Защитим нашу планету от солнечной экспансии

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 1(7) 2016

Дэвид Брин (David Brin), астрофизик, автор и футуролог

В качестве пищи для размышлений и весьма актуального послания будущим американским учёным и будущим технологиям автор Дэвид Брин размышляет на тему, что ещё есть время подумать, каким фантастическим образом мы могли бы защитить планету.

Венера, наша планета-сестра, практически такого же размера, как Земля, и, возможно в самом начале на её поверхности были океаны. Между тем орбита Венеры располагается ближе к Солнцу, она никогда не находилась в «Обитаемой зоне» или поясе Златовласки.

Вместо этого она стремительно завертелась в вихре парникового эффекта, тем самым уничтожив свои океаны и удалив всю воду, оставив на поверхности планеты сплошную пустыню, окутанную лишь плотными облаками серной кислоты, в атмосфере, почти полностью состоящей из углекислого газа. Этот своего рода вихрь смерти когда-нибудь настигнет и Землю, если мы позволим парниковым газам заполнить нашу атмосферу, или если мы просто будем ждать сто или двести миллионов лет, пока внутренняя грань «обитаемой зоны» нашего Солнца отойдёт в сторону от орбиты нашей планеты.

Тот, кто посмотрел фильм Вуди Аллена «Дни Радио», знает, что нам было обещано ещё пять миллиардов лет жизни на обитаемой планете! Ну да, за эти пять миллиардов лет Солнце, жёлтая звезда класса G, оставит главную последовательность, увеличится до невероятных размеров и съест нашу Землю. Но ещё задолго до этого события постепенное увеличение температуры Солнца сделает нашу планету непригодной для жизни, может быть, через сто миллионов лет, начиная с этого дня, и в том же временном масштабе, который потребовался для эволюции млекопитающих до человека, после того как астероид убил динозавров.

Наш мир скользит по самому краю зоны с постоянно пригодными для жизни условиями (CHZ). Этот факт отвечает на вопрос, почему достаточно малое количество углекислого газа, генерируемое в результате человеческой деятельности, вызывает проблемы. Да потому, что наша атмосфера должна быть практически полностью прозрачной, чтобы сравнительно быстро терять тепло в виде инфракрасного излучения.

Учёные считают, каждый водный мир существует в так называемом «Балансе Геи», в котором природные контуры обратной связи регулируют количество парниковых газов так, чтобы в морях оставалась вода. Это близко к боковой грани CHZ в том, что при балансе уровень парниковых газов должен быть очень и очень низким. Внутренний край ползёт наружу, причём гораздо медленнее, чем изменение климата, спровоцированное человеческой деятельностью, но всё ещё слишком быстро, чтобы чувствовать себя комфортно.

Мы уже приступили к обсуждению способов преодоления этой проблемы. Некоторые твердят, мол, давайте станем космическими кочевниками, оккупируем другие миры и наполним ритмом жизни Солнечную систему, Европу, Марс, колонии астероидов – межзвёздное пространство. Если следовать рекомендации Элона Маска: «Давайте разложим наши яйца во множество корзин».

Тем не менее, вероятно, и вы, и я, и все мы вместе жаждем предпринять какие-то действия, чтобы помочь нашей планете, которая была так добра (и терпелива) по отношению к нам. У меня есть эмоциональная привязанность к ней. Я хочу, чтобы она существовала как можно дольше. Неужели мы не в состоянии что-то сделать для своего дома?

Итак, давайте поддержим нашу Землю: поднимем всю планету целиком и уведём куда-нибудь от греха подальше!

Один из способов, если нам понадобится выбраться за пределы Солнечной системы, – научиться управлять астероидами. Компания Planetary Resources и другие уже присматриваются к полезным ресурсам за пределами нашей планеты. Предположим, нашим потомкам придётся использовать возможность направить миллионы астероидов, пролетающих мимо, с каждым проходом придавая определённый импульс при движении вперёд к планете и постепенно «накачивая» её орбиту: увеличивая расстояние от Солнца и отводя, таким образом, его тепло в достаточной мере.

