把垃圾扔到太阳！这主意怎样？_风闻

原创：牧夫天文

我们的地球已经存在45.5亿年，地球上的生命活动伴随着火灾、火山、地震、海啸、陨石撞击、飓风等自然灾害。大多数自然灾害是逐渐发展而来的或是局限的，仅有少数是造成大规模生物灭绝的全球性突发灾害。地球上出现了人类，几万年前他们对地球的影响微乎及微。但伴随着人类文明的发展，人口暴增和技术腾飞下，人们对地球的影响越来越大，我们人类生活和生产活动产生的废物已成为一个大问题，那为什么不把垃圾扔到太阳这个超级焚化炉呢？

太阳是太阳系的能量源泉，人们已通过航天器来近距离研究它。既然它拥有如此强大的核聚变，为什么我们不把太阳当做一个超级垃圾焚化场？

Credit: ESA

目前我们有70多亿人口，已经是能够打破地球引力束缚前往太空的高级智慧生物；我们可以提取稀有物质和元素；可以合成新的化合物；可以利用核能…这些都是我们祖先无法想象的。新技术改善了人类的生存，但却就是一把双刃剑。人们日积月累地加速破坏自然环境，森林在减少；大气和水资源被污染，这些破坏已经远超过地球的自我调节能力，而且人类已经制造出很多短时间无法降解和被处理的毒害物质。

2018年2月6日，SpaceX公司的重型猎鹰成功试飞，它不仅实现了发射任务，还成功回收了主推进器，意味着可重复使用的重型火箭横空出世，将发射成本降低到1000美金/磅，但它仍然无法胜任将垃圾发射到太阳的任务。

Credit: JIM WATSON/AFP/GETTY IMAGES

人类制造了很多长期影响环境的污染物，比如长衰变期的放射物质、毒害化学物质，就连日常生活中大量使用的塑料，也很难自然降解。我们能否把最危害的垃圾通过火箭送往太阳？理论上这是好主意，但目前却很难实现，让我们一探究竟！

美国埃内韦塔克环礁(Enewetak Atoll)上成功试验了世界第一枚氢弹“麦克”(10.4兆吨当量)，这仅仅是美国常春藤计划的一小部分。如此强大的爆炸仅仅来自500克物质完全转化为能量。核能是如此强大，但不管是核聚变还是核裂变都会产生持续长久的核污染。

Credit: NATIONAL NUCLEAR SECURITY ADMINISTRATION / NEVADA SITE OFFICE

人类已掌握火箭技术来打破地球引力束缚，每年进行大量的太空探索任务。对人们而言习以为常的引力是维系宇宙天体运动的基本作用力，也正因为引力我们才能安稳的生活在行星地表，如果我们加速再加速会遇到两个临界点：

1、如果速度达到7.9公里/秒，我们可以像月球一样绕地轨道运行，我们称其为第一宇宙速度；

2、如果速度达到11.2公里/秒，我们将飞离地球，我们称其为第二宇宙速度。

第一宇宙速度7.9公里/秒下将处于稳定的C轨道；当速度达到11.2公里/秒的第二宇宙速度，将以E轨迹逃逸；而两者速度之间仍将进行绕地轨道运行。

Credit: BRIAN BRONDEL UNDER A C.C.A.-S.A.-3.0 LICENSE

如果我们站在赤道，这时我们拥有最高速度(地球自转)，这个速度也仅仅是0.47公里/秒，如果想离开地表这还差很多！幸运的是我们掌握了火箭技术，在二十世纪五十年代我们已经可以使用火箭加速离开地表进入绕地轨道，人类的视野打开了。在更大的尺度下，地球在太阳引力作用下围绕太阳大约以30公里/秒的速度在椭圆轨道上运行。

从国际空间站释放的约300颗“鸽子卫星”用来给地球自拍。大约有130颗仍在绕地轨道上运行，但估计在十年内它们将陆续坠入地球大气燃毁，假如我们可以加速它们超过第二宇宙速度，它们将围绕太阳轨道运行。

Credit: NASA

相对于地球引力而言，太阳引力可谓超级强大，我们并不能感知它是因为这个引力作用同时作用于你我以及地球。你我以及地球都以30公里/秒的速度在距离太阳1.5亿公里处围绕太阳做椭圆轨道运动，如果想要飞离太阳，那需要额外的12公里/秒的速度(假设沿地球运行方向)，比如先锋10和11号、旅行者1和2号还有新视野号航天器都超越了第三宇宙速度。

上图非常有意思，Y轴是相对太阳的速度，X轴是到太阳的距离，红色线为旅行者2号的速度，蓝色线为不同距离下的逃逸太阳的速度。在地球这个位置下，逃逸太阳的速度是42公里/秒(相对于太阳，地球公转下已有30公里/秒的速度)，我们可以看到旅行者2号是在木星的“引力弹弓效应”下加速超过太阳逃逸速度的。

Credit: WIKIMEDIA COMMONS USER CMGLEE

相反，如果我们想要将垃圾送往太阳，会遇到非常大的难题：我们需要让装载垃圾的火箭减速！这里有两个方法：

1、携带足够的燃料来实现减速；

2、借助内侧轨道行星来减速。

上图是借助木星的引力弹弓效应图示，可以利用行星的引力加速或减速。

Credit: WIKIMEDIA COMMONS USER ZEIMUSU

如果是第一种方法，对于目前的化学火箭来说完全“歇菜”，减速需要的燃料简直就是噩梦，如果要携带很多垃圾，那就需要更多更多的燃料，可以看出这也是非常不经济的做法，即使不考虑成本问题目前的火箭技术也不能胜任。如果我们借助内侧轨道行星的引力来减速呢？

信使号任务用了7年时间，6次引力弹弓效应和5次深空操作最终到达水星。帕克太阳探测器为了能够靠近太阳需要更多的类似过程，因此减速靠近太阳并不容易。

Credit: NASA/JPL

如上图所示，20多年前信使号历经“艰辛”到达水星，类似的还有帕克太阳探测器。经过科学家的演算，我们可以设计出前往太阳的复杂轨迹，虽然不容易但我们还是实现了！但这不意味着能够用来发射垃圾，主要因为：

1、要考虑发射失败的风险，这些垃圾如果在升空阶段爆炸？

2、即使可以借助内侧轨道行星减速，但向太阳发射比向太阳外发射要难很多。如果是向太阳外发射，通过外侧轨道木星和土星等大质量行星加速的效果要好很多；

3、如果我们执意向太阳发射垃圾，目前的成本是高昂的。

上图为2014年的一场火箭升空爆炸事件的过程。

Credit: NASA/JOEL KOWSKY

目前最成熟可靠的火箭发射系统是“联盟号”火箭，它拥有超过1000次的发射和97%的成功率。但即使是2-3%的失败率，我们也不会考虑使用它来发射危险的垃圾，如果火箭爆炸后果不堪设想。目前美国公布的数据表明，它有6万吨的高危害等级核废料，如果使用联盟号火箭发射，大约需要8600枚火箭，即使我们把发射失败率降低到0.1%，我们不仅需要万亿美元，还需要面对9次发射失败。9次发射失败意味着6万磅核废料广泛扩散和污染。因此，把垃圾送往太空的好主意至少目前是不可行的。

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

巧克力冰激凌？

火星干冰覆盖的沙丘

Credit：ESA