Escala de Kardaixov

Projeccions a la escala de Kardaixov de la civilització humana, des dels anys 1900 a 2030, basat en les dades de l'Agència Internacional de l'Energia World Energy Outlook.

L'Escala de Kardaixov és un mètode proposat per l'astrofísic rus Nikolai Kardaixov per mesurar el grau d'evolució tecnològica d'una civilització;[1] proposat l'any 1964. Té tres categories, anomenades Tipus I, II i III, basades en la quantitat d'energia utilitzable que una civilització té a la seva disposició, que s'incrementen de manera exponencial. Aquestes categories també estan basades en el grau de colonització de l'espai. En termes generals, una civilització de Tipus I ha aconseguit el domini dels recursos del seu planeta d'origen, Tipus II del seu sistema planetari, i Tipus III de la seva galàxia.[2][3]

La civilització humana es troba actualment (any 2016) al voltant de 0,72, amb els càlculs que suggereixen que podem aconseguir l'estat de Tipus I en uns 100-200 anys, de Tipus II a uns quants milers d'anys, i de Tipus III entre uns 100.000 a un milió d'anys.[4]

Ús d'energia

L'energia és una quantitat estàtica i es denota en Joules. La potència és una mesura de transferència d'energia a través del temps, i es denota en watts (joules per segon). Els tres nivells de l'escala de Kardaixov es poden quantificar en unitats de potència (watts) i es representen en una escala creixent logarítmica.

• Tipus I - Una civilització que és capaç d'aprofitar tota la potència disponible en un únic planeta, aproximadament 10¹⁶ W. La xifra pot ser bastant variable, la Terra té una potència disponible d'1,74×10^17 W. La definició original de Kardaixov era de 4×10^12 W (Kardaixov va definir originalment el Tipus I com "el nivell tecnològic proper al nivell present avui dia a la Terra", sent "avui dia" l'any 1964.
• Tipus II - Una civilització que és capaç d'aprofitar tota la potència disponible en una única estrella, aproximadament 10^26 W. De nou, la xifra pot ser variable; el Sol emet aproximadament 3,86×10^26 W. La xifra que donava Kardaixov era de 4×10^26 W.
• Tipus III - Una civilització que és capaç d'aprofitar tota la potència disponible en una sola galàxia, aproximadament 10^36 W. Aquesta xifra és extremadament variable, ja que les galàxies tenen un rang de grandàries molt ampli. La xifra original de Kardaixov va ser de 4×10^37 W.

Totes aquestes civilitzacions són totalment hipotètiques avui dia, encara que l'escala és utilitzada pels investigadors del SETI, autors de ciència-ficció i futuristes com un marc de treball teòric.

Situació actual de la civilització humana

Michio Kaku suggereix que els humans podríem arribar al Tipus I en 100-200 anys, i el tipus II en alguns centenars d'anys, i el Tipus III entre 100.000 a un milió d'anys.[5]

La civilització humana està ara mateix en algun lloc molt per sota del Tipus I, ja que només és capaç d'aprofitar una fracció de l'energia disponible a la Terra. Així doncs, l'estat actual de la civilització humana ha estat denominat com a Tipus 0. Encara que els tipus intermedis no van ser exposats a la proposta original de Kardaixov, Carl Sagan va determinar que podrien ser fàcilment definits mitjançant la interpolació i l'extrapolació dels valors donats anteriorment. El 1973, Sagan va calcular que el nivell actual de la civilització humana seria de 0,7, en relació amb el model de Kardaixov per als tipus 0 i I.

Sagan va emprar la següent fórmula:

${\displaystyle K={\frac {\log _{10}{W}-6}{10}}}$

essent K, el tipus de civilització de Kardaixov i W l'energia aprofitada en Watts. Cal veure que els numerals romans han de ser utilitzats per la part sencera del tipus de civilització, mentre que la part fraccional s'escriu en decimal. Sagan va utilitzar 10 terawatts (TW) com el valor de W de la humanitat per a l'any 1973, cosa que va ser lleugerament superior a la de les dades conegudes actualment.[6]

El 2012, el total de consum i recursos energètics a nivell mundial va ser de 553 exajoules (553×1018 J=153,611 TWh)[7]això és de mitjana equivalent a un consum d'energia de 17,54 TW (o 0,724 en l'Escala Kardashov de Sagan.)

