In dem kürzlich auf Netflix veröffentlichten chinesischen Science-Fiction-Film The Wandering Earth versucht die Menschheit, die Erdumlaufbahn mit riesigen Triebwerken zu verändern, um der expandierenden Sonne zu entkommen - und eine Kollision mit Jupiter zu verhindern.
Das Szenario könnte eines Tages wahr werden. In fünf Milliarden Jahren wird der Sonne der Treibstoff ausgehen und sich ausdehnen, was höchstwahrscheinlich die Erde verschlingen wird. Eine unmittelbarere Bedrohung ist eine Apokalypse der globalen Erwärmung. Die Erde in eine größere Umlaufbahn zu bringen, könnte eine Lösung sein - und das ist theoretisch möglich.
Aber wie könnten wir vorgehen und was sind die technischen Herausforderungen? Nehmen wir als Argument an, wir wollen die Erde von ihrer aktuellen Umlaufbahn auf eine Umlaufbahn bringen, die 50% weiter von der Sonne entfernt ist, ähnlich wie die des Mars.
Wir haben seit vielen Jahren Techniken entwickelt, um kleine Körper - Asteroiden - aus ihrer Umlaufbahn zu bewegen, hauptsächlich um unseren Planeten vor Stößen zu schützen. Einige basieren auf einer impulsiven und oft zerstörerischen Aktion: einer nuklearen Explosion in der Nähe oder auf der Oberfläche des Asteroiden oder einem "kinetischen Impaktor", beispielsweise einem Raumschiff, das mit hoher Geschwindigkeit mit dem Asteroiden kollidiert. Diese sind aufgrund ihrer zerstörerischen Natur eindeutig nicht auf die Erde anwendbar.
Andere Techniken beinhalten stattdessen einen sehr sanften, kontinuierlichen Druck über einen langen Zeitraum, der von einem an der Oberfläche des Asteroiden angedockten Schlepper oder einem in der Nähe schwebenden Raumschiff (Schieben durch die Schwerkraft oder andere Methoden) bereitgestellt wird. Dies wäre jedoch für die Erde unmöglich, da ihre Masse im Vergleich zu den größten Asteroiden enorm ist.
Elektrische Triebwerke
Wir haben die Erde tatsächlich bereits aus ihrer Umlaufbahn bewegt. Jedes Mal, wenn eine Sonde die Erde für einen anderen Planeten verlässt, gibt sie der Erde einen kleinen Impuls in die entgegengesetzte Richtung, ähnlich dem Rückstoß einer Waffe. Zum Glück für uns - aber leider zum Zweck der Bewegung der Erde - ist dieser Effekt unglaublich gering.
Der Falcon Heavy von SpaceX ist heute die leistungsfähigste Trägerrakete. Wir würden 300 Milliarden Milliarden Starts mit voller Kapazität benötigen, um die Umlaufbahn zum Mars zu erreichen. Das Material, aus dem all diese Raketen bestehen, würde 85% der Erde entsprechen und nur 15% der Erde in der Marsumlaufbahn belassen.
Ein elektrisches Triebwerk ist ein viel effizienterer Weg, um die Masse zu beschleunigen - insbesondere Ionenantriebe, bei denen ein Strom geladener Teilchen abgefeuert wird, die das Schiff vorwärts treiben. Wir könnten ein elektrisches Triebwerk in Richtung der Erdumlaufbahn richten und abfeuern.
Das übergroße Triebwerk sollte sich 1.000 Kilometer über dem Meeresspiegel jenseits der Erdatmosphäre befinden, aber mit einem starren Strahl fest mit der Erde verbunden sein, um die Schubkraft zu übertragen. Mit einem Ionenstrahl, der mit 40 Kilometern pro Sekunde in die richtige Richtung abgefeuert wird, müssten wir immer noch das Äquivalent von 13% der Erdmasse in Ionen ausstoßen, um die verbleibenden 87% zu bewegen.
