จะเกิดอะไรขึ้นกับโลกหลังจากการเปลี่ยนแปลงของวงโคจร? มุมมองวิศวกร

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

ในภาพยนตร์นิยายวิทยาศาสตร์ของจีน Wandering Earth ที่เผยแพร่โดย Netflix มนุษยชาติโดยใช้เครื่องยนต์ขนาดใหญ่ที่ติดตั้งอยู่ทั่วโลก พยายามเปลี่ยนวงโคจรของโลกเพื่อหลีกเลี่ยงการทำลายล้างโดยดวงอาทิตย์ที่กำลังจะตายและกำลังขยายตัว รวมทั้งป้องกันการชนกับดาวพฤหัสบดี.. สถานการณ์ดังกล่าวของการเปิดเผยเกี่ยวกับจักรวาลในวันหนึ่งอาจเกิดขึ้นจริง ในเวลาประมาณ 5 พันล้านปี ดวงอาทิตย์ของเราจะหมดเชื้อเพลิงสำหรับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ มันจะขยายตัว และน่าจะกลืนโลกของเรามากที่สุด แน่นอน แม้ก่อนหน้านี้เราทุกคนจะตายจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโลก แต่การเปลี่ยนวงโคจรของโลกอาจเป็นทางออกที่จำเป็นเพื่อหลีกเลี่ยงภัยพิบัติ อย่างน้อยก็ในทางทฤษฎี

แต่มนุษยชาติจะรับมือกับงานวิศวกรรมที่ซับซ้อนอย่างยิ่งเช่นนี้ได้อย่างไร วิศวกรระบบอวกาศ Matteo Ceriotti จากมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ได้แบ่งปันสถานการณ์ที่เป็นไปได้หลายประการในหน้าของ The Conversetion

สมมติว่างานของเราคือการแทนที่วงโคจรของโลกโดยเคลื่อนห่างจากดวงอาทิตย์ประมาณครึ่งหนึ่งของระยะทางจากตำแหน่งปัจจุบันไปยังที่ที่ดาวอังคารอยู่ในขณะนี้ หน่วยงานด้านอวกาศชั้นนำทั่วโลกได้พิจารณามานานแล้วและถึงกับคิดที่จะย้ายวัตถุท้องฟ้าขนาดเล็ก (ดาวเคราะห์น้อย) ออกจากวงโคจรของพวกมัน ซึ่งในอนาคตจะช่วยปกป้องโลกจากผลกระทบภายนอก บางตัวเลือกเสนอวิธีแก้ปัญหาที่ทำลายล้างสูง: การระเบิดนิวเคลียร์ใกล้หรือบนดาวเคราะห์น้อย การใช้ "อิมแพคเตอร์จลนศาสตร์" เช่น ยานอวกาศสามารถเล่นโดยมุ่งเป้าไปที่การชนกับวัตถุด้วยความเร็วสูงเพื่อเปลี่ยนวิถีของมัน แต่เท่าที่เกี่ยวข้องกับโลก ตัวเลือกเหล่านี้จะไม่ทำงานอย่างแน่นอนเนื่องจากลักษณะการทำลายล้าง

ในกรอบของแนวทางอื่นๆ เสนอให้ถอนดาวเคราะห์น้อยออกจากวิถีโคจรที่อันตรายโดยใช้ยานอวกาศ ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นยานลากจูง หรือด้วยความช่วยเหลือของยานอวกาศขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของพวกมัน จะดึงวัตถุอันตรายออกจากโลก อีกครั้ง วิธีนี้ใช้ไม่ได้กับโลก เนื่องจากมวลของวัตถุจะไม่มีใครเทียบได้อย่างสมบูรณ์

มอเตอร์ไฟฟ้า

คุณอาจจะเคยเห็นกัน แต่เราได้ย้ายโลกจากวงโคจรของเรามาเป็นเวลานานแล้ว ทุกครั้งที่ยานสำรวจอื่นออกจากโลกของเราเพื่อศึกษาโลกอื่นของระบบสุริยะ จรวดขนส่งที่บรรทุกมันจะสร้างแรงกระตุ้นขนาดเล็ก (ในระดับดาวเคราะห์แน่นอน) และกระทำบนโลกโดยผลักไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของมัน ตัวอย่างคือการยิงจากอาวุธและการหดตัวที่เกิดขึ้น โชคดีสำหรับเรา (แต่น่าเสียดายสำหรับ "แผนการที่จะแทนที่วงโคจรของโลก") ผลกระทบนี้แทบจะมองไม่เห็นกับโลก

