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我们能把整个地球移到一个新的轨道上吗?

50亿年后,太阳的燃料将耗尽,体积将开始膨胀,这可能会吞噬整个地球。更直接的威胁是全球变暖的灾难。虽然50亿年将是一个很长的时间,很长一段时间后,我们可能会有一个有趣的讨论现在。让我们假设,为了应对太阳的死亡,将地球推离太阳更远可能是一个解决方案,理论上也是可能的。最终目标是将地球移动到离太阳50%远的轨道上,这几乎是目前火星的轨道。那么我们应该做什么呢?这个计划的工程挑战是什么?

多年来,我们一直在设计使小行星和其他小天体偏离其轨道的技术,主要是为了保护地球免受撞击。有些方法以撞击为基础,往往具有破坏性,例如在小行星表面或其附近触发核爆炸,或使用“动态冲击器”使用高速航天器与小行星碰撞。这些方法极具破坏性,显然不适用于地球。

我们也可以使用一些相对温和的技术来推动小行星,比如停在小行星表面的拖船或长时间(通过重力或其他方法)围绕小行星旋转的宇宙飞船。然而,这对地球来说也是不可能的,因为地球的质量比最大的小行星大得多。

电力推进

事实上,我们一直在推动地球“偏离轨道”。每次探测器离开地球到另一个星球时,都会产生一个与地球相反的脉冲,类似于枪的后坐力,这对我们来说是非常幸运的,因为对于移动地球的目标来说,这种影响非常小,可以忽略不计。

SpaceX的猎鹰重型火箭是目前最强大的运载火箭。我们需要相当于3000亿次满载发射猎鹰重型火箭的推力来将地球转移到火星轨道。构成所有这些火箭的材料相当于地球质量的85%,也就是说,只有15%的地球将最终到达火星轨道。

电推进器是加速物质更有效的方法,尤其是离子驱动技术。它的工作原理是释放一股带电粒子流来推动航天器前进。我们可以点燃一个电推进器,将地球推离当前轨道。

这个超大型推进器应该位于海平面以上1000公里处,在地球大气层之外,但它仍然通过一个刚性梁与地球牢固连接,以传递推力。为了以每秒40公里的速度向正确的方向发射离子束,我们需要以离子的形式发射地球质量的13%来推动地球剩余的87%的物质。

带光航行

光携带动量,但没有质量,所以我们可以连续为聚焦光束(如激光)提供能量。这种能量可以从太阳收集,不会消耗地球的质量。然而,即使使用了“突破性星门计划”设想的100千兆瓦的巨大激光,也需要300亿年的持续使用才能改变轨道。“突破性观星计划”的目标是将探测器推出太阳系,探索邻近的恒星。

然而,光也可以通过安装在地球附近的太阳帆从太阳直接反射到地球,这需要一个比地球直径大19倍的反射板来实现10亿年时间尺度内的轨道变化。

星际弹性球

两个轨道天体可以通过近距离飞越来交换动量和改变速度。这种众所周知的技术叫做重力弹弓。这种操纵方法已被星际探测器广泛使用。例如,从2014年到2016年造访67P彗星的“罗塞塔”号宇宙飞船,在2005年和2007年为期10年的彗星旅行中两次靠近地球。

地球的重力场给罗塞塔带来了巨大的加速度,这是仅靠推进器无法实现的。另一方面,地球也收到了同样大小的相反的脉冲,尽管由于地球的质量,这个脉冲没有可测量的影响。

那么,如果我们能用比宇宙飞船大得多的东西来执行重力弹弓呢?小行星显然可以被地球改变方向。虽然地球轨道上的相互作用非常小,但这种相互作用可以重复无数次,最终可以实现相当大的地球轨道变化。

小行星和彗星等小天体密集分布在太阳系的某些区域。这些小天体中的许多都足够小,可以被实用技术移动,但它们仍然比实际从地球发射的物体大几个数量级。

精确的轨道设计可以利用所谓的“重力弹弓效应”将一个小天体抛离地球,从而为推动地球提供更大的推动力。这听起来令人兴奋,但科学家估计,我们需要100万颗这样的小行星近距离掠过地球,每次飞越之间的间隔约为几千年,以跟上太阳的膨胀速度。

可能的结果

在所有可能的选择中,利用多个小行星进行重力抛射似乎是目前最可行的方法,但在未来,如果我们学会建造巨大的太空光帆结构或超强激光阵列,就有可能利用光来推动地球,这些技术也可以用于太空探索。

虽然理论上推动地球前进是可能的,我们也许有一天能够开发出可行的技术,但事实上,将包括我们在内的地球物种转移到邻近的火星上要容易得多,这颗红色的行星可能会在太阳毁灭后存活下来。

人类已经把探测器送到了火星表面,并进行了大量的研究。考虑到将地球推离轨道的挑战,我们更合理的选择应该是殖民火星,使其适于居住,并随着时间的推移将地球人口迁移到那里。



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