當太陽不斷膨脹,如何移動地球才能避開災難?
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。
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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。
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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:
- Ceriotti, M. (2019, May 27). Wandering Earth: Rocket scientist explains how we could move our planet. Retrieved August 10, 2019.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Breakthrough_Starshot