององค์ประกอบต่างๆภายในวงโคจรที่เปลี่ยนไปได้

ประเภทที่ 2: Dyson bubble หรือ ฟองไดสัน ก็เป็นอีกประเภทหนึ่งของ Dyson sphere ซึ่งลักษณะของฟองไดสันนั้นจะคล้ายๆกับ Dyson swarm ในแบบแรก ซึ่งประกอบกันขึ้นมาจากสิ่งก่อสร้างที่เป็นอิสระจากกัน และสามารถสร้างแบบค่อยเป็นค่อยไปในทีละส่วนได้เช่นกัน ส่วนความแตกต่างในไดสันประเภทนี้กับประเภทแรกคือ โครงสร้างทั้งหมดจะไม่ได้ขึ้นอยู่กับวงโคจรรอบดาวฤกษ์แบบ Dyson swarm เพียงอย่างเดียว แต่ดาวเทียมทั้งหมดจะถูกทำให้เสมือนกับว่ากำลังลอยอยู่บนฟองขนาดใหญ่แทน (ตามชื่อของ Dyson bubble) 

โดยมีหลักการคือ สิ่งก่อสร้างทั้งหมดจะถูกการขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงที่มีอยู่อย่างมหาศาล หรือก็คือการใช้แรงดันจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์มาเป็น แรงต้านความโน้มถ่วงให้กับยานนั่นเอง (โดยหลักการนี้เป็นที่รู้จักกันในปัจจุบันในเทคโนโลยีของ “เรือใบสุริยะ” หรือ “โซลาร์แซล” (Solar sail)) ซึ่งการนำเทคโนโลยีเรือใบสุริยะนี้มาใช้ สิ่งก่อสร้างรอบดาวดวงอาทิตย์หรือดาวฤกษ์ทั้งหมด ก็จะไม่ตกอยู่ในภัยอันตรายของการชน หรือการบดบังกันเองอีกต่อไป เพราะดาวเทียมจะถูกทำให้ลอยอยู่คงที่ และประจำตำแหน่งเดิมอยู่เสมอ อีกทั้งยังยืดหยุ่นมากเพราะเป็นโครงสร้างอิสระจากกัน โดยอัตราของการแผ่รังสีต่อแรงโน้มถ่วงจากดาวฤกษ์ยังคงที่อีกด้วย (หากไม่คำนึงถึงระยะห่าง) ซึ่งผลดีก็คือมันจะไปส่งผลให้ดาวเทียมที่ใช้เทคโนโลยีเรือใบสุริยะ สามารถจะลอยถอยหนีห่างออกไปจากศูนย์กลางของดาวฤกษ์ในระยะที่เท่าๆกันเสมอ

การจัดวางตำแหน่งของตัวเก็บพลังงานรอบดาวฤกษ์ของฟองไดสัน หรือ Dyson bubble
ภาพจำลองการจัดวางตำแหน่งของตัวเก็บพลังงานรอบดาวฤกษ์ของฟองไดสัน หรือ Dyson bubble (ภาพจาก wikipedia)

แม้ว่าเราจะมีหลักการที่จะนำมาใช้อย่างสวยหรูเพียงใด แต่พอมาปฎิบัติจริง กลับเป็นเรื่องที่ยากมากในปัจจุบัน เพราะเรายังอยู่ในขั้นของการพัฒนาวิทยาศาสตร์ในเรื่องของวัสดุกันอยู่ และผลจากการวิเคราะห์ในทางทฤษฎีก็คือ หากเราจะสร้างดาวเทียมที่มีประสิทธิภาพสะท้อนแสงได้ 100 เปอร์เซ็นรอบดวงอาทิตย์ วัสดุที่เราจะต้องสร้างนั้นจะต้องมีความหนาแน่นอยู่ที่ 0.78 กรัมต่อตารางเมตรสำหรับใบเรือสุริยะ และจากการคำนวณมวลสารต่ำสุดที่เราจะต้องใช้สำหรับการสร้าง Dyson bubble อย่างสมบูรณ์รอบดวงอาทิตย์ที่ระยะห่าง 1 AU (หรือประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร) นั้น เราก็จะต้องมีมวลรวมกันเท่ากับ 2.17×1020 กิโลกรัม (หรือก็คือวัสดุสำหรับใช้สร้าง Dyson bubble อย่างสมบูรณ์ ก็จะต้องมีมวลรวมกันไม่น้อยกว่า 217,000 ล้านล้านตัน) และเพื่อให้เห็นภาพรวมว่ามวลสารดังกล่าวมีขนาดเท่าไหร่ จากการเปรียบเทียบก็คือมวลสารที่จำเป็นต่อการสร้างฟองไดสัน จะมีมวลขนาดพอๆกับดาวเคราะห์น้อย “พาลัส” (Pallas) ซึ่งเป็นดาวเคราะห์น้อยที่มีวงโคจรอยู่ระหว่างดาวอังคารและดาวพฤหัสบดี และมีขนาดใหญ่เป็นอันดับ 3 ในแถบดาวเคราะห์น้อย (asteroid belt) รองมาจากดาวเคราะห์น้อย ซีรีส (Ceres) และเวสตา (เล็กกว่าดาวเคราะห์น้อยเวสตา (vesta) นิดเดียว) โดยดาวเคราะห์น้อยพาลัสมีเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ที่ 512 กิโลเมตร