ในขณะนี้ จรวดที่มีประสิทธิภาพสูงที่สุดในโลกคือ American Falcon Heavy จาก SpaceX แต่เราต้องการการปล่อยเรือบรรทุกเหล่านี้ประมาณ 300 quintillion อย่างเต็มกำลังเพื่อที่จะใช้วิธีที่อธิบายไว้ข้างต้นเพื่อย้ายวงโคจรของโลกไปยังดาวอังคาร นอกจากนี้มวลของวัสดุที่จำเป็นในการสร้างจรวดเหล่านี้ทั้งหมดจะเท่ากับ 85 เปอร์เซ็นต์ของมวลโลกเอง

การใช้มอเตอร์ไฟฟ้า โดยเฉพาะไอออนิก ซึ่งปล่อยกระแสของอนุภาคที่มีประจุเนื่องจากการเร่งเกิดขึ้น จะเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการให้ความเร่งแก่มวลและถ้าเราติดตั้งเครื่องยนต์ดังกล่าวหลายเครื่องที่ด้านใดด้านหนึ่งของโลก หญิงชราคนหนึ่งของเราสามารถเดินทางผ่านระบบสุริยะได้จริงๆ

จริงในกรณีนี้จำเป็นต้องใช้เครื่องยนต์ที่มีขนาดมหึมาอย่างแท้จริง พวกเขาจะต้องได้รับการติดตั้งที่ระดับความสูงประมาณ 1,000 กิโลเมตรเหนือระดับน้ำทะเลนอกชั้นบรรยากาศของโลก แต่ในขณะเดียวกันก็จับจ้องไปที่พื้นผิวของดาวเคราะห์อย่างแน่นหนาเพื่อให้สามารถส่งแรงผลักดันไปยังมันได้ นอกจากนี้ ถึงแม้ว่าลำแสงไอออนที่พุ่งออกมาด้วยความเร็ว 40 กิโลเมตรต่อวินาทีในทิศทางที่ต้องการ เรายังคงต้องขับอนุภาคไอออนที่มีน้ำหนักเท่ากับ 13 เปอร์เซ็นต์ของมวลโลกออกมาเพื่อเคลื่อนตัวส่วนที่เหลืออีก 87 เปอร์เซ็นต์ของมวลโลก

เรือเบา

เนื่องจากแสงมีโมเมนตัมแต่ไม่มีมวล เราจึงสามารถใช้ลำแสงที่มีความเข้มข้นสูงและต่อเนื่องอย่างทรงพลัง เช่น เลเซอร์ เพื่อแทนที่ดาวเคราะห์ ในกรณีนี้จะเป็นไปได้ที่จะใช้พลังงานของดวงอาทิตย์เองโดยไม่ต้องใช้มวลของโลกเอง แต่ถึงแม้จะมีระบบเลเซอร์ขนาด 100 กิกะวัตต์อันทรงพลังอย่างเหลือเชื่อ ซึ่งวางแผนไว้ว่าจะใช้ในโครงการพีคทรูสตาร์ชอต ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ต้องการส่งยานสำรวจอวกาศขนาดเล็กไปยังดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดไปยังระบบของเราโดยใช้ลำแสงเลเซอร์ เราก็ต้องการสาม กว่าสิบล้านล้านปีของชีพจรเลเซอร์อย่างต่อเนื่องเพื่อให้บรรลุเป้าหมายการพลิกกลับของวงโคจรของเรา

แสงแดดสามารถสะท้อนได้โดยตรงจากใบเรือสุริยะขนาดยักษ์ที่จะอยู่ในอวกาศ แต่ทอดสมออยู่กับโลก จากการวิจัยในอดีต นักวิทยาศาสตร์พบว่าสิ่งนี้จะต้องใช้จานสะท้อนแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 19 เท่าของดาวเคราะห์ของเรา แต่ในกรณีนี้ ในการบรรลุผล คุณจะต้องรอประมาณหนึ่งพันล้านปี

บิลเลียดอวกาศ

อีกทางเลือกหนึ่งในการเอาโลกออกจากวงโคจรปัจจุบันคือวิธีการที่รู้จักกันดีในการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมระหว่างวัตถุที่หมุนอยู่สองตัวเพื่อเปลี่ยนอัตราเร่ง เทคนิคนี้เรียกอีกอย่างว่าแรงโน้มถ่วงช่วย วิธีนี้มักใช้ในภารกิจการวิจัยระหว่างดาวเคราะห์ ตัวอย่างเช่น ยานอวกาศ Rosetta ที่ไปเยือนดาวหาง 67P ในปี 2014-2016 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการเดินทาง 10 ปีไปยังเป้าหมายของการศึกษา ใช้แรงโน้มถ่วงรอบโลกสองครั้งในปี 2548 และ 2550

