Co stanie się z Ziemią po zmianie orbity? Okiem inżyniera

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

W chińskim filmie science fiction Wędrująca Ziemia, wydanym przez Netflix, ludzkość za pomocą ogromnych silników zainstalowanych wokół planety próbuje zmienić orbitę Ziemi, aby uniknąć jej zniszczenia przez umierające i rozszerzające się Słońce, a także zapobiec kolizji z Jowiszem. … Taki scenariusz kosmicznej apokalipsy może się kiedyś wydarzyć. Za około 5 miliardów lat naszemu Słońcu zabraknie paliwa do reakcji termojądrowej, rozszerzy się i najprawdopodobniej połknie naszą planetę. Oczywiście, jeszcze wcześniej wszyscy umrzemy z powodu globalnego wzrostu temperatury, ale zmiana orbity Ziemi może rzeczywiście być koniecznym rozwiązaniem, aby uniknąć katastrofy, przynajmniej teoretycznie.

Ale jak ludzkość może poradzić sobie z tak niezwykle złożonym zadaniem inżynieryjnym? Inżynier systemów kosmicznych Matteo Ceriotti z Uniwersytetu w Glasgow podzielił się kilkoma możliwymi scenariuszami na łamach The Conversetion.

Załóżmy, że naszym zadaniem jest przesunięcie orbity Ziemi, odsuwając ją od Słońca mniej więcej o połowę odległości od jej aktualnej lokalizacji, mniej więcej w miejscu, w którym znajduje się teraz Mars. Czołowe agencje kosmiczne na całym świecie od dawna rozważają, a nawet pracują nad pomysłem wypierania małych ciał niebieskich (asteroid) z ich orbit, co w przyszłości pomoże chronić Ziemię przed uderzeniami zewnętrznymi. Niektóre opcje oferują wysoce destrukcyjne rozwiązanie: wybuch nuklearny w pobliżu lub na asteroidzie; użycie „impaktora kinetycznego”, którego rolę może pełnić np. statek kosmiczny, którego celem jest zderzenie się z obiektem z dużą prędkością w celu zmiany jego trajektorii. Ale jeśli chodzi o Ziemię, opcje te z pewnością nie zadziałają ze względu na ich destrukcyjny charakter.

W ramach innych podejść proponuje się wycofanie asteroid z niebezpiecznej trajektorii za pomocą statku kosmicznego, który będzie pełnić rolę holownika, lub za pomocą większych statków kosmicznych, które ze względu na swoją grawitację wycofają niebezpieczny obiekt z Ziemi. Ponownie, to nie zadziała z Ziemią, ponieważ masa obiektów będzie całkowicie nieporównywalna.

Silniki elektryczne

Pewnie się zobaczycie, ale od dawna wypieramy Ziemię z naszej orbity. Za każdym razem, gdy inna sonda opuszcza naszą planetę, aby zbadać inne światy Układu Słonecznego, niosąca ją rakieta nośna wytwarza maleńki (oczywiście w skali planetarnej) impuls i działa na Ziemię, popychając ją w kierunku przeciwnym do jej ruchu. Przykładem jest strzał z broni i wynikający z tego odrzut. Na szczęście dla nas (ale niestety dla naszego "planu przesunięcia orbity Ziemi"), efekt ten jest prawie niewidoczny dla planety.

W tej chwili najbardziej wydajną rakietą na świecie jest amerykański Falcon Heavy firmy SpaceX. Ale będziemy potrzebować około 300 trylionów wystrzeleń tych nośników przy pełnym obciążeniu, aby użyć opisanej powyżej metody do przesunięcia orbity Ziemi na Marsa. Co więcej, masa materiałów potrzebnych do wytworzenia wszystkich tych rakiet będzie równa 85 procentom masy samej planety.

Skuteczniejszym sposobem nadania przyspieszenia masie będzie zastosowanie silników elektrycznych, w szczególności jonowych, które uwalniają strumień naładowanych cząstek, dzięki czemu następuje przyspieszenie. A jeśli zainstalujemy kilka takich silników po jednej stronie naszej planety, nasza stara Ziemianka może naprawdę wyruszyć w podróż przez Układ Słoneczny.

To prawda, że w tym przypadku potrzebne będą silniki o naprawdę gigantycznych wymiarach. Będą musiały zostać zainstalowane na wysokości około 1000 kilometrów nad poziomem morza, poza atmosferą ziemską, ale jednocześnie bezpiecznie przymocowane do powierzchni planety, aby można było na nią przenieść siłę pchającą. Ponadto, nawet jeśli wiązka jonów jest wyrzucana z prędkością 40 kilometrów na sekundę w pożądanym kierunku, nadal musimy wyrzucić równowartość 13 procent masy Ziemi w postaci cząstek jonów, aby przesunąć pozostałe 87 procent masy planety.