อย่างที่ได้บอกมาว่าวัสดุที่จำเป็นต้องใช้สำหรับการสร้างฟองไดสันที่สมบูรณ์นั้น จะต้องมีความหนาแน่นไม่มากกว่า 0.78 กรัมต่อตารางเมตร ซึ่งหากเราลองย้อนกลับมาดูความสามารถในการพัฒนาในทางวัสดุศาสตร์ (materials science) เพื่อใช้สำหรับการสร้างใบเรือสุริยะนั้นก็จะพบว่าเรายังไม่พร้อม โดยปัจจุบันการทดสอบสร้างใบเรือสุริยะด้วยวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์อย่างบางสุดที่ทำได้ก็คือ (ไม่รวมตัวยาน) 3 กรัมต่อตารางเมตร ซึ่งยังคงหนักมากถึง 4 เท่ากับความต้องการในทางทฤษฎีสำหรับการสร้างฟองไดสัน 

ในขณะที่แผ่นแกรฟีน (graphene) ที่สร้างขึ้นมาจากการจัดเรียงอะตอมคาร์บอนในแบบ 2 มิตินั้นจะสามารถสร้างให้มีความหนาแน่นได้น้อยลงถึง 0.37 มิลลิกรัมต่อตารางเมตรก็ตาม แต่จากการทดสอบในปี ค.ศ.2015 ก็พบว่า ปัจจุบันเรายังไม่สามารถพัฒนาแกรฟีนให้เป็นแผ่นขนาดใหญ่ได้ 

โครงสร้างของ แกรฟีน (Graphene) ซึ่งเกิดจากการจัดเรียงอะตอมคาร์บอนในแบบ 2 มิติ
โครงสร้างของ แกรฟีน (Graphene) ซึ่งเกิดจากการจัดเรียงอะตอมคาร์บอนในแบบ 2 มิติ (ภาพโดย wikipedia/AlexanderAlUS)

สำหรับการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ของแผ่นแกรฟีนจะอยู่ที่ประมาณ 2.3 เปอร์เซ็น (โดยอนุภาคแสงกว่า 97.7 เปอร์เซ็นก็จะสามารถหลุดลอดผ่านออกไปได้) แต่ถึงอย่างนั้นประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าในแผ่นแกรฟีนนั้น ถือว่ายังอยู่ในอัตราที่สูงมาก ตั้งแต่ 50 ถึง 100 เปอร์เซ็นเลยทีเดียว หรือมากกว่าเป็นสองเท่าของ แผงโซล่าเซลล์ที่ทำมาจากซิลิกอน อีกทั้งมันยังมีความหยุ่นและแข็งแกร่งมากกว่าแผ่นเหล็กที่ความบางเดียวกันถึง 100 เท่า โดยแผ่นแกรฟีนที่มีน้ำหนัก 0.77 มิลลิกรัมขนาด 1 ตารางเมตร จะสามารถรองรับน้ำหนักของแมวได้มากถึง 4 กิโลกรัม! จัดได้ว่าเป็นวัสดุอีกทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจในอนาคต เช่นเราอาจนำแผ่นแกรฟีนเหล่านี้มาวางเรียงซ้อนต่อๆกันเป็นใบเรือสุริยะ เราก็จะได้ใบเรือที่มีทั้งความแข็งแรง, เบาบาง และยังผลิตพลังงานไฟฟ้าออกมาได้อย่างมีประสิทธิภาพมากๆ

