太陽未來可能膨脹並吞沒地球(圖:Aphelleon/Shutterstock)

中國科幻電影《流浪地球》中,人類試圖用巨大的推進器改變地球的軌道,以避開不斷擴大的太陽並防止與木星碰撞。這個劇情未來可能會成真。50 億年後,太陽將耗盡燃料並急遽膨脹,很可能吞沒地球。將地球移動到離太陽更遠的軌道是一種理論上可行的解決方案。

移動地球

多年來航太科學一直研究改變小行星軌道的技術,主要是為了保護地球免受撞擊。一部分是利用衝擊且通常具破壞性的方式:例如在小行星附近或表面引爆核子武器,或以太空探測器高速撞擊。顯然它們的破壞性並不適合用於地球。反之其他技術則以溫和、連續的方式長時間推動,例如由停靠在小行星表面上或在其附近盤旋​​的太空船以重力或其他方法推動。但因為地球的質量遠超過小行星而不可行。

移動地球的挑戰為何?為了論證,我們假設目標是要將地球從目前軌道移動到現在火星的位置上。

反作用力

實際上我們已經移動過地球軌道。每當探測器離開地球進入太空時,它就會對地球向相反方向的施加一個小的衝力,類似槍的後座力,但這種效果非常小。SpaceX 的獵鷹重型運載火箭(Falcon Heavy)是當今最強大的運載火箭。為了實現將地球移動到火星軌道,需要滿載荷發射火箭 3 X 1022 次。這些火箭的推進能量相當於地球質量的 85%,推動地球 15% 的質量到火星軌道上。

電力推進器(electric thruster)是一種更有效讓質量加速的方法,特別是離子推進器,這種推進器發射一股帶電粒子來推動太空船前進。我們可以在地球軌道的移動軌跡方向上使用推進器。這個超大推進器應該高達 1000 公里,超出地球大氣層,但仍得固定在地球上以傳遞推力。如果離子束以正確的方向以每秒 40 公里的速度發射,我們仍然需要噴射相當於地球質量 13% 的離子,才能導致地球 87% 的質量產生軌道偏移。

以光航行

由於光攜帶動量,但沒有質量,我們也可以持續用雷射等聚焦光速提供動能,其能量可來自太陽,此舉不會消耗地球質量。不過即使使用「突破攝星計畫」(Breakthrough Starshot)的 100 GW 相位陣列(phased array)雷射,仍需連續使用 3 X 1020 年才能改變地球軌道。

此外,也可以在地球旁邊架設太陽帆,讓光從太陽反射到地球。研究人員已經證明,需要一個比地球直徑大 19 倍的反射盤才能在 10 億年內實現軌道變化。

重力彈弓效應

兩個天體在各自的軌道近距交會時交換動量並改變速度,被稱為「重力彈弓效應」(gravitational slingshot)。此種技術已被太空探測器廣泛用於加速。例如羅塞塔探測器(Rosetta)在旅程中曾於 2005 年和 2007 年兩次在地球附近通過。地球的重力場讓羅塞塔號獲得了單靠推進器無法實現的巨大加速度,地球也同時得到了相對的反作用力,但由於地球的質量太大,幾乎無法讓地球軌道偏移。

但是,假如我們使用質量更大的物體進行「重力彈弓效應」呢?小行星雖然對地球軌道的影響很小,但這種作用力可以重複多次,最終實現一定程度的地球軌道變化。但據估計,需要改變 100 萬顆小行星的軌道,讓這些小行星與地球近距交會,每次間隔幾千年,才能趕上太陽的膨脹。

結論

在所有可用的選項中,以小行星進行重力彈弓效應似乎是目前最容易實現的。但是在未來,如何運用光可能是關鍵,若我們學會如何建造巨大的太空建築或超強大的雷射陣列,這些也有助於太空探索。

雖然上述方法理論上可行,且未來也可能在技術上可行,不過將人類移動到火星可能比較容易,畢竟我們已經多次成功登陸火星。

看來移動地球是具有挑戰性的任務,相較之下,讓火星適合居住並殖民,讓地球的人口與時推移遷居可能看來不太困難。

參考資料:

  1. Ceriotti, M. (2019, May 27). Wandering Earth: Rocket scientist explains how we could move our planet. Retrieved August 10, 2019.
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Breakthrough_Starshot
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