Ķīniešu zinātniskās fantastikas filmā The Wandering Earth, kas nesen tika izlaista Netflix, cilvēce mēģina mainīt Zemes orbītu, izmantojot milzīgus virzuļus, lai aizbēgtu no izplešanās saules un novērstu sadursmi ar Jupiteru.
Scenārijs kādu dienu var piepildīties. Piecu miljardu gadu laikā saulei beigsies degviela un tā paplašināsies, visticamāk, apņemot Zemi. Tiešāks drauds ir globālās sasilšanas apokalipse. Zemes pārvietošana uz plašāku orbītu varētu būt risinājums - un teorētiski tas ir iespējams.
Bet kā mēs varētu rīkoties, un kādi ir inženiertehniskie izaicinājumi? Argumenta dēļ pieņemsim, ka mūsu mērķis ir pārvietot Zemi no tās pašreizējās orbītas uz orbītu 50% tālāk no saules, līdzīgi kā Marss ”.
Mēs daudzus gadus esam izstrādājuši paņēmienus mazu ķermeņu - asteroīdu - pārvietošanai no to orbītas, galvenokārt, lai aizsargātu mūsu planētu no triecieniem. Daži no tiem balstās uz impulsīvu un bieži vien destruktīvu darbību: kodola sprādzienu pie asteroīda vai uz tā virsmas vai "kinētisko triecienelementu", piemēram, kosmosa kuģi, kas lielā ātrumā saduras ar asteroīdu. Tie acīmredzami nav piemērojami Zemei to destruktīvās rakstura dēļ.
Tā vietā citi paņēmieni ir saistīti ar ļoti maigu, nepārtrauktu virzību ilgā laika posmā, ko nodrošina velkonis, kas novietots uz asteroīda virsmas, vai kosmosa kuģis, kas novietots tā tuvumā (virzoties caur smagumu vai izmantojot citas metodes). Bet Zemei tas nebūtu iespējams, jo tās masa ir milzīga, salīdzinot ar pat lielākajiem asteroīdiem.
Elektriskās piedziņas
Mēs faktiski jau esam pārvietojuši Zemi no tās orbītas. Katru reizi, kad zonde aiziet no Zemes uz citu planētu, tā Zemei dod nelielu impulsu pretējā virzienā, līdzīgi kā ar pistoli. Mums par laimi - bet diemžēl ar mērķi pārvietot Zemi - šis efekts ir neticami mazs.
SpaceX Falcon Heavy ir šodien visveiksmīgākais nesējraķete. Mums būs nepieciešami 300 miljardi miljardu palaižu ar pilnu jaudu, lai sasniegtu orbītas izmaiņas uz Marsu. Materiāls, kas veido visas šīs raķetes, būtu līdzvērtīgs 85% Zemes, Marsa orbītā atstājot tikai 15% Zemes.
Elektriskais dzineklis ir daudz efektīvāks veids, kā paātrināt masu - it īpaši jonu piedziņas, kas darbojas, izšaujot lādētu daļiņu straumi, kas dzen kuģi uz priekšu. Mēs varētu norādīt un atlaist elektrisko dzinekli Zemes orbītas beigu virzienā.
Lielgabarīta urbim vajadzētu būt 1000 kilometru virs jūras līmeņa, ārpus Zemes atmosfēras, bet tomēr stingri piestiprinātam pie Zemes ar stingru staru, lai pārraidītu stumšanas spēku. Ar jonu staru, kas tiek izšauts ar ātrumu 40 kilometri sekundē pareizajā virzienā, mums joprojām būs jāizraida ekvivalents 13% no Zemes masas jonos, lai pārvietotu atlikušos 87%.
Burāšana uz vieglajiem
Tā kā gaisma rada impulsu, bet nav masas, mēs, iespējams, varēsim arī nepārtraukti barot fokusētu gaismas staru, piemēram, lāzeru. Nepieciešamā jauda tiktu savākta no saules, un Zemes masa netiktu patērēta. Pat izmantojot milzīgo 100 GW lāzera iekārtu, ko paredz Breakthrough Starshot projekts, kura mērķis ir izdzīt kosmosa kuģus no Saules sistēmas, lai izpētītu kaimiņu zvaigznes, joprojām būs nepieciešami trīs miljardi miljardu gadu nepārtraukta izmantošana, lai sasniegtu orbītas izmaiņas.
