Kann einem Schwarzen Loch Energie entzogen werden? Wissenschaftler schlagen einen verrückten neuen Plan vor
Seit Jahrzehnten lösen Wissenschaftler ein schwieriges physikalisches Problem: Könnten die riesigen Energiemengen, die theoretisch von Schwarzen Löchern erzeugt werden, jemals von der Menschheit genutzt werden?
Wenn zukünftige Gesellschaften diese große Leistung irgendwie vollbringen könnten, würde es den Anschein haben, dass die Energieversorgung entfernter galaktischer Zivilisationen sichergestellt wäre - und jetzt haben Wissenschaftler eine neue Erklärung dafür, wie eine solche Gewinnung eines Tages möglich werden könnte.
Schwarze Löcher sind normalerweise von einer heißen Suppe aus Plasmapartikeln umgeben, die ein Magnetfeld tragen, erklärt der Astrophysiker Luca Komisso von der Columbia University.
Unsere Theorie zeigt, dass die Magnetfeldlinien, wenn sie sich auf die richtige Weise trennen und wieder verbinden, Plasmapartikel auf negative Energien beschleunigen und große Mengen an Energie des Schwarzen Lochs extrahiert werden können.
Comissos neue Arbeit, die gemeinsam mit dem Physiker Felipe A. Asenjo von der Adolfo Ibanez Universität in Chile verfasst wurde, präsentiert ein neues Prisma, um zu sehen, wie die Energiegewinnung aus einem Schwarzen Loch funktionieren könnte.
Aufgrund ihrer extremen Masse ist es nur natürlich anzunehmen, dass Schwarze Löcher auch enorme Mengen an Energie enthalten. Leider ist all dies am "Boden" der Raumzeit verriegelt.
Roger Penrose, ein bedeutender Physiker und Mathematiker an der Universität von Oxford, schlug eine geniale Methode vor. Beim sogenannten Penrose-Prozess kann Energie theoretisch aus einem Bereich außerhalb des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs, der sogenannten Ergosphäre, extrahiert werden, in dem die Raumzeit durch die Drehung des Schwarzen Lochs verzerrt wird.
Penroses Berechnungen zeigten, dass, wenn sich ein Teilchen innerhalb der Ergosphäre in zwei Teile aufspaltet, von denen einer in den Ereignishorizont fällt und der andere der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs entgeht, die vom außer Kontrolle geratenen Objekt freigesetzte Energie theoretisch extrahiert werden kann.
Diese Idee wurde von Wissenschaftlern in einem vor wenigen Monaten veröffentlichten Artikel experimentell bestätigt, aber es ist nicht der einzige vorgeschlagene Weg, die Energie eines rotierenden Schwarzen Lochs zu nutzen.
Hawking-Strahlung, basierend auf quantenmechanischer Strahlung, ist ein weiterer Weg, der als Blandford-Znajek-Prozess bekannt ist, bei dem Energie elektromagnetisch durch ein Magnetfeld um ein Schwarzes Loch extrahiert werden kann.
Der Magnetismus spielt auch eine zentrale Rolle in der Analyse von Commissiono und Asenjo - insbesondere wenn die Kraftlinien eines Magnetfelds brechen und sich innerhalb der Ergosphäre wieder vereinigen -, ändert aber auch einige der Ideen des Penrose-Prozesses.
Da magnetische Wiederverbindungen außerhalb des Ereignishorizonts stattfinden - Plasmapartikel werden auf Geschwindigkeiten beschleunigt, die sich der Lichtgeschwindigkeit in zwei verschiedenen Richtungen nähern - kann ein Plasmastrom in den Ereignishorizont fallen und der andere entweicht.
Aus Sicht des Schwarzen Lochs wird das fallende Teilchen mit einer negativen Energiemenge ausgestattet. Von außerhalb des Schwarzen Lochs hat das austretende Teilchen eine positive Energie, die zum Arbeiten gebracht werden kann.
Mit dieser Methode können austretende Ströme von Plasma mit Energiezusatz theoretisch als praktisch unbegrenzte Quelle freier Energie dienen, solange das Schwarze Loch weiterhin Plasma mit negativer Energie verbraucht.
Wir haben berechnet, dass der Plasmaanregungsprozess einen Wirkungsgrad von 150 Prozent erreichen kann, was viel höher ist als bei jedem auf der Erde betriebenen Kraftwerk, erklärt Asenjo.
Das Erreichen von Wirkungsgraden von mehr als 100 Prozent ist möglich, da Schwarze Löcher Energie durchlassen, die beim Verlassen des Schwarzen Lochs an Plasma abgegeben wird.
Es ist zwar unwahrscheinlich, dass wir diese Energie jemals aus praktischer Sicht realistisch nutzen können, dies bedeutet jedoch nicht, dass Forschung völlig nutzlos ist.
Aus astronomischer Sicht könnte dieses Phänomen die Ursache für Ausbrüche von Schwarzen Löchern sein, bei denen es sich um riesige Ausbrüche von Strahlungsenergie handelt, die in den Weltraum gelangen.
Im Gegensatz zum Blandford-Znajek-Verfahren, bei dem die Extraktion von Rotationsenergie unter Verwendung eines rein elektromagnetischen Mechanismus erfolgt, erfordert der hier beschriebene Energieextraktionsmechanismus eine Trägheit der Teilchen ungleich Null, schreiben die Autoren.
Dieser Mechanismus unterscheidet sich auch vom ursprünglichen Penrose-Prozess, da die Ableitung magnetischer Energie erforderlich ist, um Partikel mit negativer Energie zu bilden. Offensichtlich extrahieren alle Mechanismen die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs und versorgen das Schwarze Loch mit negativer Energie und Drehimpuls.
Die Ergebnisse sind in Physical Review D dargestellt.