Конечно, такой эффект мог бы сработать, если бы количество таких промахов достигло 10 миллионов, выбрасывая полезные астероиды, которым можно найти множество других применений. В этих десяти миллионах случаев, Бог даст, какой уровень компетентности потребуется для того, чтобы знать наверняка, что ни один из этих булыжников не сделает некий вираж и не ударит планету?

Следующий вариант называется «гравитационный буксир». Существует уже чёткая концепция, как можно использовать этот метод, чтобы перемещать астероиды, которые направляются к Земле, и сдвигать их в сторону. Берём тяжёлый космический летательный аппарат, подвешиваем его вблизи астероида и отталкиваем при помощи ионных двигателей; достаточно, чтобы он не избежал силы притяжения астероида. В данном случае астероид следует за космическим кораблём, отсюда и идея – человечество может установить астероид на L1 или L2, или L5 точек Лагранжа орбиты Земли и отбуксировать Землю.

Звучит правдоподобно? Может быть, настало время, чтобы уже подумать о том, как сдвинуть нашу планету. Давайте весьма приблизительно оценим необходимые энергетические потребности. Предположим, что нужно увеличить или расширить орбиту Земли извне примерно на одну десятую астрономической единицы или 0,1 а. е. за сто миллионов (1×108) лет.

Масса планеты составляет 6×1024 кг или шесть триллионов килограммов. Её орбитальная скорость вращения вокруг Солнца составляет 29,5 км/с. Сохранение круговой орбиты требует подъёма как перигелия, так и апогелия на 0.1 AU во внешнюю сторону. Нам потребуется осуществить приращение характеристической скорости... «deltaV» около 1,4 км/сек. Приложенное усилие оценивается как 2.4 ×1032 J или около миллиарда триллионов джоулей.

Число действительно «астрономическое», и, очевидно, что такое не случится: броски пролетающих мимо Земли астероидов или буксировка с ионным приводом, используя соседний астероид, вы можете обменять силу на время. Но вам понадобится в большом количестве и то и другое.

Давайте начнём со времени. Поднять нечто тяжёлое, как Земля, небольшим подталкиванием – на это уйдут миллионы лет. Поколения. Эры. Продолжительность жизни целых цивилизаций наконец. Какой бы метод мы не выбрали, ему всё равно придётся пережить периоды дестабилизации, застоя и даже изменения видов.

Чудо-кабели

В качестве альтернативы давайте рассмотрим вариант электродинамических привязных тросов. Я упоминаю о них в своём романе «Существование». В качестве мирового эксперта по привязным тросам Джо Кэрролл заметил: «Если вы позволите электропроводному кабелю принять силу гравитации на орбите вокруг Земли, он приобретёт стабильность вдоль радиуса от центра планеты». Это называется гравитационная стабилизация.

Допустим, привязной трос выполнен из проводящего материала. Орбита сокращается через магнитное поле Земли. Таким образом, ЭДС или электродвижущая сила, или напряжение индуцируются, подобно обмотке генератора, по длине привязного троса. Если излучать электроны с одного конца катода, тогда можно забирать энергию с орбиты. Трос будет медленно идти вниз, но вы получите всю мощность, необходимую для космической станции.

Теперь, скажем так, у нас есть много энергии (термоядерная реакция планеты или много солнечных батарей), и мы принимаем решение направить электроны против ЭДС, чтобы они излучались на другом конце. (Предположим, схему можно повторно подключить с помощью ионосферы). Теперь у вас больше нет обмотки генератора! Поворачиваем против магнитного поля Земли, и электродинамической привязной трос поднимается.

Космические лифты

Очевидно, что это родственник космического лифта: трос крепится к Земле на экваторе и имеет противовес на расстоянии геостационарной орбиты. Новые углеродные волокна помогут воплотить космические лифты в реальность.

Теперь объединим эти концепции и представим, что электропроводный космический лифт пропускается через магнитное поле Земли. Это окажет дёргающее усилие на Землю, и, возможно, потянет её вверх. Увы, в этом случае есть проблема. Земля вращается так быстро, со скоростью 24 часа в сутки, что достаточно трудно обеспечить нагнетание должным образом и в нужное время, чтобы эффект отразился на изменении орбиты Земли, а не на вращении.

