Как сохранить Землю пригодной для жизни после гибели Солнца: проект на 9 квадриллионов лет

В массовой литературе и кино расхожим представлением о будущем является неизбежный исход человечества к другим звездным системам. Предполагается, что когда Солнце начнет угасать, люди построят гигантские корабли и отправятся на поиски новых пригодных для жизни планет.

Однако физический и энергетический расчет показывает, что межзвездная миграция — это крайняя и чрезвычайно затратная мера. Перелет через межзвездное пространство требует колоссального расхода энергии в сжатые сроки, несет огромные технические риски для экипажей и оставляет за бортом большую часть населения.

Исследование Британского межпланетного общества (Journal of the British Interplanetary Society), проведенное ученым Гэбриелом Гарри, предлагает альтернативный путь. С помощью технологий, основанных на известных законах физики, цивилизация может последовательно устранить все природные угрозы и сохранить Землю пригодной для жизни на 9,1 квадриллиона лет (9,1 x 10¹⁵). Это позволит человечеству оставаться на родной планете даже после того, как в видимой Вселенной погаснут естественные звезды.

Изменение светимости Солнца: защита и искусственный свет

Главная долгосрочная угроза для Земли — эволюция нашего Светила. Сейчас возраст Солнца составляет 4,58 миллиарда лет. Оно постепенно увеличивает свою яркость:

• Через 1 миллиард лет светимость Солнца вырастет на 10%. Это приведет к сильному парниковому эффекту и испарению мирового океана.
• Через 5 миллиардов лет в ядре Солнца закончится водородное топливо. Звезда начнет расширяться и перейдет в фазу красного гиганта, а затем сожмется до белого карлика, практически потеряв способность согревать планеты.

Для решения этой проблемы разработаны два основных инженерных метода.

Метод А: извлечение массы Солнца

С помощью флота орбитальных зеркал, размещенных вокруг Солнца, часть его излучения фокусируется на небольшом участке поверхности звезды. Это нагревает поверхностный газ до скоростей, превышающих солнечную гравитацию, и позволяет выдувать вещество в космос.

Ежегодное удаление 50 квинтиллионов килограммов массы (5 x 10¹⁹ кг) снижает давление в ядре Солнца и замедляет термоядерные реакции. В результате период, в течение которого Земля естественным образом остается в пригодной для жизни зоне, увеличивается с 1,7 до 9,2 миллиарда лет.

Метод Б: полное перекрытие Солнца и искусственное освещение

Если не менять массу Солнца, можно полностью заблокировать его увеличивающийся поток света и заменить его искусственным источником.

1. Солнцезащитный экран. В первой точке Лагранжа (L1) — зоне гравитационного равновесия между Землей и Солнцем на расстоянии 1,5 миллиона километров от планеты — устанавливается гигантский экран радиусом 350 000 километров. Чтобы световое давление не сдуло экран к Земле, его связывают сверхпрочным тросом из карбина с тяжелым противовесом, находящимся за точкой L1. Материалы для экрана и троса добываются на Луне и астероиде Церера.
2. Добыча энергии на газовых гигантах. В атмосфере Юпитера на глубине 6000 километров размещаются плавучие термоядерные станции. Высшее атмосферное давление в 4 гигапаскаля на этой глубине помогает удерживать реакцию синтеза. Станции сжигают гелий и водород, вырабатывая энергию с плотностью 1,3 x 10¹⁴ джоулей на килограмм топлива.
3. Передача света на Землю. Выработанная на Юпитере энергия превращается в микроволны и посылается на генератор в точке L1 около Земли. Там она преобразуется в лазерные лучи видимого спектра, полностью совпадающего с естественным солнечным светом. Чтобы свет поступал на Землю непрерывно, независимо от взаимного расположения планет, используются промежуточные станции-ретрансляторы в устойчивых точках L4 и L5 на орбите Земли.

Запасов водорода и гелия в Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне хватит на поддержание искусственного солнца в течение 9,1 квадриллиона лет. Если же дополнительно сбрасывать на Юпитер водород, извлеченный из самого Солнца, этот срок вырастет до 120 квадриллионов лет.

Коррекция орбиты: как избежать поглощения планетной массой

Когда Солнце станет красным гигантом, его радиус увеличится в 200 с лишним раз. Поверхность звезды станет ближе к Земле. Вращение раздувшегося Солнца замедлится, а приливные силы, возникающие между Солнцем и Землей, начнут тормозить движение нашей планеты. В результате Земля начнет по спирали снижаться к звезде и будет поглощена.

Чтобы этого не произошло, Землю необходимо заранее перевести на более высокую орбиту — на расстояние 1,2 астрономической единицы (около 180 миллионов километров от Солнца).

Ранние проекты предлагали регулярно прогонять мимо Земли крупные астероиды, чтобы гравитационным маневром передавать планете скорость. Но ошибка в расчете траектории астероида приведет к падению объекта на Землю и уничтожению биосферы.

Гарри предлагает использовать поток легких частиц (кислородный пучок):

1. Из глубоких слоев Юпитера добывается чистый кислород, охлаждается и прессуется в мелкие гранулы.
2. Разгонные станции выстреливают эти гранулы со скоростью 6,3 километра в секунду в сторону Земли.
3. Поток направляется в точку Лагранжа L2, расположенную за Землей, и проходит по касательной к орбите планеты.
4. Из-за гравитационного притяжения Земля отклоняет пролетающий поток частиц, забирая часть его энергии. Это плавно и безопасно увеличивает скорость планеты и расширяет ее орбиту.