อีกหนึ่งวัสดุที่ปัจจุบันเราสามารถทำให้บางจนใกล้เคียงกับในทางทฤษฎีก็คือ เทคโนโลยี Ultra-light carbon nanotubes หรือ เทคโนโลยีท่อคาร์บอนนาโน ซึ่งเราสามารถผลิตให้มันมีความหนาแน่นได้น้อยลงมาถึง 1.3 ถึง 1.4 กรัมต่อตารางเมตร แต่สำหรับอารยธรรมที่มีการพัฒนาพร้อมแล้ว ก็จะสามารถเริ่มใช้เทคโนโลยีท่อคาร์บอนนาโนนี้ได้เลย เพราะมันยังสามารถปรับแต่งให้มีความหนาแน่นลดน้อยลงมาเหลือที่ 0.7 กรัมต่อตารางเมตรได้อยู่ ส่วนสายโยงเสากระโดงเรือ หรือ ระโยง นั้นจะต้องมีความหนาแน่นไม่น้อยกว่า 0.3 กรัมต่อตารางเมตร

เทคโนโลยีเรือใบสุริยะ หรือ Solar sail ที่อาศัยการเคลื่อนที่จากแรงดันแสงอาทิตย์
เทคโนโลยีเรือใบสุริยะ หรือ Solar sail ที่อาศัยการเคลื่อนที่จากแรงดันแสงอาทิตย์ (ภาพจาก wikipedia/Andrzej Mirecki)

แต่สำหรับการจะสร้างเรือใบสุริยะให้เป็นแหล่งที่อยู่อาศัยได้ องค์กร L5 Society ซึ่งก่อตั้งขึ้นมาเพื่อนำเสนอแผนการสร้างอานานิคมในอวกาศระบุว่า ให้ใช้แนวคิดของนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันนามว่า “เจอราร์ด เค. โอนีลล์” ( Gerard K. O’Neill) ในชื่อ “โอนีลล์ไซลินเดอร์” (O’Neill cylinder) ซึ่งเป็นอานานิคมในอวกาศรูปทรงกระบอก และมีพื้นที่ภายในมากถึง 500 ตารางกิโลเมตร ซึ่งเพียงพอต่อการอยู่อาศัยของประชากรจำนวน 1 ล้านคน โดยโครงสร้างจะมีมวลอยู่ที่ 3 ล้านตัน และสามารถรองรับใบเรือสุริยะขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางยาวถึง 3,000 กิโลเมตร ซึ่งเป็นขนาดพอๆกับดวงจันทร์ยูโรป้าของดาวพฤหัสบดีเลยทีเดียว เพียงแต่จะแตกต่างกันที่มวลและรูปทรง และเมื่อรวมเอาทั้งมวลของผู้คนอาศัยและโครงสร้างยานอานานิคมทั้งหมดก็จะมี มวลมากถึง 5.4 ล้านตัน อย่างไรก็ตามแนวคิดของ โอนีลล์ไซลินเดอร์ ยังห่างไกลมากสำหรับความเป็นไปได้ในปัจจุบัน เพราะเรายังมีข้อจำกัดในการสร้าง ทั้งในเรื่องของปริมาณวัสดุที่ต้องผลิต รวมถึงแรงงาน, การการขนส่ง, พลังงาน และงบประมาณเป็นต้น

ประเภทที่ 3: Dyson shell หรือเปลือกไดสัน สำหรับ Dyson sphere ประเภทนี้มักจะปรากฎอยู่ในงานประพันธ์ทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ ที่ส่วนใหญ่จะอธิบายถึงสิ่งประดิษฐ์เปลือกแข็งของสสารขนาดใหญ่มากๆของอารยธรรมล้ำสมัย ที่โครงสร้างดังกล่าวใหญ่โตพอที่จะบรรจุดาวฤกษ์ทั้งดวงเอาไว้อยู่ภายในใจกลางได้อย่างสบายๆ อีกทั้งโครงสร้างประเภทของ Dyson shell นี้ยังสามารถกักเก็บพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากดาวฤกษ์ได้เต็ม 100 เปอร์เซ็น และในบางส่วนพื้นผิวของ Dyson shell ยังสามารถใช้เป็นแหล่งที่อยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิตได้อีกด้วย

