Вот почему мы не выбрасываем земной мусор на Солнце

Солнечные орбитальные аппараты — отличный способ изучения Солнца, и благодаря им мы так много узнали о Земле. [+] величайший природный источник энергии в нашей Солнечной системе. Однако, несмотря на то, что Солнце, безусловно, достаточно горячее, чтобы расплавить и ионизировать любую земную материю, которую мы отправляем в контакт с ним, на самом деле отправить что-либо, например наш мусор, на Солнце — чрезвычайно сложная задача.

Представьте нашу планету такой, какой она была в первые 4,55 миллиарда лет своего существования. Пожары, извержения вулканов, землетрясения, цунами, удары астероидов, ураганы и многие другие стихийные бедствия были повсеместны, как и биологическая активность на протяжении всей нашей размеренной истории. Большинство произошедших изменений окружающей среды были постепенными и изолированными; лишь в нескольких случаях — часто связанных с массовыми вымираниями — изменения были глобальными, немедленными и катастрофическими.

Но с появлением людей у ​​природной среды Земли появился еще один элемент, с которым пришлось столкнуться: изменения, внесенные в нее нашим видом. В течение десятков тысяч лет крупнейшие войны были просто региональными стычками; самые большие проблемы с отходами приводили только к изолированным вспышкам заболеваний. Но наша численность и технологические возможности выросли, а вместе с ними и проблема обращения с отходами. Вы можете подумать, что отличным решением было бы отправить наш худший мусор на Солнце, но мы никогда этого не добьемся. Вот почему.

Самый первый запуск Falcon Heavy 6 февраля 2018 года прошел с огромным успехом. Ракета . [+] вышел на низкую околоземную орбиту, успешно развернул полезную нагрузку, основные ускорители вернулись на мыс Кеннеди, где успешно приземлились. Обещание многоразового тяжелого транспортного средства теперь стало реальностью и может снизить затраты на запуск до ~ 1000 долларов за фунт. Тем не менее, даже со всеми этими достижениями, мы не будем запускать наш мусор на Солнце в ближайшее время.

Джим Уотсон/AFP/Getty Images

В настоящее время на планете живет немногим более 7 миллиардов человек, а в предыдущем столетии мы наконец стали космической цивилизацией, где мы разорвали гравитационные связи, которые держали нас прикованными к Земле. Мы добывали ценные и редкие минералы и элементы, синтезировали новые химические соединения, разрабатывали ядерные технологии и производили новые технологии, которые намного превосходят даже самые смелые мечты наших далеких предков.

Хотя эти новые технологии изменили наш мир и улучшили качество нашей жизни, у них есть и негативные побочные эффекты. Теперь у нас есть возможность нанести широкомасштабный ущерб и разрушения нашей окружающей среде различными способами, от вырубки лесов до загрязнения атмосферы, подкисления океана и многого другого. Со временем и осторожностью Земля начнет саморегулироваться, как только мы перестанем усугублять эти проблемы. Но другие проблемы просто не решатся сами по себе в разумные сроки.

Испытание ядерного оружия Майк (мощность 10,4 Мт) на атолле Эниветок. Испытание было частью операции «Плющ». . [+] Майк был первой испытанной водородной бомбой. Высвобождение такого большого количества энергии соответствует превращению примерно 500 граммов материи в чистую энергию: поразительно большой взрыв для такого крошечного количества массы. Ядерные реакции, включающие деление или синтез (или и то, и другое, как в случае с Айви Майк), могут привести к образованию чрезвычайно опасных долгоживущих радиоактивных отходов.

Национальное управление ядерной безопасности / офис в Неваде

Кое-что из того, что мы произвели здесь, на Земле, является не просто проблемой, с которой нужно считаться в краткосрочной перспективе, но представляет собой опасность, которая со временем существенно не уменьшится.Наши самые опасные, долгосрочные загрязнители включают побочные продукты и отходы ядерной энергетики, опасные химические вещества и биологически опасные вещества, пластмассы, которые выделяют газы и не разлагаются биологически, и могут нанести ущерб значительной части живых существ на Земле, если они попадут в атмосферу. окружающую среду неправильным образом.