Bet gaismu var atspoguļot arī tieši no saules uz Zemi, izmantojot saules buru, kas novietots blakus Zemei. Pētnieki ir parādījuši, ka, lai sasniegtu orbītas izmaiņas viena miljarda gadu laikā, būtu nepieciešams atstarojošs disks, kas ir 19 reizes lielāks par Zemes diametru.
Starpplanētu biljards
Plaši pazīstams paņēmiens diviem orbītā esošiem ķermeņiem, lai apmainītos ar impulsu un mainītu to ātrumu, ir ar tuvu pāreju vai gravitācijas siksnu. Šāda veida manevrus plaši izmanto starpplanētu zondes. Piemēram, kosmosa kuģis “Rosetta”, kas 2014. – 2016. Gadā apmeklēja komētu 67P, desmit gadu ilgā ceļojumā uz komētu divreiz, 2005. un 2007. gadā, pagāja Zemes tuvumā.
Rezultātā Zemes gravitācijas lauks piešķīra būtisku paātrinājumu Rosetta, kas būtu bijis nepieejams, izmantojot tikai virzuļus. Līdz ar to Zeme saņēma pretēju un vienādu impulsu - kaut arī Zemes masas dēļ tam nebija izmērāmā efekta.
Bet kā būtu, ja mēs varētu veikt katapulta, izmantojot kaut ko daudz masīvāku nekā kosmosa kuģis? Asteroīdus noteikti var novirzīt Zeme, un, kaut arī savstarpēja ietekme uz Zemes orbītu būs niecīga, šo darbību var atkārtot vairākas reizes, lai galu galā panāktu ievērojamas Zemes orbītas izmaiņas.
Daži Saules sistēmas reģioni ir blīvi ar maziem ķermeņiem, piemēram, asteroīdiem un komētām, no kuriem daudzu masa ir pietiekami maza, lai tos varētu pārvietot ar reālistiskām tehnoloģijām, bet tomēr to lielums ir lielāks par to, ko reāli var palaist no Zemes.
Ar precīzu trajektorijas dizainu ir iespējams izmantot tā dēvēto "Δv sviras efektu" - nelielu ķermeni var izbāzt no savas orbītas un rezultātā novirzīties garām Zemei, nodrošinot daudz lielāku impulsu mūsu planētai. Tas var šķist aizraujoši, taču tiek lēsts, ka mums būtu nepieciešams miljons šādu asteroīdu tuvu gājienu, katrs no kuriem atrodas aptuveni dažu tūkstošu gadu attālumā, lai neatpaliktu no saules izplešanās.
Spriedums
No visām pieejamajām iespējām šobrīd šķietami vispieejamākā ir vairāku asteroīdu cilpiņu izmantošana. Bet nākotnē gaismas izmantošana varētu būt galvenā - ja mēs iemācīsimies veidot milzu kosmosa struktūras vai superjaudīgus lāzera blokus. Tos varētu izmantot arī kosmosa izpētei.
Bet, lai gan tas ir teorētiski iespējams un kādu dienu tas var būt arī tehniski iespējams, patiesībā varētu būt vieglāk pārvietot mūsu sugas uz mūsu planētas blakus esošo kaimiņu Marsu, kurš var pārdzīvot saules iznīcināšanu. Galu galā mēs jau esam vairākas reizes nolaidušies uz zemes un izbraukuši pa tās virsmu.
Pārdomājot, cik grūti būtu pārvietot Zemi, kolonizēt Marsu, padarot to apdzīvojamu un laika gaitā pārvietojot Zemes iedzīvotājus, galu galā varētu neizklausīties tik grūti.
Matteo Ceriotti, kosmosa sistēmu inženierijas lektors, Glāzgovas universitāte