ความใหญ่โตของรัศมี Dyson shell จะมีขนาดพอๆกับระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ หรือที่ระยะประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร (1 AU) โดยพื้นที่ด้านในของเปลือกไดสันจะแผ่ขยายไปได้มากสุดถึง 280,000 ล้านล้านตารางกิโลเมตร (2.8×1017 km2) ซึ่งใหญ่กว่าพื้นผิวของโลกรวมกันทั้งหมดถึง 550 ล้านเท่า! โดยพลังงานที่ดวงอาทิตย์สามารถปลดปล่อยออกมา มีค่าพลังงานเท่ากับ 384.6 ยอตตะวัตต์ (3.846 × 1026 watts) ซึ่งว่ากันว่าด้วยเทคโลโนยี Dyson shell จะสามารถดักจับพลังงานได้ใกล้เคียงกับค่าสูงสุด (ณ วิวัฒนาการปัจจุบันของดวงอาทิตย์) หรือเทียบเท่าได้กับ 33 ล้านล้านเท่า ของปริมาณการบริโภคพลังงานทั้งหมดของมวลมนุษยชาติในยุคปี ค.ศ. 1998 ซึ่งในปีนั้นมนุษย์ใช้พลังงานไฟฟ้ารวมกันอยู่ที่ 12 เทระวัตต์

รัศมีของเปลือกไดสัน (Dyson shell) จะเท่ากับ 1 AU หรือประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร

รัศมีของเปลือกไดสัน (Dyson shell) จะเท่ากับ 1 AU หรือประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร

ซึ่งการที่นักวิทยาศาสตร์มองว่า Dyson sphere ประเภทที่ 3 นี้ มีความเป็นไปได้ยากนั่นก็เพราะ มีโอกาสที่เปลือกไดสันจะสามารถพังทะลายลงมาได้หากมีความไม่สมบูรณ์เพียงเล็กน้อย!

ถึงแม้ว่าแรงโน้มถ่วงภายในเปลือกทรงกลมกลวงของไดสันประเภทนี้จะมีค่าแทบจะเป็นศูนย์ และสามารถล่องลอยไปอย่างสัมพัทธ์กับใจกลางของดาวฤกษ์ได้ก็ตาม แต่ปัญหามีอยู่ว่าหากเกิดมีการเคลื่อนไหวที่ผิดปกติไปอย่างใดอย่างหนึ่ง ไม่ว่าจะเป็นการที่ดาวฤกษ์ได้เคลื่อนที่เร่งขึ้นแบบผิดปกติ หรือเปลือกไดสันได้เคลื่อนที่เร็วกว่าหรือช้า สถาณการณ์เช่นนี้อาจค่อยๆเกิดขึ้นอย่างช้าๆและในท้ายที่สุดหายนะสูงสุดก็จะตามมา นั่นก็คือ การชนกันเองระหว่างดาวฤกษ์ที่อยู่ภายในกับเปลือกไดสัน! ดังนั้นเพื่อหลีกเลี่ยนปัญหาการปะทะกันนี้เปลือกไดสันจึงจำเป็นจะต้องมีระบบขับดันภายในตัวเองทุกฝั่ง เพื่อคอยมาปรับจูนระยะห่างของรัศมีระหว่างใจกลางดาวฤกษ์กับเปลือกไดสันให้อยู่ในระยะที่สมดุลอยู่เสมอ

แต่สำหรับความกังวลของผู้คนที่อาศัยอยู่บนเปลือกด้านในของ Dyson shell ที่เกรงว่าตัวเองอาจตกลงไปสู่ใจกลางของดาวฤกษ์และมอดไหม้ไปนั้น เราแทบจะคลายความกังวลไปได้เลย เพราะแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์นั้น จะไม่มีปฏิสัมพันธ์ใดๆต่อเปลือก Dyson shell 

อีกทั้งยังมีการนำเสนอว่า ควรสร้างแหล่งที่อยู่อาศัยขึ้น ในลักษณะของการจัดวางตำแหน่งให้อยู่ระหว่างกันของจุดศูนย์กลางทรงกลม และอาศัยแรงเหวี่ยงของการโคจรรอบดาวฤกษ์บางส่วนภายใน มาช่วยสร้างแรงโน้มถ่วงเทียมขึ้นมาตามแนวแกนหมุนรอบเส้นศูนย์สูตรของเปลือกไดสัน ซึ่งในกรณีนี้ก็จะคล้ายๆกับแนวคิดของ แลร์รี่ ไนเวน (Larry Niven) ในชื่อ “วงแหวนไนเวน” (Niven ring) จากนิยายวิทยาศาสตร์สุดคลาสสิคเรื่อง Ringworld 

นิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง Ringworld โดย Larry Niven จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราสร้างวงแหวนพร้อมเป็นแหล่งอยู่อาศัยรอบดาวฤกษ์
นิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง Ringworld โดย Larry Niven จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราสร้างวงแหวนพร้อมเป็นแหล่งอยู่อาศัยรอบดาวฤกษ์

แต่สำหรับการไปอาศัยอยู่ทางฝั่งนอกของทรงกลมไดสันจะเกิดปัญหาอยู่อย่างหนึ่งก็คือ ผู้คนทางฝั่งไกลจะขาดแสงสว่างจากดาวฤกษ์ เนื่องจากโครงสร้างของ Dyson shell นั้น แทบจะไม่ปล่อยให้พลังงานแสงได้เล็ดลอดออกมาได้เลย ดังนั้นเราอาจแก้ปัญหานี้ได้ด้วยวิธีการผลิตแสงเทียมขึ้นมาใช้เอง หรือไม่ก็ยอมให้บางส่วนของพื้นผิวบนเปลือกไดสัน ได้มีลักษณะโปร่งแสงบ้างเป็นต้น

ในขณะที่เรื่องความแข็งแรงของเปลือกไดสันก็มีความสำคัญไม่แพ้กันสำหรับการสร้าง Dyson shell เช่นหากมีการก่อสร้างที่ระยะห่าง 1 AU (ประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร) วัสดุที่จะนำมาใช้ก็จะต้องแข็งแกร่งพอจะสามารถทนแรงบีบอัดได้ เพื่อป้องกันการระเบิดหรือถูกหลอมละลายไปอันเนื่องมาจากการเสียดสีของสสารที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์มากระทำ อีกทั้งหากมีแรงใดๆก็ตามมากระทบอย่างรุนแรงบนโดม ก็อาจส่งผลกระทบตามไปยังส่วนอื่นๆของเปลือกได้ในรูปแบบของคลื่นกระแทก ซึ่งในปัจจุบันเรายังไม่รู้เลยว่า จะมีทฤษฎีของวัสดุแบบไหน ที่จะแข็งแกร่งพอ และทนทานต่อแรงกดดันอันมหาศาลนี้ อีกทั้งปัจจุบันเรายังไม่มีวัตถุดิบมากพอจะมาสร้าง Dyson shell ยิ่งการจะสร้างเปลือกมารอบรอบดวงอาทิตย์ที่ระยะห่าง 1 AU นั้นยิ่งเป็นไปได้ยากใหญ่เลย 

โดยเรื่องปริมาณวัตถุดิบที่จำเป็นใช้สร้างเปลือกได้สันขนาดใหญ่รอบดาวฤกษ์ ในปี ค.ศ. 2006 “แอนเดอรส์ แซนด์เบิร์ก” (Anders Sandberg) ก็เคยคำนวณเอาไว้ในบทความวิจัยของเขาว่า เราต้องมีมวลเท่าไหร่จึงจะเพียงพอต่อการสร้าง Dyson shell ซึ่งเขาก็บอกว่าเราต้องมีสสารอย่างน้อย 182,000 ล้านล้านล้านตัน (1.82×1026 kg) จึงจะเพียงพอต่อการสร้างเปลือกไดสันให้มีมวล 600 กิโลกรัมต่อตารางเมตร และมีความหนาที่อยู่ที่ 8-20 เซ็นติเมตร (ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของวัสดุที่นำมาใช้) รอบดวงอาทิตย์ระยะห่างหนึ่งหน่วยดาราศาสตร์ (1AU) ซั่งนับว่าเป็นมวลมหาศาลมาก ในขณะที่มวลเข้าถึงได้ยากของแกนดาวเคราะห์แก๊สยักษ์เดี่ยวๆ นั้นยังเพียงพอต่อการสร้างเปลือกไดสันให้มีมวลได้เพียงแค่ 42 กิโลกรัมต่อตารามเมตรเท่านั้น (ที่ระยะห่าง 1 AU เท่ากัน)