Можно подумать, что «худших из худших» из этих преступников следует упаковать в ракету, запустить в космос и отправить на встречный курс с Солнцем, где они, наконец, больше не будут досаждать Земле. (Да, это было похоже на сюжет «Супермена IV».) С точки зрения физики это возможно.

Но должны ли мы это делать? Это совсем другая история, и она начинается с рассмотрения того, как работает гравитация на Земле и в нашей Солнечной системе.

Космический аппарат MESSENGER, направляющийся к Меркурию, сделал несколько потрясающих снимков Земли во время гравитации. [+] Помогает проплыть мимо своей родной планеты 2 августа 2005 г. Несколько сотен изображений, сделанных широкоугольной камерой в системе двойного изображения MESSENGER Mercury, были объединены в фильм, документирующий вид из MESSENGER, когда он улетает. Земля. Земля вращается примерно раз в 24 часа вокруг своей оси и движется в космосе по эллиптической орбите вокруг нашего Солнца.

Миссия НАСА / Посланник

Люди развивались на Земле, достигли известности в этом мире и разработали необычные технологии, которых наш уголок космоса никогда раньше не видел. Все мы давно мечтали исследовать Вселенную за пределами нашего дома, но только в последние несколько десятилетий нам удалось вырваться из гравитационных уз Земли. Гравитационное притяжение, создаваемое нашей массивной планетой, зависит только от нашего расстояния от центра Земли, из-за чего пространство-время искривляется и заставляет все объекты на нем или рядом с ним, включая людей, постоянно ускоряться «вниз».

Существует определенное количество энергии, удерживающее любой массивный объект на Земле: гравитационная потенциальная энергия.Однако если мы движемся достаточно быстро (т. е. сообщаем достаточно кинетической энергии) объекту, он может пересечь два важных порога.

1. Порог стабильной орбитальной скорости, чтобы никогда не столкнуться с Землей: около 7,9 км / с (17 700 миль в час).
2. Порог полного побега от земного притяжения: 11,2 км / с (25 000 миль в час).

Для достижения «C» (устойчивой орбиты) требуется скорость 7,9 км/с, а для . [+] "E", чтобы избежать земного притяжения. Скорости меньше «С» упадут на Землю; скорости между «С» и «Е» останутся связанными с Землей на стабильной орбите.

Брайан Брондел по лицензии cca-sa-3.0

Для сравнения, человек на экваторе нашей планеты, где скорость вращения Земли максимальна, движется со скоростью всего около 0,47 км/с (1000 миль в час), что позволяет сделать вывод, что нам не грозит побег, если только не будет какого-то масштабного вмешательства. что меняет ситуацию.

К счастью, мы разработали именно такое вмешательство: ракетостроение. Чтобы вывести ракету на орбиту Земли, нам требуется по меньшей мере столько энергии, сколько потребуется для разгона этой ракеты до необходимой пороговой скорости, о которой мы упоминали ранее. Человечество занимается этим с 1950-х годов, и как только мы сбежали с Земли, можно было увидеть гораздо больше, происходящее в больших масштабах.

Земля не стационарна, а вращается вокруг Солнца со скоростью примерно 30 км/с (67 000 миль в час), а это означает, что даже если вы сбежите с Земли, вы все равно окажетесь не только гравитационно связанными с Солнцем, но и на стабильной эллиптической орбите. вокруг него.

Спутники Dove, запущенные с МКС, предназначены для съемки Земли и имеют номер . [+] всего около 300. Есть около 130 спутников Dove, созданных Planet, которые все еще находятся на орбите Земли, но к 2030-м годам это число упадет до нуля из-за распада орбиты. Если бы эти спутники были ускорены, чтобы вырваться из-под земного притяжения, они все еще вращались бы вокруг Солнца, если бы они не были ускорены гораздо сильнее.

