Содержание
Маттео Сериотти – преподаватель инженерии космических систем, Университет Глазго.
В китайском научно-фантастическом фильме “Блуждающая Земля” человечество пытается изменить орбиту Земли с помощью огромных двигателей, чтобы спастись от расширяющегося Солнца и предотвратить столкновение с Юпитером.
На самом деле, этот сценарий однажды может стать неизбежной реальностью. Через пять миллиардов лет у Солнца закончится топливо, и оно расширится, скорее всего, поглотив Землю. А угрозой в обозримом будущем может стать апокалипсис, связанный с глобальным потеплением. Перемещение Земли на более широкую орбиту будет решением проблемы – и теоретически это возможно.
Но как мы можем это сделать и каковы инженерные трудности?
Для примера предположим, что мы хотим сместить Землю с ее нынешней орбиты на орбиту, расположенную на 50% дальше от Солнца, подобную орбите Марса.
Мы уже много лет разрабатываем методы перемещения малых тел – астероидов – с их орбиты, в основном для защиты Земли от столкновений. Некоторые из методов основаны на импульсном и часто разрушительном воздействии: ядерный взрыв вблизи или на поверхности астероида или “кинетический удар”, например, столкновение космического аппарата с астероидом на большой скорости (вспомните недавний удар DART в астероид). Но эти методы явно неприменимы к Земле из-за их разрушительного характера.
Другие методы предполагают мягкую, непрерывную тягу в течение длительного времени, обеспечиваемую буксиром, пристыкованным к поверхности астероида, или космическим кораблем, находящимся вблизи него (воздействие за счет гравитации). Но подобное все равно невозможно для Земли, поскольку ее масса огромна по сравнению даже с самыми крупными астероидами.
Электрические двигатели
На самом деле мы уже сдвигаем Землю с ее орбиты. Каждый раз, когда какая-нибудь космическая ракета покидает Землю, она передает Земле небольшой импульс в обратном направлении, подобно отдаче ружья. К счастью для нас этот эффект невероятно мал.
Falcon Heavy компании SpaceX – самая мощная ракета-носитель на сегодняшний день. Нам потребуется 300 миллиардов миллиардов запусков на полную мощность, чтобы достичь изменения орбиты до Марса. Материал, из которого изготовлены все эти ракеты и топливо в совокупности будет эквивалентен 85% массы Земли, в результате чего на орбите Марса останется только 15% от изначальной массы. Но такие объемы мы просто не в состоянии произвести.
Гораздо более эффективным способом ускорения массы является электрический движитель – в частности, ионные приводы, которые работают, выпуская поток заряженных частиц, толкающие корабль вперед. Мы могли бы направить и запустить электрический движитель в направлении, обратном движению по орбите Земли.
Подруливающее устройство больших размеров должно находиться на высоте 1000 километров над уровнем моря, за пределами земной атмосферы, но прочно прикрепленным к Земле какой-нибудь жесткой балкой, чтобы передавать толкающую силу. При скорости ионного пучка 40 километров в секунду в нужном направлении нам придется выбросить ионов, эквивалентно 13% массы Земли, чтобы сдвинуть оставшиеся 87%. Тоже невыполнимое на сегодняшний день мероприятие.
Парусные гонки на солнечном ветре
Поскольку свет обладает импульсом, но не массой, мы сможем непрерывно питать сфокусированный световой луч, например, лазер. Необходимая энергия будет поступать от Солнца, и при этом не будет расходоваться масса Земли. Даже при использовании огромной лазерной установки мощностью 100 ГВт, разрабатываемой сегодня проектом Breakthrough Starshot (цель которого – вывести космические аппараты за пределы Солнечной системы для исследования соседних звезд) все равно потребуется три миллиарда миллиардов лет непрерывного использования, чтобы добиться изменения орбиты.
Но свет также может отражаться непосредственно от Солнца на Землю с помощью солнечного паруса, установленного рядом с Землей. Теоретические исследования показали, что для изменения орбиты в течение одного миллиарда лет потребуется отражающий парус, площадью в 19 раз больше диаметра Земли.
Межпланетный бильярд
Известный способ обмена импульсом и изменения скорости двух орбитальных тел – сближение, или “гравитационная рогатка”. Этот тип маневра широко используется современными межпланетными зондами. Например, космический аппарат “Розетта”, посетивший комету 67P в 2014-2016 годах, за время своего десятилетнего путешествия к комете проходил вблизи Земли дважды, в 2005 и 2007 годах.
В результате гравитационное поле Земли придало “Розетте” значительное ускорение, которое было бы недостижимо только при использовании двигателей. Следовательно, Земля получила противоположный и равный импульс – хотя это не имело никакого измеримого эффекта из-за разницы масс Земли и “Розетты”.
Но что, если бы мы могли сделать рогатку, используя что-то гораздо более массивное, чем космический корабль? Астероиды, безусловно, могут быть перенаправлены Землей, и хотя взаимное влияние на орбиту Земли будет ничтожным, это действие можно повторять множество раз, чтобы в конечном итоге добиться значительного изменения орбиты нашей планеты.
Некоторые регионы Солнечной системы заполнены небольшими телами, такими как астероиды и кометы, масса многих из которых достаточно мала, чтобы их перемещать с помощью реальных технологий.
При точном расчете траектории можно использовать так называемый “рычаг Δv” – небольшое тело может быть сдвинуто со своей орбиты и в результате пронестись мимо Земли, обеспечивая гораздо больший импульс для нашей планеты. Это может показаться обнадеживающим, но было подсчитано, что нам потребуется миллион таких пролетов астероидов рядом с Землей с интервалом в несколько тысяч лет, чтобы не отстать от расширения Солнца. А если хоть один из этих астероидов немного изменит свою орбиту от расчетной, то мы можем вдобавок получить катастрофический удар в поверхность планеты.
Вывод
Из всех имеющихся вариантов использование нескольких астероидных рогаток кажется сейчас наиболее достижимым. Но в будущем ключевым моментом может стать использование света – если мы научимся строить гигантские космические конструкции или сверхмощные лазерные массивы. Их также можно будет использовать для освоения космоса.
Хотя все это теоретически возможно, а однажды может стать и технически осуществимым, на самом деле проще переселить наш вид на соседнюю планету – Марс, который предположительно сможет пережить разрушение Солнца. В конце концов, мы уже несколько раз высаживались на его поверхность.
Если учесть, насколько сложным было бы передвижение самой Земли, колонизация Марса, создание пригодной для жизни атмосферы и перемещение туда населения Земли со временем может показаться не такой уж сложной задачей.
Читайте также: Земля может быть уникальной среди 700 квинтиллионов планет во Вселенной