Evidència empírica

El 2015, un estudi d'emissions galàctiques infraroges mitjanes va arribar a la conclusió que les "civilitzacions de Kardashov de Tipus III són molt poc comuns o no existeixen en l'univers".[8] El 14 d'octubre de 2015 el descobriment d'un estrany patró de llum d'estrella que envolta l'estrella KIC 8462852 ha aixecat especulacions que una Esfera de Dyson ha pogut haver estat descoberta.[9][10][11][12][13]

Fonts d'energia

Article principal: font d'energia

Civilització tipus I

A mitjà i llarg termini, això és impossible a causa de l'actual estil de vida de la humanitat. Però, de tota manera, estem "aprofitant" la producció de la Terra a través de la nostra dependència dels serveis naturals, que podrien ser més eficients i sostenibles que el nostre model tecnològic actual en el futur. Si es tria no substituir completament el model de servei natural per mitjans sintètics, encara es pot aconseguir el tipus I assegurant que els ecosistemes de la Terra funcionen eficientment i al seu màxim rendiment. Una altra manera d'aconseguir el tipus I seria no aprofitar tota l'energia de la Terra, sinó sumar-la a les aportacions d'altres planetes del mateix sistema solar.

• Aplicació a gran escala de l'energia de fusió: D'acord amb l'equivalència entre massa i energia, el tipus I implica la conversió de 2 kg de matèria en energia per segon. Un alliberament d'energia equivalent podria, teòricament, ser aconseguida per la fusió d'aproximadament 280 kg d'hidrogen en heli per segon,[14] és a dir, a una taxa equivalent a 8,9 × 109 kg / any. Un quilòmetre cúbic d'aigua conté 10^11 kg d'hidrogen, i els oceans de la Terra contenen 1,3×10⁹ km cúbics d'aigua, per tant els humans a la Terra poden sostenir aquesta taxa de consum per escales de temps geològiques.
• L'antimatèria en grans quantitats tindria un mecanisme per produir energia a una escala molt superior al nivell actual de la nostra tecnologia. En les col·lisions d'antimatèria-matèria, tota la massa invariant de les partícules és convertida en energia electromagnètica. La seva densitat energètica (energia alliberada per massa) és gairebé 4 vegades més gran que la utilitzada per la fissió nuclear i 2 vegades la magnitud del millor rendiment possible d'una fusió nuclear.[15] La reacción d'1 [kg] de antimateria con un 1 kg de materia produciría 1.8×10^17 J (180 petajoules) d'energia.[16] Tot i que l'antimatèria és, de vegades, proposada com una font d'energia, això no és factible. L'antimatèria produïda artificialment -d'acord amb l'enteniment actual de les lleis de la física- implica primer la conversió d'energia en massa, de manera que no hi ha resultats nets de guany. Crear antimatèria artificial és només utilitzable com a mitjà d'emmagatzematge d'energia, no com una font d'energia, llevat que el futur desenvolupament tecnològic (contrari a la conservació del nombre bariònic, i una violació CP a favor de l'antimatèria permeti la conversió de matèria ordinària a antimatèria. Teòricament, en el futur els humans podrien tenir la capacitat de conrear i collir una sèrie de fonts naturals d'antimatèria.[17][18][19]
• L'energia renovable, a través de la conversió de llum solar en electricitat - sigui mitjançant cèl·lules fotoelèctriques o energia termosolar de concentració o indirectament a través del vent o l'energia hidroelèctrica o l'ús intensiu de la conversió del gradient tèrmic oceànic, aerogeneradors i energia mareomotriu per extreure i aprofitar l'energia rebuda per l'oceà terrestre per part del Sol. No hi ha cap forma coneguda per a la civilització humana per utilitzar l'equivalent d'energia solar absorbida per la Terra sense recobrir completament la superfície amb estructures fetes per l'home, el que no és possible amb la tecnologia actual. No obstant això, si la civilització construeix grans satèl·lits d'energia solar espacial els nivells d'energia del tipus I podrien ser assolibles.

Figura d'una esfera de Dyson de tipus eixam envoltant una estrella

Civilització tipus II

Les civilitzacions del tipus II poden utilitzar les mateixes tècniques usades per les civilitzacions tipus I, però aplicades a un gran nombre de planetes en molts sistemes solars.

