Можно ли сместить орбиту Земли и зачем это делать?

В новом китайском научно-фантастическом фильме «Блуждающая Земля», недавно выпущенном компанией Netflix, человечество, используя огромные двигатели, установленные по всей планете, предпринимает попытку изменить орбиту Земли, чтобы избежать ее уничтожения под воздействием гибнущего и расширяющегося Солнца, а также для предотвращения столкновения с Юпитером. Такой сценарий космического апокалипсиса однажды может на самом деле случиться. Примерно через 5 миллиардов лет у нашего Солнца закончится топливо для термоядерной реакции, оно расширится и, вероятнее всего, поглотит нашу планету. Конечно, еще раньше мы все погибнем от глобального повышения температуры, однако изменение орбиты Земли действительно может являться нужным решением избежать катастрофы, по крайней мере в теории.

Но как человечество сможет справиться с такой сверхсложной инженерной задачей? Инженер космических систем Маттео Чериотти из Университета Глазго поделился на страницах портала The Conversetion несколькими вариантами возможных сценариев.

Предположим, что наша задача состоит в том, чтобы сместить орбиту Земли, отдалив ее от Солнца примерно на половину расстояния от ее текущего расположения, примерно туда, где сейчас находится Марс. Ведущие космические агентства по всему миру уже давно рассматривают и даже прорабатывают идеи смещения малых небесных тел (астероидов) с их орбит, что в перспективе позволит защитить Землю от внешних ударов. Некоторые варианты предлагают весьма деструктивное решение: ядерный взрыв рядом с астероидом или на его поверхности; использование «кинетического импактора», роль которого, например, может сыграть космический аппарат, направленный на столкновение с объектом на высокой скорости для изменения его траектории. Но, что касается Земли, эти варианты, конечно же не подойдут из-за своей разрушительной природы.

В рамах других подходов предлагается увести астероиды с опасной траектории с помощью космических аппаратов, которые будут выполнять роль буксиров, либо же с помощью более крупных космических кораблей, которые за счет своей гравитации будут уводить опасный объект от Земли. С Землей, опять же, такое не прокатит, поскольку масса объектов будет совершенно несопоставима.

Вы наверно увидитесь, но мы уже давно смещаем Землю со своей орбиты. Каждый раз, когда нашу планету покидает очередной зонд для изучения других миров Солнечной системы, несущая его ракета-носитель создает крошечный (в масштабах планеты конечно) импульс и воздействует им на Землю, толкая ее в противоположное ее движению направление. В качестве примера можно привести выстрел из оружия и создающуюся в результате него отдачу. К счастью для нас (но к несчастью для нашего «плана по смещению орбиты Земли») этот эффект для планеты практически незаметен.

В настоящий момент самой высокопроизводительной ракетой в мире является американская Falcon Heavy от компании SpaceX. Но нам потребуется около 300 квинтиллионов запусков этих носителей с полной нагрузкой, чтобы с помощью выше описанного метода отодвинуть орбиту Земли к Марсу. При этом масса материалов, необходимых для создания всех этих ракет будет эквивалентна 85 процентам массы самой планеты.

Использование электрических двигателей, в частности ионных, выпускающих поток заряженных частиц, за счет чего происходит ускорение, будет более эффективным способ придания ускорения массе. И если установить несколько таких двигателей с одной стороны нашей планеты, наша старушка-Земля действительно может отправиться в путешествие по Солнечной системе.

Правда, в этом случае потребуются двигатели по-настоящему исполинских размеров. Их нужно будет установить на высоте около 1000 километров над уровнем моря, за пределами земной атмосферы, но при этом надежно закрепить к поверхности планеты, чтобы можно было передавать ей толкающее усилие. Кроме того, даже с ионным лучом, выбрасывающимся со скорости 40 километров в секунду в нужном направлении, нам все еще нужно будет выбросить эквивалент 13 процентов массы Земли в виде ионных частиц, чтобы сдвинуть оставшиеся 87 процентов массы планеты.