แนวคิดสุดล้ำของ Niven ring เมื่อเราได้เห็นภาพจำลองนี้แล้วต้องบอกได้เลยว่ายิ่งใหญ่จริงๆ
แนวคิดสุดล้ำของ Niven ring เมื่อเราได้เห็นภาพจำลองนี้แล้วต้องบอกได้เลยว่ายิ่งใหญ่จริงๆ

อีกทั้งด้วยการที่ Dyson shell เป็นโครงสร้างขนาดใหญ่มากๆ ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงไม่ได้เลยที่จะถูกชนอย่างรุนแรงด้วยดาวเคราะห์น้อย หรือดาวหาง นี้จึงทำให้ระบบการป้องกันภัยต่างๆจึงยากที่จะเข้าถึงได้ทันท่วงที ซึ่งประโยชน์อย่างหนึ่งดวงอาทิตย์ก็คือ มันสามารถปล่อยคลื่นพลังงานไปเบี่ยงเบนวิถีวงโคจรที่เฉียดเข้ามาใกล้ของวัถตุต่างๆในอวกาศได้

ในปี ค.ศ. 2014 พอล เบิร์ช (Paul Birch) ซึ่งเป็นวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ และนักเขียนชาวอังกฤษ ก็เคยเสนอว่า แทนที่เราจะไปสร้างโครงสร้างขนาดใหญ่ไปห่อหุ้มดาวฤกษ์ สู้เราไปสร้างมันอยู่โดยรอบดาวเคราะห์ขนาดใหญ่อย่างเช่นดาวพฤหัสบดี (ในชื่อแนวคิด “Supra-Jupiter”) จะง่ายกว่ามาก และมีความเป็นไปได้มากกว่า

แนวคิด "Supra-Jupiter" คือการสร้างวงแหวนอยู่อาศัยรอบดาวพฤหัสบดี
แนวคิด “Supra-Jupiter” คือการสร้างวงแหวนอยู่อาศัยรอบดาวพฤหัสบดี

Dyson sphere ประเภทอื่นๆ

ทรงกลมไดสันประเภทอื่นๆที่คาดว่าอาจมีความเป็นไปได้ประเภทแรกก็คือ Dyson net มันก็คือเครือข่ายของสายเคเบิลขนาดใหญ่รอบดาวฤกษ์ ซึ่งสามารถใช้เก็บพลังงานจากดาวฤกษ์และส่งถ่ายพลังงานภายในเครือข่ายระหว่างกันได้ โดยข้อดีของ Dyson net นั้นจะสามารถช่วยให้เราลดทรัพยากรและต้นทุนสำหรับใช้สร้างทรงกลมไดสันลงมามาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในประเภทของ Dyson shell หรือ bubble อย่างไรก็ตามสายเคเบิลเองก็จะต้องมีความแข็งแกร่งเป็นอย่างมาก มิฉะนั้นโครงข่ายทั้งหมดอาจพังทลายลงมาได้ จากผลกระทบของแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์

ทรงกลมไดสันในประเภทอื่นๆถัดไปก็คือ Bubbleworld หรือ ฟองโลก จัดได้ว่ามันคือโครงสร้างของสิ่งประดิษฐ์ที่ประกอบไปด้วย shell หรือเปลือกของแหล่งอยู่อาศัยในอวกาศรอบดาวแก๊สไฮโดรเจน ซึ่งแต่ละ shell จะประกอบไปด้วยอากาศ, ผู้คน, บ้าน, เครื่องเรือน, ถนน, และอื่นๆ โดยไอเดียนี้ถูกฉุกคิดขึ้นมาเพื่อมาตอบคำถามว่า “อะไรคืออาณานิคมอวกาศที่ใหญ่ที่สุดที่เราจะสามารถสร้างได้?” อย่างไรก็ตามอาณานิคมอวกาศอันยิ่งใหญ่นั้นจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้เลยหากปราศจากแหล่งพลังงานที่เพียงพอ  แน่นอนจากทฤษฎีบอกว่า shell เหล่านี้จะลอยอยู่เหนือดาวแก๊สยักษ์ ซึ่งในทางทฤษฎีนั้นเราสามารถปิดล้อมดาวแก๊สเหล่านี้ด้วยเปลือกแข็งได้หากมีระยะห่างที่พอเหมาะและไม่ใกล้พื้นผิวดาวจนเกินไป โดยแหล่งพลังงานสำหรับผู้คนที่อาศัษอยู่บน shell นั้น จะมาจากการดักจับพลังงานความร้อนบนดาวแก๊สยักษ์มาใช้ ซึ่งแนวคิดนี้มีการเปิดเผยเอาไว้ในนวนิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง “เอเซลเลอรันโด” Accelerando ในปี ค.ศ. 2005 ที่เขียนโดยนักเขียนชาวอังกฤษที่ชื่อ “ชาร์ล สตรอส” (Charles Stross) ซึ่งเขาได้เสนอถึงการเลือกให้ใช้ดาวเสาร์ มาเป็นแหล่งที่อยู่อาศัยแห่งใหม่ ให้กับมนุษย์โลก

