W chińskim filmie science fiction „Wędrująca ziemia”, wydanym niedawno na Netflix, ludzkość próbuje zmienić orbitę Ziemi za pomocą ogromnych pędników, aby uciec przed rozszerzającym się słońcem - i zapobiec zderzeniu z Jowiszem.
Scenariusz może się kiedyś spełnić. Za pięć miliardów lat Słońcu zabraknie paliwa i rozszerzy się, najpewniej pochłaniając Ziemię. Bezpośrednim zagrożeniem jest apokalipsa globalnego ocieplenia. Przeniesienie Ziemi na szerszą orbitę może być rozwiązaniem - i jest to teoretycznie możliwe.
Ale jak moglibyśmy to zrobić i jakie są wyzwania inżynierskie? Dla argumentu załóżmy, że naszym celem jest przesunięcie Ziemi z jej obecnej orbity na orbitę 50% dalej od Słońca, podobnie jak Mars.
Od wielu lat opracowujemy techniki przenoszenia małych ciał - asteroid - z ich orbit, głównie w celu ochrony naszej planety przed uderzeniami. Niektóre oparte są na impulsywnym, a 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 do Ziemi ze względu na ich destrukcyjny charakter.
Inne techniki polegają na bardzo delikatnym, ciągłym przepychaniu przez długi czas, zapewnianym przez holownik zadokowany na powierzchni asteroidy lub statek kosmiczny unoszący się w jej pobliżu (przepychanie grawitacyjne lub inne metody). Byłoby to jednak niemożliwe dla Ziemi, ponieważ jej masa jest ogromna w porównaniu z nawet największymi asteroidami.
Pędniki elektryczne
W rzeczywistości już poruszaliśmy Ziemię z jej orbity. Za każdym razem, gdy sonda opuszcza Ziemię na inną planetę, przekazuje Ziemię niewielki impuls w przeciwnym kierunku, podobny do odrzutu działa. Na szczęście dla nas - ale niestety w celu przemieszczania Ziemi - ten efekt jest niewiarygodnie mały.
Falcon Heavy SpaceX jest obecnie najbardziej wydajnym pojazdem startowym. Potrzebowalibyśmy 300 miliardów startów przy pełnej przepustowości, aby osiągnąć zmianę orbity na Marsie. Materiał, z którego składają się te wszystkie rakiety, odpowiadałby 85% Ziemi, pozostawiając jedynie 15% Ziemi na orbicie Marsa.
Elektryczny pędnik jest znacznie bardziej wydajnym sposobem na przyspieszenie masy - w szczególności napędy jonowe, które działają poprzez wystrzelenie strumienia naładowanych cząstek, które napędzają statek do przodu. Możemy skierować i odpalić elektryczny pędnik w kierunku orbit Ziemi.
Ponadwymiarowy ster strumieniowy powinien znajdować się na wysokości 1000 kilometrów nad poziomem morza, poza ziemską atmosferą, ale nadal solidnie przymocowany do Ziemi sztywną wiązką, aby przenosić siłę pchającą. Gdyby promień jonów wystrzelił z prędkością 40 kilometrów na sekundę we właściwym kierunku, nadal musielibyśmy wyrzucić równowartość 13% masy Ziemi w jony, aby przenieść pozostałe 87%.
Żeglarstwo na świetle
Ponieważ światło niesie pęd, ale nie ma masy, możemy być w stanie stale zasilać skupioną wiązkę światła, taką jak laser. Wymagana energia zostanie zebrana od Słońca i nie zostanie zużyta żadna masa Ziemi. Nawet przy użyciu ogromnej instalacji laserowej 100GW przewidzianej w projekcie Breakthrough Starshot, który ma na celu wypchnięcie statku kosmicznego z układu słonecznego w celu zbadania sąsiednich gwiazd, ciągłe użytkowanie zajmie trzy miliardy lat, aby osiągnąć zmianę orbity.
Ale światło może być również odbijane bezpośrednio od Słońca na Ziemię za pomocą żagla słonecznego stacjonującego obok Ziemi. Naukowcy wykazali, że aby osiągnąć zmianę orbitalną w skali miliarda lat, potrzebny byłby dysk odblaskowy 19 razy większy niż średnica Ziemi.
Bilard międzyplanetarny
Dobrze znaną techniką wymiany ciał między dwoma ciałami i zmiany ich prędkości jest bliskie przejście lub proca grawitacyjna. Ten rodzaj 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 Ziemię, w 2005 i 2007 roku.
W rezultacie pole grawitacyjne Ziemi spowodowało znaczne przyspieszenie Rosetty, co byłoby nieosiągalne wyłącznie przy użyciu pędników. W konsekwencji Ziemia otrzymała przeciwny i równy impuls - chociaż nie miało to żadnego mierzalnego wpływu z powodu masy Ziemi.
Ale co, jeśli moglibyśmy 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, to działanie można powtórzyć wiele razy, aby ostatecznie osiągnąć znaczną zmianę orbity Ziemi.
Niektóre regiony Układu Słonecznego są gęste z małymi ciałami, takimi jak asteroidy i komety, których masa jest na tyle mała, że można ją przenieść za pomocą realistycznej technologii, ale wciąż o rzędy wielkości większe niż to, co można realistycznie wystrzelić z Ziemi.
Dzięki dokładnemu projektowi trajektorii możliwe jest wykorzystanie tak zwanego „dźwigni vv” - małe ciało może zostać wypchnięte z orbity i w rezultacie przeskoczyć przez Ziemię, zapewniając znacznie większy impuls naszej planecie. Może się to wydawać ekscytujące, ale oszacowano, że potrzebowalibyśmy miliona takich bliskich asteroid, które są oddalone o kilka tysięcy lat, aby nadążyć za ekspansją Słońca.
Werdykt
Ze wszystkich dostępnych opcji używanie obecnie wielu procentów asteroid wydaje się obecnie najbardziej osiągalne. Ale w przyszłości wykorzystanie światła może być kluczem - jeśli nauczymy się budować gigantyczne struktury kosmiczne lub super mocne układy laserowe. Można je również wykorzystać do eksploracji kosmosu.
Ale chociaż jest to teoretycznie możliwe i może pewnego dnia być technicznie wykonalne, może być łatwiej przenieść nasz gatunek do naszego planetarnego sąsiada, Marsa, który może przetrwać zniszczenie Słońca. W końcu już wylądowaliśmy i kilka razy przemierzyliśmy jego powierzchnię.
Po zastanowieniu się, jak trudne byłoby przeniesienie Ziemi, kolonizacja Marsa, uczynienie go zamieszkiwalnym i przemieszczanie tam populacji Ziemi z czasem, może nie wydawać się tak trudne.
Matteo Ceriotti, wykładowca inżynierii systemów kosmicznych, University of Glasgow