Это ключевой момент: вы можете подумать, что здесь, на Земле, мы связаны земным притяжением, и это доминирующий фактор в том, что касается гравитации. Наоборот, гравитационное притяжение Солнца намного превышает гравитационное притяжение Земли! Единственная причина, по которой мы этого не замечаем, заключается в том, что вы, я и вся планета Земля находятся в свободном падении по отношению к Солнцу, и поэтому мы все ускорены им с одинаковой относительной скоростью.

Если бы мы были в космосе и сумели избежать земного притяжения, мы бы все равно двигались со скоростью примерно 30 км/с по отношению к Солнцу и примерно на расстоянии 150 миллионов км (93 миллиона миль) от нашей родительской звезды. . Если бы мы хотели сбежать из Солнечной системы, нам пришлось бы набрать еще около 12 км/с скорости, чтобы достичь скорости убегания, чего не могут сделать некоторые из наших космических кораблей (Пионер 10 и 11, Вояджер 1 и 2 и Новые Горизонты). ) уже достигли.

Скорость убегания от Солнца на расстоянии Земли составляет 42 км/с, а мы уже движемся со скоростью 30 км/с всего на . [+] обращение вокруг Солнца. После того, как "Вояджер-2" пролетел мимо Юпитера, который гравитационно "выстрелил" его, ему суждено было покинуть Солнечную систему.

Пользователь Викисклада Cmglee

Но если бы мы захотели пойти в противоположном направлении и запустить полезную нагрузку космического корабля к Солнцу, перед нами встала бы большая проблема: нам пришлось бы потерять достаточно кинетической энергии, чтобы стабильная эллиптическая орбита вокруг нашего Солнца перешла на орбита, которая подошла достаточно близко к Солнцу, чтобы столкнуться с ним. Есть только два способа добиться этого:

1. Возьмите с собой достаточно топлива, чтобы вы могли в достаточной степени замедлить свой полезный груз (т. Е. Чтобы он потерял как можно большую часть своей относительной скорости по отношению к Солнцу), а затем наблюдать, как ваш полезный груз под действием силы тяжести свободно падает на Солнце.
2. Сконфигурируйте достаточное количество пролетов с самыми внутренними планетами нашей Солнечной системы — Землей, Венерой и/или Меркурием — так, чтобы орбитальная полезная нагрузка была снижена (в отличие от положительного ускорения, которое космические корабли, такие как Pioneer, Voyager и New Horizons, получили от гравитационно взаимодействует с внешними планетами) и в конце концов подходит достаточно близко к Солнцу, чтобы быть поглощенным.

Идея гравитационной рогатки или помощи гравитации заключается в том, чтобы космический корабль приблизился к планете. [+] вращается вокруг Солнца, к которому не привязан. В зависимости от ориентации относительной траектории космического корабля, он получит либо ускорение, либо снижение скорости по отношению к Солнцу, что компенсируется потерей или приобретением энергии (соответственно) планетой, вращающейся вокруг Солнца.

Пользователь Викисклада Zeimusu

Первый вариант на самом деле требует столько топлива, что это практически невозможно с современными (химическими ракетами) технологиями. Если вы загрузите ракету массивной полезной нагрузкой, как вы могли бы ожидать от всех опасных отходов, которые вы хотите сбросить на Солнце, вам придется загрузить ее большим количеством ракетного топлива на орбите, чтобы достаточно замедлить ее. чтобы он упал на Солнце. Чтобы запустить и эту полезную нагрузку, и дополнительное топливо, требуется ракета, которая намного больше, мощнее и массивнее любой из когда-либо созданных на Земле.

Вместо этого мы можем использовать технику помощи гравитации, чтобы либо добавить, либо убрать кинетическую энергию полезной нагрузки. Если вы приблизитесь к большой массе (например, к планете) сзади, пролетите перед ней и попадете под гравитационную рогатку позади планеты, космический корабль потеряет энергию, а планета получит энергию. Однако если вы пойдете в обратном направлении, приблизившись к планете спереди, пролетев позади нее и снова получив гравитационную рогатку назад вперед, ваш космический корабль получит энергию, удаляя ее с орбиты планеты.

