В китайском научно-фантастическом фильме «Блуждающая земля», недавно выпущенном на Netflix, человечество пытается изменить орбиту Земли, используя огромные двигатели, чтобы избежать растущего солнца - и предотвратить столкновение с Юпитером.
Сценарий может однажды сбыться. Через пять миллиардов лет солнце исчерпает топливо и расширится, скорее всего, поглотив Землю. Более непосредственная угроза - апокалипсис глобального потепления. Перемещение Земли на более широкую орбиту может быть решением - и это возможно в теории.
Но как мы можем это сделать и каковы инженерные проблемы? Ради аргумента давайте предположим, что мы стремимся переместить Землю с ее нынешней орбиты на орбиту на 50% дальше от Солнца, подобно Марсу.
В течение многих лет мы разрабатываем методы перемещения небольших тел - астероидов - с их орбиты, главным образом для защиты нашей планеты от ударов. Некоторые из них основаны на импульсивном и часто разрушительном действии: ядерный взрыв вблизи или на поверхности астероида или «кинетический ударник», например космический корабль, сталкивающийся с астероидом с высокой скоростью. Они явно не применимы к Земле из-за их разрушительного характера.
Вместо этого другие методы включают в себя очень плавный, непрерывный толчок в течение длительного времени, который обеспечивается буксиром, пришвартованным на поверхности астероида, или космическим кораблем, парящим рядом с ним (проталкивание под действием силы тяжести или другими методами). Но это было бы невозможно для Земли, поскольку ее масса огромна по сравнению даже с самыми большими астероидами.
Электрические двигатели
Мы фактически уже двигали Землю с ее орбиты. Каждый раз, когда зонд покидает Землю для другой планеты, он посылает на Землю небольшой импульс в противоположном направлении, подобно отдаче пушки. К счастью для нас - но, к сожалению, с целью перемещения Земли - этот эффект невероятно мал.
Falcon Heavy от SpaceX - самая мощная ракета-носитель на сегодняшний день. Нам понадобится 300 миллиардов миллиардов пусков на полную мощность, чтобы добиться изменения орбиты на Марс. Материал, из которого состоят все эти ракеты, будет эквивалентен 85% Земли, оставляя только 15% Земли на орбите Марса.
Электрический двигатель - гораздо более эффективный способ ускорения массы - в частности, ионные приводы, которые работают, выпуская поток заряженных частиц, которые продвигают судно вперед. Мы могли бы указать и запустить электрический двигатель в заднем направлении на орбите Земли.
Подруливающее устройство негабаритного размера должно находиться на высоте 1000 километров над уровнем моря, за пределами атмосферы Земли, но при этом оно должно быть прочно прикреплено к Земле жестким лучом для передачи толкающей силы. С ионным пучком, запускаемым со скоростью 40 километров в секунду в правильном направлении, нам все равно нужно выбросить эквивалент 13% массы Земли в ионах, чтобы переместить оставшиеся 87%.
Парусный спорт на свете
Поскольку свет несет импульс, но не имеет массы, мы также можем непрерывно питать сфокусированный луч света, такой как лазер. Требуемая энергия будет собрана от солнца, и никакая масса Земли не будет потреблена. Даже при использовании огромной лазерной установки мощностью 100 ГВт, предусмотренной проектом Breakthrough Starshot, целью которого является вывод космического корабля из солнечной системы для исследования соседних звезд, для достижения изменения орбиты все равно потребуется три миллиарда миллиардов лет непрерывного использования.
Но свет также может отражаться непосредственно от Солнца на Землю с помощью солнечного паруса, расположенного рядом с Землей. Исследователи показали, что для достижения изменения орбиты в течение одного миллиарда лет потребуется отражающий диск, в 19 раз превышающий диаметр Земли.
Межпланетный бильярд
Хорошо известная техника для двух вращающихся тел для обмена импульсом и изменения их скорости - с помощью близкого прохода или гравитационной рогатки. Этот тип маневра широко использовался межпланетными зондами. Например, космический корабль «Розетта», который посетил комету 67P в 2014–2016 годах, во время своего десятилетнего путешествия к комете дважды проходил вблизи Земли, в 2005 и 2007 годах.
В результате гравитационное поле Земли сообщило Розетте существенное 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 массы Земли.
Но что, если бы мы могли выполнить рогатку, используя что-то более массивное, чем космический корабль? Астероиды, безусловно, могут быть перенаправлены Землей, и хотя взаимное влияние на орбиту Земли будет незначительным, это действие может повторяться много раз, чтобы в конечном итоге достичь значительного изменения орбиты Земли.
Некоторые области солнечной системы плотны с небольшими телами, такими как астероиды и кометы, масса многих из которых достаточно мала, чтобы их можно было перемещать с помощью реалистичных технологий, но все же на несколько порядков больше, чем те, которые могут быть реально запущены с Земли.
С точной схемой траектории можно использовать так называемое «усиление Δv» - маленькое тело можно вытолкнуть за пределы своей орбиты и в результате пролететь мимо Земли, обеспечивая гораздо больший импульс для нашей планеты. Это может показаться захватывающим, но было подсчитано, что нам понадобится миллион таких близких проходов астероидов, каждый из которых расположен на расстоянии около нескольких тысяч лет, чтобы не отставать от расширения Солнца.
Вердикт
Из всех доступных вариантов использование нескольких астероидных рогаток кажется наиболее достижимым прямо сейчас. Но в будущем ключевым фактором может стать использование света - если мы научимся строить гигантские космические структуры или сверхмощные лазерные матрицы. Они также могут быть использованы для освоения космоса.
Но хотя это теоретически возможно и когда-нибудь будет технически осуществимо, на самом деле может быть легче перенести наш вид на нашего ближайшего соседа по планете, Марса, который может пережить разрушение Солнца. В конце концов, мы уже несколько раз приземлялись и бродили по его поверхности.
Если учесть, насколько сложно было бы передвинуть Землю, колонизировать Марс, сделать его пригодным для жилья и перенести туда население Земли со временем, может показаться не таким уж сложным.
Маттео Чериотти, лектор по проектированию космических систем, Университет Глазго
