人工太陽を用いたダイソン球の用途

質問

ダイソン球とは、恒星が発している電磁波の全てを受け止める事で、恒星が発しているエネルギーの全てを利用するために造られる、恒星の周囲を光学的に隙間なく覆う覆いの事です。

【参考URL】
　ダイソン球 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%80%E3%82%A4%E3%82%BD%E3%83%B3%E7%90%83

　処がフィクション作品の中には、本物の恒星の周囲を覆っているのではなく、人工太陽の周囲を覆っている構造物の事もダイソン球と呼称しているものが少なからずある様です。

【参考URL】
　革命機ヴァルヴレイヴ > WORLD
　　http://www.valvrave.com/introduction

　Halo 公式サイト > ユニバース > ロケーション > シールドワールド
　　http://www.halowaypoint.com/ja-jp/universe/detail/073e5c8b-63bf-4fdc-a46d-6150a0026201/%E3%82%B7%E3%83%BC%E3%83%AB%E3%83%89%E3%83%AF%E3%83%BC%E3%83%AB%E3%83%89

　PukiWiki版 科学的逍遙 > 本 > 太陽の中の太陽
　　http://mshi.no.coocan.jp/pukiwiki/?cmd=read&page=%CB%DC%2F%C2%C0%CD%DB%A4%CE%C3%E6%A4%CE%C2%C0%CD%DB

　又、ブログ上などで交わされている話題の中には、欧米のSF界の一部では、人工太陽を用いた場合であってもダイソン球と見做して構わないとする傾向にある所もあるという発言が行われている様です。

　そこで質問なのですが、その様な人工太陽を中心に据えたダイソン球が作中に登場する類の作品の中でも、そのダイソン球の用途・目的が設定されているものでは、何のために人工太陽を使ってダイソン球が建造されたとされているのでしょうか？（人工太陽とダイソン球の組み合わせが採用されている理由はどの様なものなのか？）

　アメリカの宇宙物理学者である「フリーマン・ダイソン」が提唱した、本来のダイソン球は、恒星が発するエネルギーの全てを有効に利用するためのものです。
　しかし、人工太陽とは人工的に起こしている熱核反応のエネルギーによって輝くものであり、その様な熱核反応のエネルギーを利用するのであれば、一旦熱輻射の電磁波の形に変換してしまう人工太陽はエネルギー効率が悪く、核反応で高温となったプラズマを使ったMHD発電等を始めとする、直接発電によってエネルギーを取り出した方が、はるかにエネルギー効率が高くなります。
　従って、人工太陽を使ったダイソン球が作られた目的は、天然の恒星を利用して建造される本来のダイソン球の用途である"エネルギーを無駄なく利用する"事とは、異なる用途のために造られたものと考えられます。
　又、構造に加わる応力が非常に大きくなるダイソン球では、構造材の強度を確保するために多くの資材が必要になりますから、同じ量の建設資材を使用するのであれば、小型のスペースコロニーを多数建造した方が、よほど広い居住可能面積が得られる筈ですので、植民等の目的で広い居住面積を確保する等の目的で建造されたとも思えません。

　人工太陽とダイソン球の組み合わせが採用されている理由とは、設定上はどの様になっているのでしょうか？

回答No.1

DESTROY11

たしか「星界の紋章」という作品では、ダイソン球で得られるエネルギーで反物質を製造しています。
「銃夢LastOrder」という作品では木星を中心としたダイソン球ですが、こちらは木星の重力や電磁波などで得たエネルギーを超空間経由でロボット兵士に送り込んでいるようです。

人工太陽をつかったダイソン球の効率ですが、要は超巨大な核融合炉と見ることができます。
現在、地球で開発されている核融合炉は間欠的な核融合爆発を炉内の液体等で受け止め、熱エネルギーを取り出します。
が、人工恒星なら間欠的ではなく常時熱、電磁波、衝撃波などを得ることが出来ます。
規模が大きくなれば整備、燃料供給も楽になります。
効率の点で段違いです。

また、人工恒星なら位置、距離、熱量、質量、大きさ、自転速度などを調整できます。
現在でも太陽面爆発による電磁波で騒ぎが起きていますが、人工恒星なら、そういったリスクを軽減できるでしょう。

居住面積の点ですが、コロニーを多数建造したほうが居住面積が大きいというのは、どう考えてもそう思えないのですが・・・
スペースコロニーはボールにまとわりつく埃程度のものでしかないですが、ダイソン球ならボールを板で包むわけで、使用可能面積の差は計算するだけ無駄な気がしますが？