Так как свет несет импульс, но не имеет массы, мы также может использовать для смещения планеты очень мощный продолжительный и сфокусированный луч света, например, лазера. В этом случае можно будет использовать энергию самого Солнца, никаким образом не используя массу самой Земли. Но даже при наличии невероятно мощной 100-гигаваттной лазерной установки, которую планируется задействовать в проекте Breakthrough Starshot, в рамках которого с помощью лазерного луча ученые хотят отправить маленький космический зонд к ближайшей к нашей системе звезде, нам потребуется три квинтиллиона лет продолжительного лазерного импульса для того, чтобы достигнуть нашей цели по изменению орбиты.

Солнечный свет можно отражать непосредственно от гигантского солнечного паруса, который будет находиться в космосе, но закреплен на Земле. В рамках прошлых исследований ученые выяснили, что для этого потребуется отражающий диск размером в 19 раз больше диаметра нашей планеты. Но и в этом случае для достижения результата придется ждать порядка одного миллиарда лет.

Другим возможным вариантом увода Земли с ее текущей орбиты может стать хорошо известный метод обмена импульсами между двумя вращающимися телами для изменения их ускорения. Этот метод также известен как гравитационный маневр. Этот метод довольно часто применяется в рамках межпланетных исследовательских миссий. Например, космический аппарат «Розетта», посетивший комету 67P в 2014-2016 годах в рамках своего десятилетнего путешествия к объекту исследования использовал гравитационный маневр вокруг Земли дважды, в 2005 и в 2007 годах.

Как результат, гравитационное поле Земли каждый раз придавало повышенное ускорение «Розетте», что было бы невозможно добиться с использованием одних лишь двигателей самого аппарата. Земля в рамках этих гравитационных маневров тоже получала противоположный и равный импульс ускорения, однако, конечно же, это не имело никакого измеримого эффекта из-за массы самой планеты.

А что если использовать тот же самый принцип, но с чем-то более массивным, чем космический аппарат? Например, те же астероиды безусловно могут изменять свои траектории под действием гравитации Земли. Да, разовое взаимное влияние на орбиту Земли будет незначительным, но ведь это действие можно повторять множество раз, чтобы в конечном итоге изменить положение орбиты нашей планеты.

Некоторые области нашей Солнечной системы довольно плотно «укомплектованы» множеством малых небесных тел, таких как астероиды и кометы, масса которых достаточно мала для того, чтобы притянуть их ближе к нашей планете с помощью соответствующих и вполне реалистичных в плане разработки технологий.

При очень тщательном просчете траектории вполне возможно использовать так называемый метод «дельта-v-смещения», когда небольшое тело может быть смещено со своей орбиты в результате сильного сближения с Землей, что обеспечит гораздо больший импульс нашей планете. Все это, конечно, звучит очень круто, но ранее проводились исследования, которые установили, что в этом случае нам потребуется миллион таких близких пролетов астероидов, при этом каждый из них должен происходить в промежутке нескольких тысяч лет, в противном случае мы опоздаем к тому моменту, когда Солнце расширится настолько, что жизнь на Земле станет уже невозможной.

Из всех описанных сегодня вариантов использование множества астероидов для гравитационного маневра кажется наиболее реалистичным. Однако в будущем использование света может стать более подходящей альтернативой, конечно, если мы научимся создавать гигантские космические структуры или сверхмощные лазерные системы. В любом случае эти технологии также могут пригодиться и для наших будущих космических исследований.

И все же, несмотря на теоретическую возможность и вероятность практической реализуемости в будущем, для нас, возможно, наиболее подходящим вариантом спасения станет переселение на другую планету, например, тот же Марс, который может пережить гибель нашего Солнца. В конце концов человечество уже давно на него засматривается в качестве потенциального второго дома для нашей цивилизации. А если еще и учесть, насколько сложно будет реализовать идею смещения орбиты Земли, колонизация Марса и возможность его терраформирования для придания планете более обитаемого внешнего вида может выглядеть не такой уж и сложной задачей.