Помните, что нужно добавить импульс орбите Земли таким образом, чтобы она продвинулась дальше от Солнца, но Земной ствол будет использоваться против собственного магнитного поля Земли. Это как пытаться поднять себя, уцепившись за свои собственные волосы.

А что если поставить космический лифт на другой стороне Луны? Его можно использовать в коммерческом плане для получения ресурсов с астероидов. Он будет доставлять облагороженные, разработанные материалы, компоненты лунной промышленности. Люди будут использовать космический лифт, не задумываясь, что происходит там, на заднем плане. Если он упадёт, то ущерб будет невелик. Если сломается, лифт просто уплывёт в космическое пространство.

Теперь поговорим о некоторых технических деталях. Если кабель также электропроводящий и есть электродинамический трос, свисающий с Луны на расстоянии 60 земных радиусов от нашей планеты, это означает, что теперь он проходит через магнитное поле Солнца, а не Земли (за исключением, когда он попадает в «геохвост», часть одного дня каждый месяц). Вы можете толкать и тянуть, противодействуя, и двигать Землю относительно Солнца. Более того, нам потребуется месяц, чтобы поместить Луну на орбиту Земли, и на данный момент это гораздо проще, чем накачка электронов. Ритмичное качание с непрерывной буксировкой на Луне, когда при рывках на Луне сама Луна пытается подняться, но Земля сопротивляется... и Земля подчиняется!

Практические требования

Это всего лишь теория, но что говорят цифры? Во-первых, мы сразу же столкнулись с масштабной проблемой магнитного поля Земли, которое очень сильное и составляет 25 000 нанотесла на низкой околоземной орбите, недалеко от экватора, но мы уже поняли, что не можем этим воспользоваться, чтобы сдвинуть Землю, только спутники рядом с ней. В отличие от этой величины магнитное поле Солнца в земном радиусе от Солнца (1 а. е.) составляет лишь ~ 1 нанотесла.

Отчасти этот момент компенсируется тем, что скорость Земли вокруг Солнца в четыре раза выше, чем скорость спутника на низкой околоземной орбите. Сложим всё это вместе, получим по длине ствола ЭДС ещё более ~ 200 В/км. Наш базовый привязной трос, подвешенный снаружи с дальней стороны Луны, скажем так, 50 000 километров... серьёзное техническое достижение, и для будущих поколений не будет препятствием, а если предположить также использование сверхпроводников, то станет возможным получить большое количество кВ и сопряжённой силы.

Ещё один важный фактор: для решения проблемы ЭМ привязного троса потребуется наличие поблизости облака электронов, что может замкнуть цепь. В действительности, чтобы выполнить такую работу, нашим потомкам, возможно, потребуется обеспечить наличие электронов достаточной плотности вблизи Луны, чтобы поддержать ионосферу. Задача: каковы будут омические потери и эффективность накачки во всей орбите.

Предположим, что вероятная оптимистичная средняя эффективность ~ 25%. Такое значение даёт намеренно круглое число порядка 1×1033 джоулей, поставляемые на протяжении 1×108 (ста миллионов) лет. Для этого потребуется 3,2×1017 Вт средней мощности в течение этого времени. Теперь предположим, что ожидается множество таких периодов, когда трос-лифт не будет использоваться должным образом, игнорироваться, или просто не существовать. Выставляем требование 10¹⁸ Вт (миллиард гигаватт).

Текущее потребление энергии земной цивилизацией составляет около 20 тераватт или 20 000 гигаватт. Итак, похоже, что для нашей системы подъёма Земли потребуется лишь в 50 000 раз больше общих генерирующих мощностей всех искусственных энергетических наземных систем, которые человечество использует в настоящее время.

