电影是科幻,但它的前提可能有一天是真的。我们能把地球移到更宽的轨道上吗?
在之前上映的《流浪地球》中,人类试图利用巨大的推进器改变地球的轨道,以逃离不断膨胀的太阳,并防止与木星相撞。
这种情况有一天可能会成为现实。50亿年后,太阳将耗尽燃料并膨胀,很可能吞噬地球。更直接的威胁是全球变暖的大灾难。把地球移到一个更宽的轨道上可能是一个解决方案,而且在理论上是可能的。
但是我们该怎么做呢工程上有什么苦难呢?为了便于讨论,让我们假设我们的目标是把地球从目前的轨道移到离太阳50%远的轨道,类似于火星的轨道。
多年来,我们一直在设计将小行星从轨道上移开的技术,主要是为了保护我们的星球免受撞击。有些是基于冲动性的,通常是破坏性的作用:小行星表面或附近的核爆炸,或“动力冲击器”,例如航天器与小行星高速相撞。由于它们的破坏性,它们显然不适用于地球。
相反,其他的技术包括一个非常温和的,在很长一段时间内持续推动,由停靠在小行星表面的拖船提供,或由一个航天器在它附近盘旋(通过重力或其他方法推动)。但这对地球来说是不可能的,因为地球的质量甚至比最大的小行星还要大。
我们实际上已经把地球从轨道上移开了。每次探测器离开地球前往另一颗行星时,都会向地球施加一个相反方向的小脉冲,类似于枪的反冲。对我们来说是幸运的,但不幸的是,对于地球的运动来说,这种影响是非常小的。
利用重型运载火箭来运载火箭,我们将需要3000亿次发射满负荷才能实现火星轨道的改变。构成所有这些火箭的材料将相当于地球的85%,只剩下地球的15%在火星轨道上。
电推力器是一种更有效的加速质量的方法,尤其是离子驱动,它通过释放一股带电粒子流来推动飞船前进。我们可以指向地球轨道的尾部发射一个电子推进器。
超大型推进器应该在海平面以上1000公里处,在地球大气层之外,但仍然用一根刚性梁(梁两端节点都在同一根柱截面内的短梁)牢牢地与地球相连,以传递推力。如果一束离子束以每秒40公里的速度向正确的方向发射,我们仍然需要喷射相当于地球质量13%的离子来移动剩下的87%。
由于光携带动量,但没有质量,我们也可以连续地为聚焦的光束提供动力,比如激光。所需的能量将从太阳收集,而不会消耗地球的质量。即使使用突破性的星图计划设想的巨大的100GW激光装置,这一计划旨在将航天器从太阳系中推出,以探索邻近的恒星,实现轨道变化仍需要30亿年的持续使用。
但是光也可以通过安装在地球附近的太阳帆直接从太阳反射到地球。研究人员表示,它需要一个比地球直径大19倍的反射盘,才能在10亿年的时间尺度内实现轨道变化。
两颗轨道物体交换动量和改变速度的著名技术是通过近距离通道,或引力弹弓。这种操纵方式已被星际探测器广泛使用。例如,在2014-2016年访问67P彗星的罗塞塔号飞船,在其10年的彗星之旅中,在2005年和2007年两次经过地球附近。
结果,地球的重力场给罗塞塔带来了巨大的加速度,而这仅靠推进器是无法实现的。结果,地球受到了一个相反的、相等的冲力——尽管由于地球的质量,这没有任何可测量的影响。
但如果我们能用比宇宙飞船大得多的东西来弹弓呢?小行星当然可以被地球重定向,虽然对地球轨道的相互影响很小,但这种作用可以重复无数次,最终实现可观的地球轨道变化。
太阳系的一些区域密集着小行星和彗星等小天体,其中许多小天体的质量小到可以用现实的技术移动,但仍然比从地球上实际发射的物体要大几个数量级。
精确的轨迹设计,可以利用所谓的“Δv杠杆”——小身体可以推动它的轨道,并因此摆过地球,为我们的星球提供更大的冲动。这似乎令人兴奋,但据估计,我们需要100万颗这样的小行星近距离掠过地球,每颗相隔几千年,才能跟上太阳的膨胀速度。
在所有可用的选项中,使用多个小行星弹弓似乎是目前最可行的。但在未来,如果我们学会如何建造巨大的空间结构或超级强大的激光阵列,利用光可能是关键。这些也可以用于太空探索。
虽然理论上是可能的,也许有一天在技术上是可行的,但实际上可能更容易把我们的物种迁移到我们的行星邻居火星,那里可能在太阳毁灭后幸存下来。毕竟,我们已经在火星表面着陆并绕其表面旋转了好几次。
考虑到移动地球是多么具有挑战性之后,殖民火星,使其适宜居住,并随着时间的推移将地球人口迁移到那里,听起来可能根本不那么困难。
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