Kas nutiks Žemei po orbitos poslinkio? Inžinieriaus žvilgsnis

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Kinų mokslinės fantastikos filme „Wandering Earth“, kurį išleido „Netflix“, žmonija, naudodama didžiulius variklius, sumontuotus aplink planetą, bando pakeisti Žemės orbitą, kad jos nesunaikintų mirštanti ir besiplečianti Saulė, taip pat išvengtų susidūrimo su Jupiteriu… Toks kosminės apokalipsės scenarijus vieną dieną gali iš tikrųjų įvykti. Maždaug po 5 milijardų metų mūsų saulei pritrūks kuro termobranduolinei reakcijai, ji išsiplės ir, greičiausiai, praris mūsų planetą. Žinoma, dar anksčiau visi mirsime nuo visuotinio temperatūros kilimo, tačiau Žemės orbitos keitimas iš tiesų gali būti būtinas sprendimas norint išvengti katastrofos, bent jau teoriškai.

Tačiau kaip žmonija gali susidoroti su tokia nepaprastai sudėtinga inžinerine užduotimi? Kosmoso sistemų inžinierius Matteo Ceriotti iš Glazgo universiteto „The Conversetion“puslapiuose pasidalijo keliais galimais scenarijais.

Tarkime, mūsų užduotis yra išstumti Žemės orbitą, nutolinant ją nuo Saulės maždaug per pusę atstumo nuo dabartinės vietos iki maždaug ten, kur dabar yra Marsas. Pirmaujančios kosmoso agentūros visame pasaulyje jau seniai svarstė ir netgi dirba su idėją išstumti iš savo orbitų mažus dangaus kūnus (asteroidus), kurie ateityje padės apsaugoti Žemę nuo išorinių poveikių. Kai kurie variantai siūlo labai destruktyvų sprendimą: branduolinis sprogimas šalia asteroido arba ant jo; „kinetinio smogtuvo“, kurio vaidmenį, pavyzdžiui, gali atlikti erdvėlaivis, kurio tikslas – dideliu greičiu susidurti su objektu, kad pakeistų jo trajektoriją. Tačiau kalbant apie Žemę, šios galimybės tikrai neveiks dėl savo destruktyvaus pobūdžio.

Taikant kitus metodus, siūloma asteroidus iš pavojingos trajektorijos ištraukti naudojant erdvėlaivius, kurie veiks kaip vilkikai, arba pasitelkus didesnius erdvėlaivius, kurie dėl savo gravitacijos pavojingą objektą ištrauks iš Žemės. Vėlgi, tai neveiks su Žeme, nes objektų masė bus visiškai nepalyginama.

Elektros varikliai

Tikriausiai pamatysite vienas kitą, bet mes jau seniai išstumėme Žemę iš savo orbitos. Kiekvieną kartą, kai kitas zondas palieka mūsų planetą tirti kitus Saulės sistemos pasaulius, jį nešanti raketa sukuria mažytį (žinoma, planetos masto) impulsą ir veikia Žemę, stumdama ją priešinga jos judėjimui kryptimi. Pavyzdys – šūvis iš ginklo ir atsirandantis atatranka. Mūsų laimei (bet, deja, mūsų „planui išstumti Žemės orbitą“), šis poveikis planetai beveik nepastebimas.

Šiuo metu galingiausia raketa pasaulyje yra amerikietiška Falcon Heavy iš SpaceX. Tačiau mums prireiks apie 300 kvintilijonų šių nešėjų paleidimų pilna apkrova, kad galėtume panaudoti aukščiau aprašytą metodą Žemės orbitai perkelti į Marsą. Be to, visoms šioms raketoms sukurti reikalingų medžiagų masė bus lygi 85 procentams pačios planetos masės.

Veiksmingesnis būdas pagreitinti masę bus elektros variklių, ypač joninių, kurie išskiria įkrautų dalelių srautą, dėl kurio atsiranda pagreitis, naudojimas. Ir jei vienoje mūsų planetos pusėje sumontuosime kelis tokius variklius, mūsų senoji Žemės moteris tikrai gali leistis į kelionę per Saulės sistemą.

Tiesa, tokiu atveju prireiks tikrai gigantiškų gabaritų variklių. Jas reikės įrengti maždaug 1000 kilometrų aukštyje virš jūros lygio, už žemės atmosferos ribų, bet kartu saugiai pritvirtinti prie planetos paviršiaus, kad į jį būtų galima perduoti stūmimo jėgą. Be to, net jei jonų pluoštas 40 kilometrų per sekundę išsviedžiamas norima kryptimi, vis tiek turime išmesti 13 procentų Žemės masės ekvivalentą kaip jonų daleles, kad judintume likusius 87 procentus planetos masės.

