Phillip Hopkins
0 
2573
152
W chińskim filmie science fiction The Wandering Earth, niedawno wydanym na Netflix, ludzkość próbuje zmienić orbitę Ziemi za pomocą ogromnych silników odrzutowych, aby uciec przed rozszerzającym się słońcem - i zapobiec zderzeniu z Jowiszem..
Scenariusz może się kiedyś ziścić. Za pięć miliardów lat Słońcu skończy się paliwo i zacznie się rozszerzać, najprawdopodobniej obejmując Ziemię. Bardziej bezpośrednim zagrożeniem jest apokalipsa globalnego ocieplenia. Rozwiązaniem mogłoby być przeniesienie Ziemi na szerszą orbitę - i jest to teoretycznie możliwe.
Ale jak możemy się do tego zabrać i jakie są wyzwania inżynieryjne? Dla celów argumentacji załóżmy, że naszym celem jest przesunięcie Ziemi z jej obecnej orbity na orbitę o 50% dalej od Słońca, podobnie jak na Marsie..
Od wielu lat opracowujemy techniki przenoszenia małych ciał - asteroid - z ich orbity, głównie w celu ochrony naszej planety przed uderzeniami. Niektóre opierają się na impulsywnym i często destrukcyjnym działaniu: wybuch jądrowy w pobliżu lub na powierzchni asteroidy lub „impaktor kinetyczny”, na przykład statek kosmiczny zderzający się z asteroidą z dużą prędkością. Nie mają one oczywiście zastosowania na Ziemi ze względu na ich niszczycielski charakter.
Zamiast tego inne techniki obejmują bardzo delikatne, ciągłe pchanie przez długi czas, zapewniane przez holownik zadokowany na powierzchni asteroidy lub statek kosmiczny unoszący się w pobliżu (przepychający się przez grawitację lub inne metody). Ale byłoby to niemożliwe dla Ziemi, ponieważ jej masa jest ogromna w porównaniu do nawet największych asteroid.
Pędniki elektryczne
Właściwie już przenosiliśmy Ziemię z jej orbity. Za każdym razem, gdy sonda opuszcza Ziemię i udaje się na inną planetę, przekazuje Ziemi mały impuls w przeciwnym kierunku, podobny do odrzutu broni. Na szczęście dla nas - ale niestety na potrzeby poruszania Ziemi - efekt ten jest niewiarygodnie mały.
SpaceX Falcon Heavy jest obecnie najbardziej wydajnym pojazdem startowym. Potrzebowalibyśmy 300 miliardów miliardów startów z pełną wydajnością, aby osiągnąć zmianę orbity na Marsa. Materiał tworzący wszystkie te rakiety odpowiadałby 85% powierzchni Ziemi, pozostawiając jedynie 15% Ziemi na orbicie Marsa.
Pędnik elektryczny jest znacznie wydajniejszym sposobem na przyspieszenie masy - w szczególności napędy jonowe, które działają na zasadzie wystrzeliwania strumienia naładowanych cząstek, które napędzają statek do przodu. Moglibyśmy wycelować i wystrzelić elektryczny pędnik w kierunku spływu orbity Ziemi.
Ponadgabarytowy pędnik powinien znajdować się 1000 kilometrów nad poziomem morza, poza atmosferą ziemską, ale nadal solidnie przymocowany do Ziemi za pomocą sztywnej wiązki, aby przenosić siłę pchającą. Z wiązką jonów wystrzeloną z prędkością 40 kilometrów na sekundę we właściwym kierunku, nadal musielibyśmy wyrzucić odpowiednik 13% masy Ziemi w jonach, aby przesunąć pozostałe 87%.
