In de Chinese sciencefictionfilm The Wandering Earth, onlangs uitgebracht op Netflix, probeert de mensheid de baan van de aarde te veranderen met behulp van enorme stuwraketten om te ontsnappen aan de uitdijende zon - en een botsing met Jupiter te voorkomen.
Het scenario kan ooit uitkomen. Over vijf miljard jaar zal de zon zonder brandstof komen te zitten en uitzetten, waardoor de aarde hoogstwaarschijnlijk wordt overspoeld. Een meer directe bedreiging is een opwarming van de aarde. De aarde naar een grotere baan verplaatsen zou een oplossing kunnen zijn - en dat is in theorie mogelijk.
Maar hoe kunnen we dit aanpakken en wat zijn de technische uitdagingen? Laten we voor het argument aannemen dat we ernaar streven om de aarde van zijn huidige baan naar een baan te verplaatsen die 50% verder van de zon verwijderd is, vergelijkbaar met Mars '.
We hebben jarenlang technieken bedacht om kleine lichamen - asteroïden - uit hun baan te brengen, voornamelijk om onze planeet te beschermen tegen inslagen. Sommige zijn gebaseerd op een impulsieve en vaak destructieve actie: een nucleaire explosie nabij of op het oppervlak van de asteroïde, of een 'kinetische impactor', bijvoorbeeld een ruimtevaartuig dat met hoge snelheid tegen de asteroïde botst. Deze zijn duidelijk niet van toepassing op de aarde vanwege hun destructieve karakter.
Andere technieken omvatten in plaats daarvan een zeer zachte, continue duw gedurende een lange tijd, geleverd door een sleepboot die op het oppervlak van de asteroïde is aangemeerd, of een ruimtevaartuig dat er dichtbij zweeft (door de zwaartekracht heen duwt of andere methoden). Maar dit zou onmogelijk zijn voor de aarde omdat de massa enorm is in vergelijking met zelfs de grootste asteroïden.
Elektrische boegschroeven
We hebben de aarde eigenlijk al uit haar baan verplaatst. Elke keer dat een sonde de aarde verlaat voor een andere planeet, geeft hij een kleine impuls aan de aarde in de tegenovergestelde richting, vergelijkbaar met de terugslag van een pistool. Gelukkig voor ons - maar helaas voor het verplaatsen van de aarde - is dit effect ongelooflijk klein.
SpaceX's Falcon Heavy is het meest capabele lanceervoertuig van vandaag. We zouden 300 miljard miljard lanceringen op volle capaciteit nodig hebben om de baanverandering naar Mars te bereiken. Het materiaal waaruit al deze raketten bestaan, zou gelijk zijn aan 85% van de aarde, waardoor slechts 15% van de aarde in een baan om de aarde blijft.
Een elektrische boegschroef is een veel efficiëntere manier om massa te versnellen - met name ionaandrijvingen, die werken door een stroom geladen deeltjes af te vuren die het vaartuig naar voren stuwen. We kunnen een elektrische boegschroef richten en afvuren in de richting van de baan om de aarde.
De overmaatse boegschroef moet 1000 kilometer boven zeeniveau liggen, buiten de atmosfeer van de aarde, maar nog steeds stevig aan de aarde bevestigd met een stijve straal om de duwkracht over te dragen. Met een ionenbundel die met 40 kilometer per seconde in de goede richting wordt afgevuurd, zouden we nog steeds het equivalent van 13% van de massa van de aarde in ionen moeten uitwerpen om de resterende 87% te verplaatsen.
Varen op licht
Omdat licht momentum heeft, maar geen massa, kunnen we mogelijk ook continu een gefocusseerde lichtbundel, zoals een laser, aandrijven. Het benodigde vermogen wordt uit de zon gehaald en er wordt geen aardmassa verbruikt. Zelfs als we de enorme 100GW-laserfabriek van het Breakthrough Starshot-project gebruiken, die tot doel heeft ruimtevaartuigen uit het zonnestelsel te stuwen om naburige sterren te verkennen, zou er nog steeds drie miljard miljard jaar aan continu gebruik nodig zijn om de orbitale verandering te bereiken.
Maar licht kan ook rechtstreeks van de zon naar de aarde worden gereflecteerd met een zonnezeil dat naast de aarde is gestationeerd. Onderzoekers hebben aangetoond dat het een reflecterende schijf nodig heeft die 19 keer groter is dan de diameter van de aarde om de orbitale verandering over een tijdschaal van een miljard jaar te bereiken.
Interplanetair biljart
Een bekende techniek voor twee omringende lichamen om momentum uit te wisselen en hun snelheid te veranderen, is met een nauwe doorgang, of zwaartekracht-katapult. Dit type manoeuvre is uitgebreid gebruikt door interplanetaire sondes. Zo passeerde het Rosetta-ruimtevaartuig dat komeet 67P in 2014-2016 bezocht, tijdens zijn tienjarige reis naar de komeet twee keer in de buurt van de aarde, in 2005 en 2007.
Als gevolg hiervan zorgde het zwaartekrachtveld van de aarde voor een substantiële versnelling aan Rosetta, die alleen met behulp van stuwraketten onbereikbaar zou zijn geweest. Bijgevolg kreeg de aarde een tegengestelde en gelijke impuls - hoewel dit vanwege de massa van de aarde geen meetbaar effect had.
Maar wat als we een katapult zouden kunnen uitvoeren, met iets veel groters dan een ruimtevaartuig? Asteroïden kunnen zeker door de aarde worden omgeleid, en hoewel het wederzijdse effect op de baan van de aarde klein zal zijn, kan deze actie talloze keren worden herhaald om uiteindelijk een aanzienlijke verandering in de baan om de aarde te bereiken.
Sommige delen van het zonnestelsel zijn dicht met kleine lichamen zoals asteroïden en kometen, waarvan de massa klein genoeg is om met realistische technologie te worden verplaatst, maar nog steeds orden van grootte groter dan wat realistisch vanaf de aarde kan worden gelanceerd.
Met een nauwkeurig trajectontwerp is het mogelijk om gebruik te maken van zogenaamde "Δv leveraging" - een klein lichaam kan uit zijn baan worden geduwd en als gevolg daarvan langs de aarde slingeren, wat een veel grotere impuls aan onze planeet geeft. Dit lijkt misschien opwindend, maar er wordt geschat dat we een miljoen van dergelijke asteroïde nauwe passen nodig hebben, elk ongeveer een paar duizend jaar van elkaar verwijderd, om de uitdijing van de zon bij te houden.
Het vonnis
Van alle beschikbare opties lijkt het gebruik van meerdere asteroïde katapulten op dit moment het meest haalbare. Maar in de toekomst kan het benutten van licht de sleutel zijn - als we leren hoe we gigantische ruimtestructuren of superkrachtige laserarrays kunnen bouwen. Deze kunnen ook worden gebruikt voor verkenning van de ruimte.
Maar hoewel het theoretisch mogelijk is, en misschien ooit technisch haalbaar is, is het misschien makkelijker om onze soort te verplaatsen naar onze planetaire buurman, Mars, die de vernietiging van de zon kan overleven. We zijn tenslotte al meerdere keren geland en hebben over het oppervlak gezwommen.
Na te hebben overwogen hoe uitdagend het zou zijn om de aarde te verplaatsen, zou het koloniseren van Mars, het bewoonbaar maken en het verplaatsen van de bevolking van de aarde daar in de loop van de tijd misschien niet zo moeilijk klinken.
Matteo Ceriotti, docent ruimtevaarttechniek, Universiteit van Glasgow