Auf Licht segeln
Da Licht einen Impuls trägt, aber keine Masse, können wir möglicherweise auch einen fokussierten Lichtstrahl wie einen Laser kontinuierlich mit Strom versorgen. Die erforderliche Energie würde von der Sonne gesammelt und keine Erdmasse verbraucht. Selbst mit der riesigen 100-GW-Laseranlage, die im Rahmen des Breakthrough Starshot-Projekts vorgesehen ist, mit dem Raumfahrzeuge aus dem Sonnensystem vertrieben werden sollen, um benachbarte Sterne zu erforschen, würde eine kontinuierliche Nutzung von drei Milliarden Milliarden Jahren erforderlich sein, um die Umlaufbahnänderung zu erreichen.
Licht kann aber auch mit einem neben der Erde stationierten Sonnensegel direkt von der Sonne zur Erde reflektiert werden. Forscher haben gezeigt, dass eine reflektierende Scheibe benötigt wird, die 19-mal größer als der Erddurchmesser ist, um die Orbitaländerung über einen Zeitraum von einer Milliarde Jahren zu erreichen.
Interplanetares Billard
Eine bekannte Technik für zwei umlaufende Körper, um Impulse auszutauschen und ihre Geschwindigkeit zu ändern, ist eine enge Passage oder eine Gravitationsschleuder. Diese Art von Manöver wurde ausgiebig von interplanetaren Sonden verwendet. Zum Beispiel passierte das Rosetta-Raumschiff, das 2014-2016 den Kometen 67P während seiner zehnjährigen Reise zum Kometen besuchte, 2005 und 2007 zweimal in der Nähe der Erde.
Infolgedessen verlieh das Schwerefeld der Erde Rosetta eine erhebliche Beschleunigung, die allein mit Triebwerken nicht zu erreichen gewesen wäre. Folglich erhielt die Erde einen entgegengesetzten und gleichen Impuls - obwohl dies aufgrund der Erdmasse keinen messbaren Effekt hatte.
Aber was wäre, wenn wir eine Schleuder mit etwas viel Massiverem als einem Raumschiff ausführen könnten? Asteroiden können sicherlich von der Erde umgeleitet werden, und während die gegenseitige Auswirkung auf die Erdumlaufbahn gering ist, kann diese Aktion mehrmals wiederholt werden, um letztendlich eine beträchtliche Änderung der Erdumlaufbahn zu erreichen.
Einige Regionen des Sonnensystems sind dicht mit kleinen Körpern wie Asteroiden und Kometen, deren Masse von vielen klein genug ist, um mit realistischer Technologie bewegt zu werden, aber immer noch um Größenordnungen größer als das, was realistisch von der Erde aus gestartet werden kann.
Mit einem genauen Flugbahndesign ist es möglich, die sogenannte "Δv-Hebelwirkung" auszunutzen - ein kleiner Körper kann aus seiner Umlaufbahn gestoßen werden und infolgedessen an der Erde vorbeischwingen, wodurch unser Planet einen viel größeren Impuls erhält. Dies mag aufregend erscheinen, aber es wurde geschätzt, dass wir eine Million solcher Asteroiden-Pässe benötigen würden, die jeweils etwa einige tausend Jahre voneinander entfernt sind, um mit der Ausdehnung der Sonne Schritt zu halten.
Das Urteil
Von allen verfügbaren Optionen scheint die Verwendung mehrerer Asteroiden-Schleudern derzeit die am besten erreichbare zu sein. Aber in Zukunft könnte die Nutzung von Licht der Schlüssel sein - wenn wir lernen, wie man riesige Weltraumstrukturen oder supermächtige Laserarrays baut. Diese könnten auch zur Erforschung des Weltraums verwendet werden.
Aber während es theoretisch möglich ist und eines Tages technisch machbar sein mag, könnte es tatsächlich einfacher sein, unsere Spezies zu unserem planetaren Nachbarn Mars zu bringen, der die Zerstörung der Sonne überleben könnte. Immerhin sind wir schon mehrmals auf seiner Oberfläche gelandet und haben sie umrundet.
Nach der Überlegung, wie schwierig es wäre, die Erde zu bewegen, den Mars zu kolonisieren, ihn bewohnbar zu machen und die Bevölkerung der Erde im Laufe der Zeit dorthin zu bewegen, klingt es vielleicht doch nicht so schwierig.
Matteo Ceriotti, Dozent für Raumfahrtsystemtechnik, Universität von Glasgow