Żeglowanie na świetle
Ponieważ światło przenosi pęd, ale nie ma masy, możemy również być w stanie w sposób ciągły zasilać skupioną wiązkę światła, taką jak laser. Wymagana moc byłaby pobierana ze słońca i żadna masa Ziemi nie zostałaby zużyta. Nawet przy użyciu ogromnej fabryki lasera o mocy 100 GW przewidzianej w projekcie Breakthrough Starshot, którego celem jest wyrzucenie statku kosmicznego z Układu Słonecznego w celu zbadania sąsiednich gwiazd, osiągnięcie zmiany orbity nadal wymagałoby trzech miliardów miliardów lat ciągłego użytkowania..
Ale światło może być również odbijane bezpośrednio od Słońca do Ziemi za pomocą żagla słonecznego ustawionego obok Ziemi. Badacze wykazali, że do zmiany orbity w skali miliarda lat potrzebny byłby odblaskowy dysk 19 razy większy niż średnica Ziemi..
Międzyplanetarny bilard
Dobrze znaną techniką wymiany pędu i zmiany prędkości dwóch orbitujących ciał jest bliskie przejście lub proca grawitacyjna. Ten typ manewru był szeroko stosowany przez sondy międzyplanetarne. Na przykład sonda Rosetta, która odwiedziła kometę 67P w latach 2014-2016, podczas swojej dziesięcioletniej podróży do komety dwukrotnie minęła w pobliżu Ziemi w 2005 i 2007 r..
W rezultacie pole grawitacyjne Ziemi nadało Rosetcie znaczne przyspieszenie, które byłoby nieosiągalne wyłącznie przy użyciu silników odrzutowych. W konsekwencji Ziemia otrzymała przeciwny i równy impuls - chociaż nie miało to żadnego mierzalnego efektu ze względu na masę Ziemi.
Ale co by było, gdybyśmy mogli wykonać procę, używając czegoś znacznie bardziej masywnego niż statek kosmiczny? Asteroidy z pewnością mogą zostać przekierowane przez Ziemię i chociaż wzajemny wpływ na orbitę Ziemi będzie niewielki, działanie to można powtarzać wiele razy, aby ostatecznie osiągnąć znaczną zmianę orbity Ziemi.
Niektóre regiony Układu Słonecznego są gęste z małymi ciałami, takimi jak asteroidy i komety, z których masa jest wystarczająco mała, aby można je było przenieść za pomocą realistycznej technologii, ale wciąż o rzędy wielkości większe niż te, które można realistycznie wystrzelić z Ziemi.
Dzięki dokładnemu projektowi trajektorii możliwe jest wykorzystanie tzw.Δv lewarowanie ”- małe ciało może zostać wypchnięte ze swojej orbity i w rezultacie przelecieć obok Ziemi, dostarczając naszej planecie znacznie większego impulsu. Może się to wydawać ekscytujące, ale oszacowano, że potrzebowalibyśmy milion takich asteroid bliskie przejścia, oddalone od siebie o kilka tysięcy lat, aby nadążyć za ekspansją słońca.
Werdykt
Ze wszystkich dostępnych opcji użycie wielu procy asteroid wydaje się obecnie najbardziej osiągalne. Ale w przyszłości wykorzystanie światła może być kluczem - jeśli nauczymy się budować gigantyczne struktury kosmiczne lub supermocne macierze laserowe. Można je również wykorzystać do eksploracji kosmosu.
Ale chociaż jest to teoretycznie możliwe i może pewnego dnia będzie technicznie wykonalne, w rzeczywistości może być łatwiejsze przeniesienie naszego gatunku do naszego sąsiada planetarnego, Marsa, który może przetrwać zniszczenie słoneczne. W końcu wylądowaliśmy już na jego powierzchni i kilka razy przemierzyliśmy.
Po rozważeniu, jak trudne byłoby poruszenie Ziemi, kolonizacja Marsa, uczynienie go nadającym się do zamieszkania i przenoszenie tam populacji Ziemi z czasem, może nie wydawać się tak trudne..
Matteo Ceriotti, wykładowca inżynierii systemów kosmicznych, Uniwersytet w Glasgow
Ten artykuł został opublikowany ponownie z The Conversation na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.