流浪地球:火箭科学家解释我们如何移动我们的星球。
这种情况也许有一天会成为现实。五十亿年后,太阳将耗尽燃料并膨胀,很有可能吞没地球。更直接的威胁是全球变暖的灾难。将地球移至更宽的轨道可能是一种解决方案——理论上是可能的。
但是怎么才能解决这个问题呢?工程挑战是什么?为了演示,我们假设我们的目标是将地球从目前的轨道移动到距离太阳50%的轨道,类似于火星。
多年来,我们一直在设计将小天体——小行星——从轨道上移除的技术,主要是为了保护地球免受撞击。有些是基于冲动的,通常是破坏性的行动:小行星附近或表面的核爆炸,或“动能对撞机”,如航天器高速撞击小行星。因为它们具有破坏性,这些显然不适用于地球。
其他技术包括非常温和和持续的长时间推进,由停靠在小行星表面的拖船或在其附近悬停的航天器提供(推动重力或其他方法)。但这对于地球来说是不可能的,因为与最大的小行星相比,它的质量是巨大的。
事实上,我们已经把地球从轨道上移走了。每当探测器离开地球进入另一个星球时,都会对地球产生一个反方向的小冲力,类似于枪的后坐力。对我们来说幸运的是——但不幸的是,为了移动地球——这种影响非常小。
太空探索技术公司的猎鹰重型是当今最强大的运载火箭。为了改变火星的轨道,我们需要满负荷发射300亿次。所有这些火箭都将由相当于地球85%的材料制成,火星轨道上只剩下地球的15%。
电推进器是一种更有效的加速质量的方法,尤其是离子驱动器,通过发射驱动粒子流来推动容器前进。我们可以指向地球轨道的尾部方向并发射电力推进器。
超大型螺旋桨应该在海拔1000公里,超出地球大气层,但仍然用刚性梁牢牢地附着在地球上,传递推力。如果以每秒40公里的速度向正确的方向发射离子束,我们还需要在离子中喷射相当于地球质量13%的剩余部分,才能移动剩余的87%。
因为光带有动量,但没有质量,所以我们也可以不断地向聚焦光束(如激光)供电。所需的能量将从太阳收集,而不消耗地球的质量。即使拥有突破Starshot项目中设想的庞大的100GW激光设备,该项目旨在推动空间系统探测邻近恒星,但仍需要连续使用3亿年才能实现轨道变化。
但是太阳帆驻扎在地球旁边,光也可以直接从太阳反射到地球。研究人员证明,要在100亿年的时间尺度内实现变轨,需要一个比地球直径大19倍的反射器。
两个轨道运行的物体交换动量和改变速度的一个众所周知的技术是通过一个封闭的通道或重力弹弓。这种机动已经被星际探测器广泛使用。例如,在2014年至2016年期间,在其十年旅程中造访彗星67P的罗塞塔飞船曾于2005年和2007年两次经过地球附近。
因此,地球重力场给罗塞塔带来了相当大的加速度,只有螺旋桨才能实现。因此,地球获得相反和相同的冲量——尽管由于地球的质量,它没有可测量的影响。
但是如果我们能用比飞船更大的东西来执行弹弓呢?小行星当然可以被地球重定向。虽然在地球轨道上的相互作用很小,但是这个动作可以重复很多次,最终会实现地球轨道的一个相当大的变化。
太阳系的一些区域密度很大,有小天体,比如小行星和彗星。它们中的许多小到可以被真正的技术移动,但它们仍然比地球实际排放的气体大几个数量级。
通过精确的轨迹设计,我们可以使用所谓的“δ V杠杆”——一个小天体可以远离其轨道,从而摆动穿过地球,为我们的星球提供更大的冲力。这看起来很令人兴奋,但据估计,我们需要一百万次这样的小行星近距离通道,每次间隔数千年,才能跟上太阳的膨胀。
在所有可用的选项中,使用多个小行星弹弓似乎是目前最容易实现的。但在未来,如果我们学会如何建造巨大的空间结构或超大型激光阵列,那么发展光可能是关键。这些也可以用于太空探索。
虽然这在理论上是可行的,并且有一天可能在技术上也是可行的,但实际上,将我们的物种迁移到我们星球的隔壁邻居火星可能更容易,火星可能会在太阳的毁灭中幸存下来。毕竟,我们已经在它的表面着陆和漂流了几次。
考虑到移动地球是多么具有挑战性,在火星定居,使其适合居住,并随着时间的推移移动地球的人口,听起来可能并不困难。