В перспективе, если у нас есть 40% эффективных многопереходных солнечных панелей, непрерывно направленных к Солнцу, при солнечной интенсивности, которая остаётся примерно постоянной, по мере нашего выхода нам потребуются солнечные батареи общей площадью 5,8×1014 м2. Это значение составляет 1,1 раза общей площади поверхности Земли

Солнцезащитное укрытие

Обратим внимание на проект подобного масштаба, но попроще (намного), чтобы такая примитивная цивилизация, как наша, могла его реализовать, но имеющий определённые недостатки. Для наших целей он установит детали в перспективе.

Светозащитный Зонтик размещается в направлении Солнца в точке Лагранжа L1, ~ 1,5×109 м с целью борьбы с глобальным потеплением и некоторого уменьшения количества солнечного света, поражающего планету. Расчёты Олдсона и Кэрролла предполагают, что такой зонт может охладить планету на такую же величину, как увеличение орбиты планеты на 10%, просто удалив 17% или около того солнечного света. Для достижения этой цели диаметр зонтика должен составлять чуть более половины диаметра Земли, то есть около 7 000 километров.

Такой подход к охлаждению Земли имеет преимущества несколько меньшей площади поверхности и не требует присутствия лунного стержня. Любые системы затенения требуют почти постоянного технического обслуживания. На момент, когда зонт дрейфует по линии Земля-Солнце, происходит нагрев, эффект может быть особенно разрушительным, если зонтик выходит из строя и есть помехи, препятствующие его быстрому восстановлению.

В отличие от этих систем концепции для поддержания Земли с помощью лунного стержня вполне устойчивы в случае подобных отказов, охлаждающий эффект каждого приращения орбитального изменения являются величиной постоянной.

Конечно, некоторые комбинации этих методов послужат и нашим потомкам, а навыки, необходимые для одной цивилизации, помогут другой. Светозащитный Зонтик может дать цивилизации время, чтобы найти другие, более амбициозные и долгосрочные решения.

Геоинжиниринг

Вопрос в том, можно ли решить наши проблемы, связанные с глобальным изменением климата, сейчас? Есть такая отрасль науки, называемая геоинжиниринг, однако слишком много людей сопротивляются даже мысли об этом. Тем не менее, ведь нет ничего плохого в том, чтобы провести предварительные эксперименты. Без сомнений, наша работа, в первую очередь, направлена на то, чтобы предотвратить все вредные для Земли последствия.

Действительно, всё, что мы должны делать для предотвращения глобального изменения климата, представляет собой мероприятия, которые мы должны проводить в любом случае. Действия, которые помогут нам стать более энергоэффективными и сэкономить деньги, снижая рост парниковых газов на Земле. Мы должны быть в состоянии предложить варианты, чтобы выбрать беспроигрышные инженерные проекты, которые помогут спасти нашу планету.

Чтобы поднять нашу планету, не оставляя Землю на опасной пролётной траектории астероидов, вы раскачаете её посредством электропроводящего космического лифта на противоположной стороне Луны.

Большое преимущество в том, что цивилизации могут иметь взлёты и падения. Бюджеты могут сокращаться. Привязной трос можно отрезать, он просто улетит. Вы замените его. В течение миллионов лет всё, что нужно человечеству, – в период очередной эры расцвета очередной цивилизации сделать это, хотя бы наполовину, – и сдвинуть планету. Солнечное тепло непрерывно приближается к нашей обитаемой зоне или поясу Златовласки извне, и всё ближе.

Слишком амбициозно? В настоящее время – возможно, но и не слишком рано даже с точки зрения научной фантастики думать об амбициях, которые позволят нашим богатым и фантастически способным потомкам спасти эту планету, которая была очень хороша для нас.

Является ли это понятие слишком амбициозным? В настоящее время – возможно, но и не слишком рано, даже с точки зрения научной фантастики, думать об амбициях, даже если только в научном или литературном смыслах следует выработать привычку думать в долгосрочной перспективе и осознавать свой ​​долг, чтобы сохранить планету. Конечно, существует много более непосредственных угроз для Земли, и мы должны рассматривать творческие решения для решения тех и других, даже с точки зрения научной фантастики, и думать об амбициях, которые позволят нашим богатым и фантастически способным потомкам спасти эту планету, которая была очень хороша для нас.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Saving Earth from an Expanding Sun
 журнал ROOM №1 (7) 2016