お礼

御回答頂き有難う御座います。

　調べてみました処、「星界の紋章」に登場するダイソン球は、人工太陽ではなく、恒星を覆うものの様ですので、本質問とは直接には関係しない作品ではないかと思います。

　「銃夢LastOrder」の方に関しては、御回答文の表現では良く判らなかったのですが、木星を中心としたダイソン球とは、天然の惑星である木星が(現実世界においても)自然に発している電磁波と、自然に形成されている重力場を利用しているという話なのでしょうか？
　それとも、何らかの方法で、木星の内部で熱核反応を活発に行わせる事で、人工的に恒星化させ、その輻射光のエネルギーを利用しているという事なのでしょうか？
　もしも、前者であった場合には、本質問とは直接には関係しない事になってしまいますので、どちらであるのかを明確にして頂けましたら幸いに思います。

>現在、地球で開発されている核融合炉は間欠的な核融合爆発を炉内の液体等で受け止め、熱エネルギーを取り出します。

　それは、現在開発中の数多くの方式の中の一例に過ぎませんし、液体等で受け止めた熱エネルギーを主体にしている以上、プラズマが持っているエネルギーを、一旦、液体の熱エネルギーに変換してから利用している事になりますから、高熱源の温度を下げて、熱効率を低下させる行為をしている事になりますので、私が質問文で触れている直接発電では御座いません。
　熱核融合炉を利用した発電方法にも色々な方法があり、その中でも直接発電の一例として研究中のプラズマを作動流体として使用するMHD発電は、炉内から取り出してノズルから高速で噴出させたプラズマのジェットを垂直磁場の存在下で電極の間を通す事で、発電するというものです。
　反応条件が最も緩いとされている重水素とトリチウムの熱核反応は、核反応によって得られるエネルギーの大半(16分の15)を電荷をもっていない中性子が持ち去ってしまうため、MHD発電には不向きな反応と言えるのですが、それでも冷却材を使った熱機関とMHD発電を組み合わせた複合発電を行った場合には、50～60％という高いエネルギー効率が期待出来るとされています。
　それに対して、太陽電池のエネルギー効率の理論上の限界は特殊な構造のものでも60％前後であり、変換効率は様々な要因によって理論限界よりも低下します（例えば、輻射光には太陽電池では変換し難い波長域の電磁波も多く含まれています）から、実際に期待出来るエネルギー効率は、「トリチウムの熱核反応に対して熱機関とMHD発電を組み合わせた複合発電を行った場合」には及ばない事になります。
　そして、中性子があまり発生しない反応である重水素とヘリウム3の熱核反応では、MHD発電の効率は80％程度が期待出来るとも言われています。
　この様に、密閉された熱核反応路の中でエネルギーを発生させて、得られた高温のプラズマを使って発電した方がエネルギー効率は高くなりますので、天体と比べれば小型の炉を多数使った方が効率の上では有利となります。
　又、人工太陽は巨大なため、エネルギーの需要に合わせて、エネルギーの発生量を細かく調節する事は非常に困難ですから、エネルギー需要の少ない時間帯に余ったエネルギーを、バッテリー等の何らかのエネルギー貯蔵装置に溜めておき、需要の多い時間帯で消費する、という様な使い方をしなければならず、バッテリーの充電時と放電時のロスにより効率が低下します。（小型炉でもエネルギーの貯蔵は必要になりますが、多少の出力調整が可能であるため、人工太陽程のロスはありません）

>規模が大きくなれば整備、燃料供給も楽になります。

　それは逆です。
　たった1つの人工太陽にエネルギーの全てを依存しているのでは、その人工太陽を一時たりとも止める訳には行かなくなりますから、止めなければ行う事が出来ない整備など、行う事が出来なくなります。
　それに、天体規模の莫大な核燃料をどこから調達するのかという問題が生じますし、その莫大な量の燃料を宇宙船の様な小さなもので、どうやって輸送するのかという問題もあります。
　万が一故障した場合の事を考えても、多数を分散配置する事が出来る小型の炉の方が安全性が高いと言えます。

>スペースコロニーはボールにまとわりつく埃程度のものでしかないですが、ダイソン球ならボールを板で包むわけで、使用可能面積の差は計算するだけ無駄な気がしますが？

　その板の厚みが問題となるからです。
　恒星を覆う様な巨大な構造物では、大きさに応じた巨大な力が加わる事を避けられませんから、その力に耐えて構造を維持する事を可能とする強固な支持構造を造るために、莫大な量の建材が必要になります。
　それに対して、惑星軌道上に存在しているスペースコロニーでは、無重量状態であるため、その構造材にはコローニーの人工重力と内部気圧による応力に耐えるだけの強度があれば十分です。
　従って、小型のスペースコロニーの方が、単位面積当たりの質量を格段に少なくする事が出来ますから、同じ居住面積を得るために必要な建材の量は格段に少なくて済む事になり、供給可能な建材の量の限界の事を考えに入れますと、多数の小型スペースコロニーの方が圧倒的に有利である事は明らかで、得られる居住可能面積の差を計算するまでもありません。