Lekki żagiel

Ponieważ światło przenosi pęd, ale nie ma masy, możemy również użyć bardzo silnej ciągłej i skupionej wiązki światła, takiej jak laser, do przemieszczania planety. W takim przypadku możliwe będzie wykorzystanie energii samego Słońca, bez jakiegokolwiek wykorzystania masy samej Ziemi. Ale nawet z niewiarygodnie potężnym 100-gigawatowym systemem laserowym, który ma zostać wykorzystany w szczytowym projekcie Starshot, w którym naukowcy chcą wysłać małą sondę kosmiczną do najbliższej gwiazdy naszego układu za pomocą wiązki laserowej, będziemy potrzebować trzech kwintyliony lat ciągłego impulsu laserowego, aby osiągnąć nasz cel odwrócenia orbity.

Światło słoneczne może odbijać się bezpośrednio od gigantycznego żagla słonecznego, który będzie w kosmosie, ale zakotwiczony na Ziemi. W ramach wcześniejszych badań naukowcy odkryli, że wymagałoby to dysku odblaskowego o średnicy 19 razy większej od średnicy naszej planety. Ale w tym przypadku, aby osiągnąć wynik, będziesz musiał poczekać około miliarda lat.

Bilard międzyplanetarny

Inną możliwą opcją usunięcia Ziemi z jej obecnej orbity jest dobrze znana metoda wymiany pędu między dwoma obracającymi się ciałami w celu zmiany ich przyspieszenia. Ta technika jest również znana jako wspomaganie grawitacyjne. Metoda ta jest często wykorzystywana w międzyplanetarnych misjach badawczych. Na przykład sonda Rosetta, która odwiedziła kometę 67P w latach 2014-2016, w ramach swojej dziesięcioletniej podróży do obiektu badań, dwukrotnie korzystała z asysty grawitacyjnej wokół Ziemi, w 2005 i 2007 roku.

W rezultacie ziemskie pole grawitacyjne za każdym razem nadało Rosetcie zwiększone przyspieszenie, co byłoby niemożliwe do osiągnięcia przy użyciu samych silników samej aparatury. Ziemia otrzymała również przeciwny i równy pęd przyspieszenia w ramach tych manewrów grawitacyjnych, jednak oczywiście nie miało to żadnego wymiernego efektu ze względu na masę samej planety.

Ale co, jeśli użyjesz tej samej zasady, ale z czymś masywniejszym niż statek kosmiczny? Na przykład te same asteroidy z pewnością mogą zmieniać swoje trajektorie pod wpływem ziemskiej grawitacji. Owszem, jednorazowy wzajemny wpływ na orbitę Ziemi będzie znikomy, ale czynność tę można wielokrotnie powtarzać, aby ostatecznie zmienić położenie orbity naszej planety.

Niektóre rejony naszego Układu Słonecznego są dość gęsto „wyposażone” w wiele małych ciał niebieskich, takich jak asteroidy i komety, których masa jest na tyle mała, aby zbliżyć je do naszej planety za pomocą odpowiednich i dość realistycznych pod względem rozwoju technologii.

Przy bardzo dokładnym obliczeniu trajektorii całkiem możliwe jest zastosowanie tzw. metody „delta-v-displacement”, kiedy małe ciało może zostać przemieszczone z jego orbity w wyniku bliskiego zbliżenia się do Ziemi, co zapewni znacznie większą dynamikę naszej planecie. Wszystko to oczywiście brzmi bardzo fajnie, ale wcześniej przeprowadzono badania, które ustaliły, że w tym przypadku potrzebowalibyśmy miliona tak bliskich przelotów asteroidy, a każde z nich musi nastąpić w odstępie kilku tysięcy lat, inaczej będziemy późno do tego czasu, kiedy Słońce rozszerza się tak bardzo, że życie na Ziemi staje się niemożliwe.

wnioski

Ze wszystkich opisanych dzisiaj opcji, wykorzystanie wielu asteroid do wspomagania grawitacji wydaje się najbardziej realistyczne. Jednak w przyszłości wykorzystanie światła może oczywiście stać się bardziej odpowiednią alternatywą, jeśli nauczymy się tworzyć gigantyczne struktury kosmiczne lub superpotężne systemy laserowe. W każdym razie technologie te mogą być również przydatne dla naszej przyszłej eksploracji kosmosu.

A jednak, pomimo teoretycznej możliwości i prawdopodobieństwa praktycznej wykonalności w przyszłości, dla nas być może najbardziej odpowiednią opcją zbawienia byłoby przesiedlenie na inną planetę, na przykład na ten sam Mars, który może przetrwać śmierć naszego Słońca. W końcu ludzkość od dawna patrzy na nią jako na potencjalny drugi dom dla naszej cywilizacji. A jeśli wziąć pod uwagę, jak trudna będzie realizacja idei przesunięcia orbity Ziemi, skolonizowania Marsa i możliwości jego terraformowania w celu nadania planecie bardziej przyjaznego do zamieszkania wyglądu, może nie wydawać się tak trudnym zadaniem.