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如何让地球搬家,迁入一条新轨道?

发布时间:2019-05-27 10:18:47  作者:漫步宇宙  来源:漫步宇宙  阅读:198

      在中国科幻大片《流浪地球》中,由于太阳不断膨胀,即将吞没地球,人类不得已借助分布在世界各地的巨型推进器改变地球的轨道,踏上流浪之旅。如果在将来的某一天,《流浪地球》中的情节成为现实,我们能否让地球迁入一条新轨道?整个过程又将遭遇哪些工程学挑战。
    如何让地球搬家,迁入一条新轨道?
      50亿年后,太阳将耗尽燃料并不断膨胀,极有可能吞噬地球
      《流浪地球》虽然是一部科幻影片,但片中的情节可能在将来的某一天成为现实。50亿年后,太阳将耗尽燃料并不断膨胀,极有可能吞噬地球。与太阳死亡相比,全球变暖则是一个更为紧迫的威胁。将地球迁入一条新轨道是一种解决方案,而且在理论上可行。如果上演现实版的《流浪地球》,我们将怎么做,又会遭遇哪些工程学挑战?
      首先,我们做这样一个假设:我们的目标是让地球迁入一条距太阳更远的轨道——比当前轨道远50%的类火星轨道。多年来,我们一直在研发小行星变轨技术,试图让它们改变轨道,避免与地球发生相撞事故。
    如何让地球搬家,迁入一条新轨道?
      艺术概念图,流浪行星与地球相撞
      一些变轨方案往往会采取破坏性行动,例如在小行星表面或者附近引爆核弹,又或者利用所谓的动能撞击器,例如让飞船高速撞击来袭小行星。由于极具破坏性,这些方式显然不适合地球。
      其它方案较为温和但需要相当长的时间。具体地说,就是利用钩挂在小行星表面的拖船一点点拖动小行星,或者让飞船在小行星附近盘旋,利用引力或者其它方式改变小行星的轨道。由于地球质量很大,即使是个头最大的小行星,也无法与地球相提并论,这些技术同样不适合地球。
    如何让地球搬家,迁入一条新轨道?
      Space X在加州范登堡空军基地发射猎鹰9型火箭
      实际上,我们一直在改变地球的轨道。每次探测器飞离地球并前往另一颗行星,都会对地球施加很小的反向推力,这有点像开枪时产生的后座力。庆幸地说,这种反向推力微乎其微,无法被我们察觉到。不过,这也意味着我们无法通过这种方式达到给地球搬家的目的。即使存在这种可能性,也是一种非常不现实的做法。
      SpaceX公司的猎鹰重型火箭是当前性能最卓越的运载火箭之一。为了让地球迁入与火星一样的轨道,我们需要进行3万亿亿次满负荷发射。制造这些火箭耗费的材料相当于地球质量的85%。等到迁到火星轨道,地球质量就只剩下15%。
    如何让地球搬家,迁入一条新轨道?
      喷气推进实验室,美国宇航局的NSTAR离子推进器正在接受测试
      电动推进器的能效远高于常规火箭,尤其是离子推进器。离子推进器喷射带电粒子流,进而驱动飞船前行。我们可以向地球轨道的背向启动巨型电动推进器,改变地球的轨道。这种巨型推进器可以部署在海平面1000公里,虽然离开地球大气层,但仍借助刚性梁与地球紧紧相连,不断输出推动力。如果方向正确,有了每秒40公里速度喷射的离子束,我们仍需要喷射出相当于地球质量13%的粒子才能推动余下87%的质量。
    如何让地球搬家,迁入一条新轨道?
      太阳帆艺术概念图
      虽然光子没有静止质量但是有动量。我们还可以给聚焦光束,例如激光束,供能来实现给地球搬家的愿望。我们可以从阳光获取所需的能量,如此一来,便无需耗费地球的质量。不过,即使采用突破摄星计划设想的100GW超级激光阵列,也需要300亿亿年才能改变地球的轨道。(突破摄星的激光阵列用于驱动飞船逃离太阳系并造访附近的恒星系统。)
      借助部署在地球附近的太阳帆,我们可以将阳光直接反射到地球。研究人员发现需要一个比地球直径大19倍多的反射盘,才能实现这个10亿年的计划。
    如何让地球搬家,迁入一条新轨道?
      欧洲航天局的“罗塞塔”号探测器
      所谓的“引力弓”是指两颗彼此环绕的天体通过极近但是互不接触的方式交换动量和改变速度。这是行星际探测器惯用的一种机动方式。2014年至2016年间,欧洲航天局的“罗塞塔”号飞船造访彗星67P。在奔赴这颗彗星的10年旅途中,“罗塞塔”号于2005年和2007年两次近距离掠过地球。通过这种操作,地球的引力场大幅提高“罗塞塔”号的加速度。这是单纯使用推进器无法做到的。虽然地球受到力量相同但方向相反的推动力,但由于地球质量很大,并不能产生可测量的影响。
      如果借助质量远大于飞船的物体,此时的引力弹弓会产生怎样的效果?小行星确实可以被地球的引力改变轨道,但地球轨道受到的反作用力微乎其微。如果采用这种方式,需要重复无数次,才能在很大程度上改变地球的轨道。
    如何让地球搬家,迁入一条新轨道?
      太阳是地球生命不可或缺的能量源。但太阳终究是一颗恒星,终有一天会走向死亡
      太阳系的某些区域充斥着大量小天体,包括小行星和彗星,其中很多天体的质量很小,可以借助技术手段改变它们的轨道。但与从地球发射的人造飞船相比,它们仍旧是庞然大物。
      通过精准的飞行路线设计,我们可以利用“Δv杠杆”,让地球获得推力。所谓的“Δv杠杆”是指将小天体被推出它们的轨道而后掠过地球,让地球获得更大的推动力。这听起来很令人兴奋,但据科学家估计,我们需要100万次小行星擦肩而过,每次间隔几千年,才能在太阳急剧膨胀并吞噬地球前,让地球逃离当下的轨道。
    如何让地球搬家,迁入一条新轨道?
      用于驱动光帆的激光相控阵列,可能建在智利沙漠
      在所有潜在方案中,利用多颗小行星的引力弹弓在当下最具可行性。但在未来,光束驱动才是最佳选择。如果我们知道如何在太空中建造巨型建筑或者拥有功率超级强大的激光阵列,我们便可让这个方案成为现实。除了改变地球轨道,这项技术也可用于太空探索。
      作为地球的邻居,殖民火星一直是人类的一个梦想。即使太阳在未来发生可怕的膨胀,火星也可能幸免于难。现在,火星殖民计划只在理论上具有可能性,但在将来的某一天,这项计划在技术上也将具有可行性。
      与改变地球轨道相比,移民火星的难度更低。毕竟,我们已经多次派遣探测器造访这颗红色星球。在思考地球变轨面临的挑战时,我们不妨将目光投向火星殖民计划。我们可以借助技术手段让火星具有宜居性,而后随着时间的推移分批移民。与让地球流浪相比,这是一个更合理的选择。

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