Lengva burė

Kadangi šviesa neša impulsą, bet neturi masės, planetai išstumti taip pat galime naudoti labai galingą nuolatinį ir sufokusuotą šviesos spindulį, pavyzdžiui, lazerį. Tokiu atveju bus galima panaudoti pačios Saulės energiją, jokiu būdu nenaudojant pačios Žemės masės. Tačiau net ir naudojant neįtikėtinai galingą 100 gigavatų lazerinę sistemą, kurią planuojama panaudoti didžiausiame „Starshot“projekte, kurio metu mokslininkai lazerio spindulį nori nusiųsti nedidelį kosminį zondą į artimiausią mūsų sistemos žvaigždę, mums reikės trijų. kvintilijonus metų nepertraukiamo lazerio impulso, kad pasiektume mūsų tikslą pakeisti orbitą.

Saulės šviesa gali atsispindėti tiesiai nuo milžiniškos saulės burės, kuri bus erdvėje, bet pritvirtinta prie Žemės. Atlikdami ankstesnius tyrimus, mokslininkai nustatė, kad tam reikės atspindinčio disko, 19 kartų didesnio už mūsų planetos skersmenį. Tačiau šiuo atveju norint pasiekti rezultatą, teks palaukti apie milijardą metų.

Tarpplanetinis biliardas

Kitas galimas Žemės pašalinimo iš dabartinės orbitos variantas yra gerai žinomas būdas keistis judesiais tarp dviejų besisukančių kūnų, siekiant pakeisti jų pagreitį. Ši technika taip pat žinoma kaip gravitacijos pagalba. Šis metodas dažnai naudojamas tarpplanetinėse tyrimų misijose. Pavyzdžiui, erdvėlaivis „Rosetta“, kuris 2014–2016 m. aplankė kometą 67P, per dešimt metų trukusią kelionę į tyrimo objektą, naudojo gravitacijos pagalbą aplink Žemę du kartus – 2005 ir 2007 m.

Dėl to Žemės gravitacinis laukas kiekvieną kartą padidindavo Rosetta pagreitį, kurio būtų buvę neįmanoma pasiekti naudojant tik paties aparato variklius. Šių gravitacinių manevrų rėmuose Žemė taip pat gavo priešingą ir vienodą pagreičio impulsą, tačiau, žinoma, tai neturėjo jokio išmatuojamo poveikio dėl pačios planetos masės.

Bet ką daryti, jei naudosite tą patį principą, bet su kažkuo masyvesniu nei erdvėlaivis? Pavyzdžiui, tie patys asteroidai, veikiami Žemės gravitacijos, tikrai gali pakeisti savo trajektorijas. Taip, vienkartinė abipusė įtaka Žemės orbitai bus nereikšminga, tačiau šis veiksmas gali būti kartojamas daug kartų, kad galiausiai pasikeistų mūsų planetos orbitos padėtis.

Tam tikri mūsų Saulės sistemos regionai yra gana tankiai „įrengti“daugybe mažų dangaus kūnų, tokių kaip asteroidai ir kometos, kurių masė pakankamai maža, kad naudojant atitinkamas ir gana realias vystymosi technologijas priartėtų prie mūsų planetos.

Labai kruopščiai apskaičiavus trajektoriją, visiškai įmanoma naudoti vadinamąjį „delta-v poslinkio“metodą, kai mažas kūnas gali būti išstumtas iš savo orbitos dėl artimo artėjimo prie Žemės, suteiks daug didesnį pagreitį mūsų planetai. Visa tai, žinoma, skamba labai šauniai, tačiau anksčiau buvo atlikti tyrimai, kurie nustatė, kad šiuo atveju mums prireiktų milijono tokių artimų asteroidų perėjimų, ir kiekvienas iš jų turi įvykti kelių tūkstančių metų intervale, kitaip mes būsime vėlai tuo metu, kai Saulė taip išsiplečia, kad gyvybė Žemėje tampa neįmanoma.

išvadas

Iš visų šiandien aprašytų variantų realiausia yra naudoti kelis asteroidus gravitacijos pagalbai. Tačiau ateityje šviesos panaudojimas gali tapti tinkamesne alternatyva, žinoma, jei išmoksime kurti milžiniškas kosmines struktūras ar itin galingas lazerines sistemas. Bet kuriuo atveju šios technologijos taip pat gali būti naudingos mūsų būsimiems kosmoso tyrinėjimams.

Ir vis dėlto, nepaisant teorinės galimybės ir praktinių galimybių ateityje, mums bene tinkamiausias išsigelbėjimo variantas būtų persikėlimas į kitą planetą, pavyzdžiui, tą patį Marsą, kuris gali išgyventi ir po mūsų Saulės mirties. Juk žmonija jau seniai į tai žiūri kaip į potencialius antruosius mūsų civilizacijos namus. Ir jei taip pat atsižvelgsite į tai, kaip sunku bus įgyvendinti Žemės orbitos poslinkio idėją, Marso kolonizavimas ir galimybė jį teraformuoti, kad planeta atrodytų tinkamesnė gyventi, gali pasirodyti ne tokia sudėtinga užduotis.