เคลื่องยนต์ดาวฤกษ์ Stellar engine จะเกิดอะไรขึ้นหากเรานำดวงอาทิตย์มาใช้เป็นแหล่งพลังงานขับเคลื่อนให้กับระบบสุริยะเรา แน่นอนเราก็จะสามารถเคลื่อนที่ไปในที่ต่างๆของแกแล็คซี่ได้อย่างอิสระ!

ทรงกลมไดสันอื่นๆในประเภทสุดท้ายก็คือ Stellar engine หรือ เครื่องยนต์ดาวฤกษ์ โดยโครงสร้างในแบบสุดท้ายนี้ก็ถือเป็นหนึ่งในโครงสร้างสมมติขนาดใหญ่ระดับ megastructures เช่นกัน ซึ่งมีวัตถุประสงค์ก็คือการดึงพลังงานจากดาวฤกษ์มาใช้ เพื่อมาเป็นแหล่งพลังงานให้สำหรับโครงการอะไรบางอย่างที่จำเป็นต้องใช้พลังงานมหาศาลมาก ยกตัวอย่างเช่น สิ่งก่อสร้างที่เรียกว่า “แมทริโอชิคา เบรน” (Matrioshka brain) ที่ถูกนำเสนอเอาไว้โดย “โรเบิร์ต เจ. แบรดบูรี่” (Robert J. Bradbury) ซึ่งเขาได้อธิบายถึงอารยธรรมก้าวหน้าที่ได้ใช้พลังงานจากดาวฤกษ์ (โดยอิงข้อมูลพื้นฐานมาจาก Dyson sphere) มาเป็นแหล่งพลังงานให้กับเครื่องยนต์ขับดันที่ชื่อว่า “ชเคดอฟ” (Shkadov thrusters) แน่นอนว่าจุดประสงค์ของการทำเช่นนี้ก็เพื่อขับเคลื่อนระบบดวงดาว ให้ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมๆกันในทิศทางที่ต้องการได้ และอีกแนวคิดที่น่าสนใจก็คือการใช้หลุมดำมาเป็นตัวเร่งประสิทธิภาพให้กับขั้นตอนการแปลงเปลี่ยนสสารให้เป็นพลังงาน โดยหลุมดำที่เลือกนำมาใช้นั้นจะมีขนาดเล็กกว่าดาวฤกษ์

สรุป

สำหรับแนวคิดเรื่องของโครงสร้างหรือสิ่งก่อสร้างขนาดใหญ่ที่ล้อมรอบดาวฤกษ์นั้นถูกนำเสนอขึ้นมานานแล้วตั้งแต่ในปี ค.ศ. 1937 ในนิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง “สตาร์ เมคเกอร์” (Star Maker) ซึ่งต่อมา ในปี ค.ศ. 1960 ฟรีแมนไดสัน จึงได้หยิบยกเรื่องนี้มาพูดถึงในงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของตนเองอย่างจริงจัง เพื่อออกตาหาอารยธรรมต่างดาว ที่อาจมีเทคโนโลยีล้ำหน้าพอที่จะสร้างแหล่งเก็บพลังงานรอบดาวได้ จนต่อมาก็มีนักวิทยาศาสตร์และนักเขียนหลายๆท่านต่างก็หันมาสนใจถึงสิ่งก่อสร้างดังกล่าว จนเป็นที่รู้จักกันในชื่อของ Dyson sphere หรือทรงกลมไดสันมานับตั้งแต่นั้น ปัจจุบันมีการจัดประเภทของ Dyson sphere เอาไว้อยู่อย่างหลากหลายมาก แต่หลักๆที่มีการพูดถึงอยู่บ่อยๆก็คือ Dyson swarm, Dyson bubble และ Dyson shell

Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
YouTube
กลับสู่บนสุด