У китайському науково-фантастичному фільмі «Мандрівна земля», нещодавно випущеному на Netflix, людство намагається змінити орбіту Землі, використовуючи величезні рушії, щоб уникнути сонця, що розширюється, - і запобігти зіткнення з Юпітером.
Сценарій може одного дня здійснитися. За п’ять мільярдів років сонце втратить пальне і розшириться, швидше за все, охопивши Землю. Більш безпосередня загроза - це апокаліпсис глобального потепління. Переміщення Землі на більш широку орбіту може бути вирішенням - і це можливо в теорії.
Але як ми могли з цим піти і які проблеми в інженерії? На думку аргументу, припустимо, що ми прагнемо перемістити Землю зі своєї поточної орбіти на орбіту на 50% далі від Сонця, подібно до Марса.
Ми багато років розробляли методи переміщення маленьких тіл - астероїдів - зі своєї орбіти, головним чином для захисту нашої планети від ударів. Деякі засновані на імпульсивній і часто руйнівній дії: ядерний вибух біля або на поверхні астероїда або "кінетичний удар", наприклад, космічний апарат, що стикається з астероїдом з великою швидкістю. Вони, очевидно, не застосовуються до Землі через їх руйнівний характер.
Інші методи натомість передбачають дуже щадне, безперервне поштовх протягом тривалого часу, що забезпечується буксиром, що стикається на поверхні астероїда, або космічним кораблем, що нависає біля нього (натисканням сили тяжіння або іншими методами). Але це було б неможливо для Землі, оскільки її маса величезна порівняно навіть з найбільшими астероїдами.
Електричні дроселі
Ми фактично вже рухаємо Землю зі своєї орбіти. Щоразу, коли зонд залишає Землю на іншу планету, він надає Землі невеликий імпульс у зворотному напрямку, подібний до віддачі рушниці. На щастя для нас - але, на жаль, з метою переміщення Землі - цей ефект неймовірно малий.
Falcon Heavy від SpaceX - це найбільш здібний ракет-носій сьогодні. Нам знадобиться 300 мільярдів запусків на повну потужність, щоб досягти зміни орбіти до Марса. Матеріал, що становить усі ці ракети, був би еквівалентний 85% Землі, залишивши на орбіті Марса лише 15% Землі.
Електричний штовхач - це набагато ефективніший спосіб прискорити масу - зокрема, іонні приводи, які працюють шляхом вистрілення потоку заряджених частинок, які рухають посудину вперед. Ми могли вказати та запустити електричний штовхач у напрямку, що перебуває на орбіті Землі.
Негабаритний тяги повинен знаходитися на 1000 кілометрів над рівнем моря, поза земною атмосферою, але все ще міцно прикріплений до Землі жорстким променем, щоб передавати натискаючу силу. Іонний промінь, вистрілений зі швидкістю 40 кілометрів на секунду в правильному напрямку, нам все одно потрібно буде викинути еквівалент 13% маси Землі в іонах, щоб перемістити решту 87%.
Плавання на світлі
Оскільки світло несе імпульс, але немає маси, ми можемо також мати можливість постійно живити цілеспрямований світловий промінь, наприклад, лазер. Необхідна потужність буде збиратися від сонця, і жодна маса Землі не споживається. Навіть використовуючи величезну енергетичну установку потужністю 100 ГВт, передбачену проектом Breakthrough Starshot, метою якого є витіснення космічних кораблів із Сонячної системи для дослідження сусідніх зірок, все одно знадобиться три мільярди років безперервного використання для досягнення орбітальних змін.
Але світло також може відбиватися безпосередньо від сонця на Землю за допомогою сонячного вітрила, розміщеного поруч із Землею. Дослідники показали, що для досягнення орбітальної зміни протягом масштабу в один мільярд років знадобиться світловідбиваючий диск у 19 разів більший за діаметр Землі.
Міжпланетний більярд
Добре відома методика двох орбітальних тіл для обміну імпульсом та зміни своєї швидкості із близьким проходом або гравітаційним рогаткою. Цей тип маневру широко використовувався міжпланетними зондами. Наприклад, космічний корабель "Розетта", який відвідав комету 67Р у 2014-2016 роках, під час своєї десятирічної подорожі до комети проходив в околицях Землі двічі, у 2005 та 2007 роках.
Як результат, гравітаційне поле Землі надавало значне прискорення Розетті, що було б недосяжним лише за допомогою рушіїв. Отже, Земля отримала протилежний і рівномірний імпульс - хоча це не мало жодного вимірюваного ефекту через земну масу.
Але що робити, якщо ми могли виконати рогатку, використовуючи щось набагато більш масивне, ніж космічний корабель? Астероїди, безумовно, можуть бути перенаправлені Землею, і хоча взаємний вплив на орбіту Землі буде крихітним, цю дію можна повторити багато разів, щоб в кінцевому рахунку досягти значної зміни земної орбіти.
Деякі регіони Сонячної системи щільні з невеликими тілами, такими як астероїди та комети, маса багатьох з яких досить мала, щоб пересуватися реалістичною технологією, але все ж на порядок більше, ніж реально запускатись із Землі.
Завдяки точному проектуванню траєкторії можна використовувати так зване "Δv leverageging" - маленьке тіло може бути висунуте зі своєї орбіти і в результаті прокинутися повз Землю, надаючи набагато більший імпульс нашій планеті. Це може здатися захоплюючим, але, за підрахунками, нам знадобиться мільйон таких прохідних астероїдів, кожен з яких відстає приблизно кілька тисяч років, щоб не відставати від сонця.
Вирок
З усіх доступних варіантів, використання декількох рогатів астероїдів здається найбільш досяжним зараз. Але в майбутньому експлуатація світла може стати ключовим - якщо ми навчимось створювати гігантські космічні структури або надпотужні лазерні масиви. Вони також можуть бути використані для дослідження космосу.
Але хоча це теоретично можливо і одного дня може бути технічно здійсненним, насправді може бути легше перенести наш вид до нашого планетарного сусідського штату Марс, який може пережити знищення Сонця. Зрештою, ми вже приземлилися і кілька разів каталися на його поверхні.
Поміркувавши над тим, як складно було б перемістити Землю, колонізувати Марс, зробити його мешканцем та перемістити населення Землі туди з часом, можливо, це не здасться складним.
Маттео Черіоти, викладач з інженерії космічних систем, Університет Глазго