Миссия «Посланник» заняла семь лет и в общей сложности шесть гравитационных и пять дальних космических полетов. [+] маневрирует, чтобы достичь конечного пункта назначения: на орбите вокруг планеты Меркурий. Зонду Parker Solar Probe нужно будет сделать еще больше, чтобы достичь конечного пункта назначения: солнечной короны. Когда дело доходит до достижения внутренней части Солнечной системы, космический корабль должен потерять много энергии, чтобы сделать это возможным: трудная задача.

Два десятилетия назад мы успешно использовали этот метод гравитационной рогатки, чтобы успешно отправить орбитальный аппарат на рандеву и непрерывно фотографировать планету Меркурий: миссия Messenger. Это позволило нам построить первую мозаику со всеми планетами внутреннего мира нашей Солнечной системы. Совсем недавно мы использовали ту же технику для запуска солнечного зонда Parker на высокоэллиптическую орбиту, которая доставит его на расстояние всего в несколько солнечных радиусов от Солнца.

Тщательно рассчитанный набор будущих траекторий — это все, что требуется для достижения Солнца, если вы ориентируете свой полезный груз с правильной начальной скоростью. Это сложно сделать, но не невозможно, и солнечный зонд Parker, возможно, является образцом того, как мы с Земли успешно запустим полезную нагрузку ракеты к Солнцу.

Имея все это в виду, вы можете прийти к выводу, что технологически возможно запустить наш мусор, включая опасные отходы, такие как ядовитые химические вещества, биологически опасные и даже радиоактивные отходы, но мы почти наверняка никогда этого не сделаем.

Почему бы и нет? В настоящее время на пути к этой идее стоят три препятствия:

1. Возможность неудачного запуска. Если ваш полезный груз радиоактивный или опасный, и у вас произошел взрыв при запуске или во время пролета с Землей, все эти отходы будут бесконтрольно распределены по Земле.
2. С энергетической точки зрения, выбросить ваш полезный груз за пределы Солнечной системы (из-за положительной гравитации с такими планетами, как Юпитер) стоит дешевле, чем отправить ваш полезный груз в Солнце.
3. И, наконец, даже если бы мы решили это сделать, стоимость отправки нашего мусора на Солнце в настоящее время непомерно высока.

На этой временной серии фотографий запуска ракеты Antares без экипажа в 2014 году показана катастрофа. [+] взрыв при пуске, что неизбежно для любых ракет. Даже если бы мы могли добиться гораздо большего успеха, риск загрязнения нашей планеты опасными отходами в настоящее время является непомерно высоким для запуска нашего мусора на Солнце (или за пределы Солнечной системы).

Самая успешная и надежная система космических запусков всех времен — это ракета «Союз», которая имеет 97% успешности после более чем 1000 запусков. Тем не менее, 2% или 3% отказов, когда вы применяете это к ракете, загруженной всеми опасными отходами, которые вы хотите запустить с вашей планеты, приводят к катастрофической возможности распространения этих отходов в океаны, атмосферу, в населенные пункты. площади, питьевая вода и т. д. Этот сценарий плохо кончается для человечества; риск слишком высок.

Учитывая, что только в Соединенных Штатах хранится около 60 000 тонн высокоактивных ядерных отходов, для удаления этих отходов с Земли потребуется примерно 8 600 ракет «Союз». Даже если бы мы смогли снизить процент неудачных запусков до беспрецедентных 0,1%, это обошлось бы примерно в триллион долларов и, учитывая примерно 9 неудачных запусков, которых можно было бы ожидать, привело бы к случайному перераспределению более 60 000 фунтов опасных отходов по всей Земле. .

Если мы не готовы заплатить беспрецедентную цену и принять почти наверняка катастрофическое загрязнение окружающей среды, мы должны оставить идею выбрасывания нашего мусора на Солнце в область научной фантастики и перспективных технологий будущего, таких как космические лифты. Нельзя отрицать, что мы устроили настоящий беспорядок на планете Земля. Теперь нам предстоит найти собственный выход из этого положения.