目前,地球上有70多亿人,上个世纪我们终于成为一个太空文明,我们挣脱了引力束缚。我们提取了宝贵的稀有矿物和元素,合成了新的化合物,发展了核技术,并生产出了远超我们远祖最疯狂梦想的新技术。
尽管这些新技术改变了我们的世界,提高了我们的生活质量,但也带来了一些负面影响。我们现在有能力以各种方式对我们的环境造成广泛的破坏和破坏,从森林毁坏到大气污染到海洋酸化等等。只要我们停止加剧这些问题,地球就会开始自我调节。但其他问题在任何合理的时间尺度上都不会自行好转。
我们在地球上所产生的一些问题不仅是短期内必须解决的问题,而且是一个不会随着时间而显著减少的危险。我们最危险、最长期的污染物包括核副产品和废物、危险化学品和生物危害物、排出气体、不会生物降解的塑料,如果它们以错误的方式进入环境,可能会对地球上相当一部分生物造成严重破坏。
你可能会认为,这些“最坏的最坏的”罪犯应该被装在火箭上,发射到太空,然后被送上与太阳碰撞的轨道,在那里他们最终不会再折磨地球了,从物理学的角度来看,这是可能的。
但我们应该这样做吗?这完全是另一个故事,它从考虑引力如何在地球和我们的太阳系工作开始。
人类在地球上进化,在这个世界上崭露头角,并发展出我们这个宇宙角落从未见过的非凡技术。我们都梦想着探索我们家以外的宇宙,但只有在过去几十年里,我们才设法摆脱了地球的引力束缚。我们这颗巨大的行星所施加的引力只取决于我们与地球中心的距离,这会导致时空弯曲,并导致其上或附近的所有物体——包括人类——不断加速“向下”。
有一定量的能量使任何一个巨大的物体束缚在地球上:引力势能。然而,如果我们移动得足够快(也就是说,给一个物体足够的动能),它可以跨越两个重要的阈值。
1稳定轨道速度不与地球相撞的临界值:约7.9公里/秒(17700英里/小时)。
2完全脱离地球引力的门槛:11.2公里/秒(25000英里/小时)。
相比之下,地球自转最大化的赤道上的物体,其运动速度只有0.47公里/秒(1000英里/小时),这就得出结论,除非有一些巨大的干预改变了这种情况,否则我们没有逃脱的危险。
幸运的是,我们开发了这样一种干预手段:火箭技术。为了使火箭进入地球轨道,我们至少需要足够的能量来将火箭加速到我们前面提到的必要的临界速度。人类从20世纪50年代就开始这样做了,一旦我们逃离地球,就会看到更多的事情发生在更大的范围内。
地球不是静止的,而是以大约30公里/秒(67000英里/小时)的速度绕太阳运行,这意味着即使你逃离地球,你仍然会发现自己不仅在引力上与太阳绑定,而且在围绕太阳的稳定椭圆轨道上。
这是一个关键点:你可能会认为在地球上,我们受地球引力的约束,这是引力的主导因素。恰恰相反,太阳的引力远远超过地球的引力!我们没有注意到这一点的唯一原因是因为你,我,还有整个地球相对于太阳都处于自由落体状态,所以我们都以相同的相对速度被太阳加速。
如果我们在太空中设法逃离地球的引力,我们仍然会发现自己以大约30公里/秒的速度相对于太阳移动,距离我们的母星大约1.5亿公里(9300万英里)。如果我们想逃离太阳系,我们必须再获得大约12公里/秒的速度才能达到逃逸速度,这是我们的一些航天器(先锋10号和11号、旅行者1号和2号以及新视野号)已经实现的。
但如果我们想朝相反的方向,发射一个航天器的有效载荷到太阳上,我们将面临一个巨大的挑战:我们必须失去足够的动能,使围绕太阳的稳定椭圆轨道转变成一个接近太阳的轨道,与太阳发生碰撞。只有两种方法可以做到这一点:
带上足够的燃料,这样你就可以使你的有效载荷充分减速(也就是说,让它失去尽可能多的相对于太阳的相对速度),然后看着你的有效载荷在重力上自由落入太阳。
对太阳系最里面的行星——地球、金星和/或水星——进行足够的飞越,这样轨道上的有效载荷就会降低,最终接近太阳并被吞噬。
实际上,第一种选择需要大量的燃料,用目前的(化学火箭)技术几乎是不可能的。如果你装载了一枚载重量巨大的火箭,就像你希望发射到太阳上的所有危险废物一样,你必须在轨道上装载大量的火箭燃料,使其充分减速,使其落入太阳。要同时发射有效载荷和额外的燃料,就需要一枚比我们在地球上建造的任何火箭都大、更强大、质量更大的火箭。
相反,我们可以使用重力辅助技术来增加或减少有效载荷的动能。如果你从后面接近一个大质量物体(如行星),在它前面飞行,然后在行星后面被引力弹射,宇宙飞船就会失去能量,而行星会获得能量。但是,如果你走相反的路,从前方接近这颗行星,在它后面飞行,并再次被引力弹射到前方,你的航天器在将它从绕轨道运行的行星上移除的同时获得能量。
20年前,我们成功地利用这种引力弹弓方法,成功地将一个轨道飞行器送入交会点,并连续成像水星:信使号任务。它使我们能够在太阳系最深处建造第一个全行星拼图。最近,我们用同样的技术将帕克太阳探测器发射到一个高度椭圆的轨道上,这个轨道将把它带到太阳的几个太阳半径内。
只要你以正确的初始速度确定有效载荷的方向,一组经过仔细计算的未来轨迹就可以到达太阳。这很难做到,但并非不可能,帕克太阳探测器也许是我们如何从地球上成功地向太阳发射火箭有效载荷的典范。
记住所有这些,你可能会得出结论,发射我们的垃圾在技术上是可行的,包括有毒化学物质、生物危害甚至放射性废物等危险废物,但这几乎肯定是我们永远不会做的事情。
为什么不?目前,这一想法有三个障碍:
发射失败的可能性。如果你的有效载荷具有放射性或危险性,并且你在发射时或在与地球飞行期间发生爆炸,所有这些废物将无法控制地分布在地球上。
从能量上讲,从太阳系射出你的有效载荷(来自木星等行星的正重力加速)的成本要比射入太阳的成本低。
最后,即使我们选择了这样做,目前将我们的垃圾送到太阳上的成本也高得惊人。
有史以来最成功、最可靠的航天发射系统是联盟号火箭,经过1000多次发射,成功率达97%。然而,当你把2%或3%的失败率应用到一个装满了你想要从地球上发射的所有危险废物的火箭上时,会导致灾难性的可能性,使这些废物扩散到海洋、大气、人口稠密地区、饮用水,这种情况对人类来说并不是一个好的结局,风险太大了。
考虑到仅美国就储存了约6万吨高水平核废料,从地球上清除这些废料大约需要8600枚联盟号火箭。即使我们能将发射失败率降低到前所未有的0.1%,这也将花费大约1万亿美元,而且,在预计有9次发射失败的情况下,将导致6万多磅危险废物倾倒在地球上。
除非我们愿意付出史无前例的代价,接受几乎可以肯定的灾难性环境污染,否则我们必须把把把垃圾射向太阳的想法留给科幻小说和未来充满希望的技术,比如太空电梯。不可否认,我们把地球弄得一团糟。现在,我们要自己想办法解决这个问题。
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