• Una esfera de Dyson i construccions similars són megaestructures hipotètiques descrites originalment per Freeman Dyson com un sistema de satèl·lits d'energia solar destinats a tancar a una estrella i capturar la major part o la totalitat de la seva producció d'energia.[20]
• Una forma més exòtica de generar energia utilitzable seria alimentar una massa estel·lar en un forat negre amb massa estel·lar per generar energia reutilitzable, i recollir els fotons emesos pel disc d'acreció.[21][22] Una mica menys estrany seria simplement capturar els fotons que escapen del Disc d'acreció, reduint així el moment angular d'un forat negre, més conegut com el procés Penrose.
• L'elevació de les estrelles és un procés on una civilització avançada podria eliminar una part substancial de la matèria d'una estrella d'una manera controlada per a altres usos, és a dir utilitzar tota l'emissió d'energia d'una estrella.
• L'antimatèria és la majoria de les vegades produïda com un subproducte d'una sèrie de processos d'enginyeria de gran escala (com la ja esmentada elevació d'una estrella) i, per tant, pot ser reciclada.
• En múltiples sistemes estel·lars amb un nombre suficient estrelles, que absorbeixin una petita però significativa fracció de l'emissió de cada estrella individual.

Civilització tipus III

Un exemple comú d'una civilització fictícia capaç d'arribar al tipus III és l'Imperi Galàctic que apareix en moltes obres de space opera. Aquestes civilitzacions utilitzen l'energia d'una manera massiva, generalment entre el tipus II i III. Les civilitzacions del tipus III poden utilitzar les mateixes tècniques usades per les civilitzacions tipus II, però aplicades a totes les estrelles possibles en una o més galàxies individuals.[23]

• A més són capaços d'aprofitar l'energia alliberada d'un forat negre supermassiu els quals es creu que hi ha al centre de la majoria de les galàxies.
• Els forats blancs, si existissin, teòricament podrien proporcionar grans quantitats d'energia de la recol·lecció de la matèria expulsada a l'exterior.
• La captura d'energia de l'esclat de raigs gamma és una altra font, teòrica, possible d'energia per a una civilització altament avançada.
• L'emissió dels quàsars pot ser fàcilment comparable a les petites galàxies actives, i podrien proveir una font massiva d'energia.

Implicacions en la civilització

Hi ha molts exemples històrics de civilitzacions humanes sotmeses a transicions de gran escala, com la Revolució industrial. La transició entre els nivells de l'escala de Kardaixov podria, potencialment, representar períodes igualment dramàtics de convulsió social, ja que implica la superació dels límits de disponibilitat dels recursos en el territori actual de la civilització. Una especulació comuna[24] suggereix que la transició des del Tipus 0 a la civilització Tipus I podria comportar un risc molt potent d'autodestrucció, ja que, en alguns escenaris, podria no haver-hi espai per a una expansió al planeta d'origen de la civilització, com una catàstrofe malthusiana. L'ús excessiu d'energia sense l'eliminació adequada de calor, podria, per exemple, fer que una civilització que s'acosta al Tipus I es faci inadequada per al desenvolupament de la biologia de les formes de vida dominants i les seves fonts d'aliment. Si a la Terra, per exemple, la temperatura dels oceans excedís els 35 °C es posaria en perill la vida marina i a més faria que el refredament dels mamífers a temperatures adequades per al seu metabolisme fos molt difícil, si no impossible. Clar que aquestes especulacions podrien no ser un problema a la realitat gràcies a l'evolució o l'aplicació en el futur de l'enginyeria i la tecnologia. A més, en el moment en què una civilització arriba al Tipus I podria haver colonitzat altres planetes o haver creat un cilindre O'Neill pel que la calor residual podria ser distribuït en tot el sistema solar.

Crítiques

Ha estat argumentat que pel fet que no podem entendre a les civilitzacions avançades, no podem predir el seu comportament. Per tant, l'escala de Kardaixov no és rellevant o útil per classificar civilitzacions extraterrestres. Aquest argument es pot trobar al llibre Evolving the Alien: The Science of Extraterrestrial Life.[25] del biòleg Jack Cohen i del matemàtic Ian Stewart.