Плотность потока составляет 120 000 тонн кислорода в секунду. Процесс продолжается 100 миллионов лет. Поскольку поток распределен в пространстве на ширину в 1000 километров, даже в случае аварийного отклонения пучка и его попадания в атмосферу Земли выделяемая энергия не превысит мощность обычной среднестатистической грозы.

Поддержание тектоники плит и геотермального тепла

Земле необходимо не только внешнее тепло, но и внутреннее. Напряженность магнитного поля, вулканизм и движение материков поддерживаются за счет тепла в недрах планеты (текущая мощность составляет 47 тераватт). Тепло выделяется при распаде радиоактивных элементов и от остывания ядра.

Примерно через 1,45 миллиарда лет недра Земли остынут. Остановка движения тектонических плит приведет к прекращению углеродного цикла (углекислый газ перестанет возвращаться в атмосферу через вулканы, планета замерзнет). Без конвекции в жидком ядре исчезнет магнитное поле, защищающее атмосферу от радиации.

Для сохранения тектонической активности предлагается используемый в физике метод инжекции антиматерии:

1. На поверхности Земли строятся 10 специализированных фабрик. Каждая из них ежедневно производит 2,2 килограмма антиводорода.
2. Замороженный до сверхнизких температур антиводород помещается в контейнеры с магнитным удержанием внутри капсул из расплавленного железа.
3. Капсулы сбрасываются в глубокие буровые скважины. Под действием собственной тяжести капсулы за неделю опускаются сквозь кору до границы между мантией и ядром (на глубину около 2900 километров).
4. На заданной глубине магнитное удержание отключается. Аннигиляция антиматерии с обычным веществом дает 100% превращение массы в гамма-излучение, которое мгновенно поглощается окружающим железом и мантийными породами, превращаясь в тепло.

Суммарная масса производимой антиматерии — всего 8,2 тонны в год. Микродетонации происходят с интервалом в 2,4 часа. Находящийся под давлением слой расплавленного железа гасит ударную волну. На поверхности планеты эти процессы вызывают лишь слабые, неопасные сейсмические колебания магнитудой не более 4.

Защита от потери воды и изменения вращения

Сейчас Земля ежесекундно теряет из верхних слоев атмосферы около 0,3 килограмма воды (в виде ионов кислорода и водорода), уносимых солнечным излучением. За миллиарды лет эти потери станут критическими.

Для компенсации потерь достаточно регулярно доставлять на Землю около 1000 тонн воды в год (или выстреливать компоненты водорода и кислорода пучками) из богатой водой атмосферы Юпитера.

Стабилизация суточного цикла

Гравитационное воздействие Луны постепенно замедляет вращение Земли (длительность суток увеличивается на 17 микросекунд в год). Примерно через 50 миллиардов лет Земля окажется в приливном захвате с Луной: сутки станут равны нынешнему месяцу. Это приведет к критическим перепадам температур между дневной и ночной стороной.

Чтобы сохранить стандартный 24-часовой ритм смены дня и ночи, на низкой экваториальной орбите Земли размещается система отражателей (искусственных солнц). Отражатели получают концентрированный лазерный свет от станций из точек Лагранжа и последовательно освещают поверхность Земли, имитируя привычную суточную динамику и смену времен года независимо от того, с какой скоростью вращается сама планета.

Защита от пролетающих звезд

Примерно раз в 1 миллиард лет близко к Солнечной системе (ближе 100 астрономических единиц) проходит чужая звезда. Ее гравитация способна разрушить орбиты планет.

Для защиты всей Солнечной системы применяется гравитационный звездный двигатель. С Юпитера собирается водород (около 5 масс Земли) и выстреливается с высокой скоростью вблизи полюсов Солнца. Реактивный и гравитационный эффект от пролетающей массы плавно сдвигает Солнце и все привязанные к нему планеты с траектории опасного сближения.

Энергетический и экономический расчет: миграция против защиты

В таблице ниже приведено сравнение затрат энергии на межзвездный перелет и на реализацию комплекса инженерных защитных систем в Солнечной системе:

На первый взгляд, суммарные затраты энергии на защиту Земли выше, чем на межзвездный перелет. Однако решающим фактором является пиковая мощность.

При миграции цивилизация должна потратить 10³¹ джоулей за короткий промежуток времени, чтобы разогнать огромные корабли с миллионами людей до 10% скорости света, а затем затормозить их у цели. Это требует создания силовых установок непревзойденной мощности.

Если оставаться в Солнечной системе та же энергия расходуется на протяжении миллиардов лет. Требуемый уровень выработки энергии вполне достижим для цивилизации, освоившей близлежащий космос.

Кроме того, инфраструктура, создаваемая для строительства защитных экранов и добычи сырья на астероидах, дает мгновенный экономический эффект (добыча редких металлов, производство материалов, доступная энергия), в то время как постройка кораблей для улетающих людей является безвозвратной тратой ресурсов.

Итог

Научный анализ демонстрирует, что идея обязательного побега человечества к другим звездам фундаментально ошибочна с точки зрения физики и экономики.

Освоение ресурсов Луны, астероидного пояса и газовых гигантов позволяет превратить Солнечную систему в автономный долговечный комплекс. Человечеству не требуется совершать рискованные межзвездные переходы: законы механики, термодинамики и ядерной физики позволяют сохранить Землю безопасной, теплой и пригодной для жизни на квадриллионы лет вперед.

Источник: arXiv