เป็นผลให้สนามโน้มถ่วงของโลกแต่ละครั้งเพิ่มความเร่งให้กับ Rosetta ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุด้วยการใช้เครื่องยนต์ของอุปกรณ์เท่านั้น โลกยังได้รับโมเมนตัมความเร่งที่ตรงกันข้ามและเท่ากันภายในกรอบของการเคลื่อนตัวโน้มถ่วงเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม แน่นอนว่าสิ่งนี้ไม่มีผลที่วัดได้เนื่องจากมวลของดาวเคราะห์เอง

แต่ถ้าคุณใช้หลักการเดียวกัน แต่กับบางสิ่งที่ใหญ่กว่ายานอวกาศล่ะ ตัวอย่างเช่น ดาวเคราะห์น้อยดวงเดียวกันสามารถเปลี่ยนวิถีของมันได้อย่างแน่นอนภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของโลก ใช่ อิทธิพลซึ่งกันและกันที่เกิดขึ้นครั้งเดียวในวงโคจรของโลกนั้นไม่มีนัยสำคัญ แต่การกระทำนี้สามารถทำซ้ำได้หลายครั้งเพื่อเปลี่ยนตำแหน่งของวงโคจรของโลกในที่สุด

บางพื้นที่ในระบบสุริยะของเรา "มี" วัตถุท้องฟ้าขนาดเล็กจำนวนมาก "ติดตั้ง" อย่างหนาแน่น เช่น ดาวเคราะห์น้อยและดาวหาง ซึ่งมวลของมันมีขนาดเล็กพอที่จะดึงพวกมันเข้ามาใกล้โลกของเรามากขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีที่เหมาะสมและค่อนข้างสมจริงในแง่ของการพัฒนา

ด้วยการคำนวณวิถีโคจรอย่างระมัดระวังจึงค่อนข้างเป็นไปได้ที่จะใช้วิธีที่เรียกว่า "เดลต้า-วี-ดิสเพลสเมนต์" เมื่อวัตถุขนาดเล็กสามารถเคลื่อนออกจากวงโคจรของมันอันเป็นผลมาจากการเข้าใกล้โลกซึ่ง จะให้โมเมนตัมมากขึ้นกับโลกของเรา แน่นอนว่าทั้งหมดนี้ฟังดูเจ๋งมาก แต่มีการศึกษาก่อนหน้านี้ที่ระบุว่าในกรณีนี้ เราจำเป็นต้องมีทางเดินดาวเคราะห์น้อยที่อยู่ใกล้ๆ เช่นนี้จำนวนหนึ่งล้านเส้น และแต่ละอันจะต้องเกิดขึ้นในช่วงเวลาหลายพันปี ไม่เช่นนั้นเราจะเป็น ดึกดื่นเมื่อดวงอาทิตย์ขยายตัวมากจนสิ่งมีชีวิตบนโลกเป็นไปไม่ได้

ข้อสรุป

ในบรรดาตัวเลือกทั้งหมดที่อธิบายไว้ในทุกวันนี้ การใช้ดาวเคราะห์น้อยหลายดวงเพื่อช่วยในแรงโน้มถ่วงนั้นดูจะสมจริงที่สุดอย่างไรก็ตาม ในอนาคต การใช้แสงอาจเป็นทางเลือกที่เหมาะสมกว่า แน่นอน ถ้าเราเรียนรู้วิธีสร้างโครงสร้างจักรวาลขนาดยักษ์หรือระบบเลเซอร์ที่มีพลังมหาศาล ไม่ว่าในกรณีใด เทคโนโลยีเหล่านี้อาจเป็นประโยชน์สำหรับการสำรวจอวกาศของเราในอนาคต

และถึงแม้ความเป็นไปได้ทางทฤษฎีและความน่าจะเป็นของความเป็นไปได้ในทางปฏิบัติในอนาคต สำหรับเรา บางทีทางเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความรอดก็คือการย้ายถิ่นฐานไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น เช่น ดาวอังคารดวงเดียวกัน ซึ่งสามารถอยู่รอดได้ในการตายของดวงอาทิตย์ของเรา ท้ายที่สุดแล้ว มนุษยชาติมองว่าที่นี่เป็นบ้านหลังที่สองที่มีศักยภาพสำหรับอารยธรรมของเรา และหากคุณพิจารณาด้วยว่ามันจะยากเพียงใดที่จะใช้แนวคิดของการกระจัดกระจายของวงโคจรของโลก การตั้งอาณานิคมของดาวอังคาร และความเป็นไปได้ของการปรับสภาพพื้นผิวของมันเพื่อให้โลกมีรูปลักษณ์ที่น่าอยู่มากขึ้น อาจดูเหมือนไม่ใช่งานยากเช่นนี้