Vegeu també

• Lleis de Clarke
• Equació de Drake
• Terraformació
• Consum i recursos energètics a nivell mundial

Referències

1. «Transmission of Information by Extraterrestrial Civilizations». Soviet Astronomy, 8, 1964, pàg. 217.
2. Zubrin, Robert, 1999, Entering Space — Creating a Spacefaring Civilization
3. «On the inevitability and the possible structures of supercivilizations». The search for extraterrestrial life: Recent developments; Proceedings of the Symposium, Boston, MA, June 18-21, 1984 (A86-38126 17-88). Dordrecht, D. Reidel Publishing Co., 1985, p. 497-504..
4. Kaku, Michio. «The Physics of Interstellar Travel: To one day, reach the stars.», 2010. [Consulta: 27 novembre 2010].
5. «The Physics of Interstellar Travel: to one day reach the stars». [Consulta: 4 novembre 2015].
6. Sagan, Carl. Jerome Agel. Cosmic Connection: An Extraterrestrial Perspective. Cambridge Press, octubre 2000. ISBN 0-521-78303-8 [Consulta: 4 novembre 2015]. «I would suggest Type 1.0 as a civilization using 10¹⁶ watts for interstellar communication; Type 1.1, 10^17 watts; Type 1.2, 10^18 watts, and so on. Our present civilization would be classed as something like Type 0.7.» 
7. «Total Primary Energy Consumption 2008-2012». Statistical Review of World Energy 2008-2012.
8. Garret, M.A. «Application of the mid-IR radio correlation to the Ĝ sample and the search for advanced extraterrestrial civilisations», 2015. [Consulta: 2 novembre 2015].
9. Andersen, Ross. «The Most Mysterious Star in Our Galaxy», 2015. [Consulta: 2 novembre 2015].
10. Kaplan, Sarah. «The strange star that has serious scientists talking about an alien megastructure», 2015. [Consulta: 2 novembre 2015].
11. Aron, Jacob. «Citizen scientists catch cloud of comets orbiting distant star», 2015. [Consulta: 2 novembre 2015].
12. Plait, Phil. «Did Astronomers Find Evidence of an Alien Civilization? (Probably Not. But Still Cool.)», 2015. [Consulta: 2 novembre 2015].
13. Williams, Lee. «Astronomers may have found giant alien 'megastructures' orbiting star near the Milky Way», 2015. [Consulta: 2 novembre 2015].
14. Hydrogen properties for fusion energy. University of California Press, 1986, p. 4. ISBN 978-0-520-05500-1. 
15. Borowski, Steve K. (29 de juliol de 1987). "Comparison of Fusion/Anti-matter Propulsion Systems for Interplanetary Travel" (PDF). Technical Memorandum 107030: 1–3, San Diego, California, USA: National Aeronautics and Space Administration [Consulta: 4 novembre 2015]  Arxivat 2008-05-28 a Wayback Machine. «Còpia arxivada». Arxivat de l'original el 2008-05-28. [Consulta: 2 març 2016].
16. Per a l'equivalència entre massa i energia fórmula E = mc². Vegeu Usos de l'antimatèria per a les comparacions d'energia.
17. Than, Ker «Antimatter Found Orbiting Earth—A First». National Geographic News, 10-08-2011.
18. «The discovery of geomagnetically trapped cosmic ray antiprotons». The Astrophysical Journal, 736, 29, 2011, pàg. L1. arXiv: 1107.4882. Bibcode: 2011ApJ...736L...1H. DOI: 10.1088/2041-8205/736/1/L1.
19. «Antimatter caught streaming from thunderstorms on Earth». BBC News, 11-01-2011.
20. Dyson, Freeman J. «The Search for Extraterrestrial Technology». Perspectives in Modern Physics. John Wiley & Sons [New York], 1966.
21. Newman, Phil. «New Energy Source "Wrings" Power from Black Hole Spin». NASA, 22-10-2001. Arxivat de l'original el 2010-04-16. [Consulta: 19 febrer 2008].
22. Schutz, Bernard F. A First Course in General Relativity. Nova York: Cambridge University Press, 1985, p. 304, 305. ISBN 0-521-27703-5. 
23. Kardashev, Nikolai. "On the Inevitability and the Possible Structures of Supercivilizations", The search for extraterrestrial life: Recent developments; Proceedings of the Symposium, Boston, MA, June 18–21, 1984 (A86-38126 17-88). Dordrecht, D. Reidel Publishing Co., 1985, p. 497–504.
24. Dyson, Freeman «Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation». Science. W. A. Benjamin, Inc [Nova York], 131, 3414, 03-06-1960, pàg. 1667–1668. Arxivat de l'original el 2019-07-14. Bibcode: 1960Sci...131.1667D. DOI: 10.1126/science.131.3414.1667. PMID: 17780673 [Consulta: 4 novembre 2015].
25. Jack Cohen and Ian Stewart: Evolving the Alien: The Science of Extraterrestrial Life, Ebury Press, 2002, ISBN 0-09-187927-2

Enllaços externs

• Animació sobre el tema (castellà)