Science fiction films met een miljoenenbudget zijn niet langer het exclusieve domein van Hollywood. China heeft zich ook op deze lucratieve markt gekatapulteerd. De lancering van The Wandering Earth, een ambitieuze Chinese film van meer dan twee uur, zichtbaar op Netflix, dateert van begin 2019.

Het verhaal neemt een beetje dat van de mythische Space: 1999-serie, waarin de maan de baan van de aarde verliet na een catastrofale kernexplosie, zichzelf zwervend in de diepe ruimte vond, en op de een of andere manier terechtkwam op de route van hypothetische extrasolaire planeten, bewoond door onwaarschijnlijke buitenaardse beschavingen.

In het geval van de Chinese film is het niet de Maan die de baan van de Aarde verlaat, maar de Aarde zelf die haar baan rond de Zon verlaat. In de filmische fictie begint de Zon gevaarlijk uit te zetten, en om aan haar doodsgreep te ontsnappen, stellen wetenschappers voor om onze planeet naar het Alfa Centauri-systeem te verschepen, meer dan vier lichtjaren ver weg. Daartoe geven alle regeringen van de Aarde, geraakt door een plotselinge wijsheid, de macht over aan een supranationaal orgaan. Dit orgaan besluit tot de bouw van een reeks gigantische motoren langs de evenaar, die de planeet de nodige stuwkracht moeten geven om zich los te maken van de zwaartekracht van de zon, en een eeuwenlange reis naar Alpha Centauri te beginnen.

We laten de latere complicaties van het plot, waarbij de Aarde het risico loopt te worden vernietigd door de Joviaanse zwaartekracht, buiten beschouwing, en laten ons afvragen of het uitgangspunt van de film – de Aarde uit haar baan rond de zon halen – op de een of andere manier haalbaar is. Matteo Ceriotti, een Italiaanse lucht- en ruimtevaartingenieur en onderzoeker aan de School of Engineering van de Universiteit van Glasgow in Schotland, stelde zichzelf dezelfde vraag. Laten we eens kijken naar de antwoorden die Ceriotti vond, gebaseerd op de niet vele methoden die theoretisch nuttig zijn om een dergelijke onderneming tot een goed einde te brengen.

Het moet echter duidelijk zijn dat de hypothese die Ceriotti heeft geanalyseerd niet precies die van de film is: De aarde naar Alpha Centauri “sturen” is een idee dat te onwaarschijnlijk klinkt om serieus te worden genomen. Ceriotti heeft, meer bescheiden, de mogelijkheid onderzocht om de planeet te verplaatsen op een baan die 50% verder van de zon ligt dan de huidige. De vraag die moet worden beantwoord is in wezen deze: is het mogelijk de baan van de aarde te vergroten tot hij ongeveer samenvalt met die van Mars?

De meest elementaire methode die in je opkomt om een hemellichaam uit zijn baan te halen, is om het op de harde manier te doen. In de film Armageddon uit 1998 werden kernkoppen gebruikt om een asteroïde die op ramkoers lag met de aarde af te buigen of, beter gezegd, te verbrijzelen. NASA en ESA hebben beide missies gepland om een kinetische impactor, namelijk een kogel, te gebruiken om een kleine asteroïde enigszins uit zijn baan te doen afwijken. Helaas zouden beide methoden onpraktisch zijn als het doel was de baan van de Aarde te wijzigen. De massa van onze planeet is namelijk gelijk aan bijna zes septiljoen kilogram (5,97 × 10²⁴ kg, om precies te zijn). Die massa is zo groot dat elk explosief of kinetisch impactapparaat dat op zo’n massa is afgesteld, een zeer onaangenaam neveneffect zou hebben: de vernietiging van de Aarde.

Gelukkig zijn er vriendelijker methoden om dit doel te bereiken. Bijvoorbeeld, de noodzakelijke impuls zou kunnen worden verdeeld in een massief aantal opeenvolgende kleine duwtjes. Zoiets gebeurt immers al bij elke ruimtelancering. De impuls die een raket krijgt van zijn motoren om hem buiten de dampkring te brengen is een duw tegen de aarde. Het effect daarvan op de baanbeweging van de aarde is echter onmerkbaar, omdat het vermogen van de motoren van een enkele raket, zelfs van de grootste, verwaarloosbaar is in verhouding tot de massa van de planeet. Ceriotti berekende dat 300 miljard lanceringen met volle lading van SpaceX’s Falcon Heavy nodig zouden zijn om de baan van de Aarde zo te veranderen dat hij 50% wijder wordt. Helaas zou 85% van de massa van de Aarde moeten worden verbruikt aan materialen om een vergelijkbare vloot van Falcon Heavy te bouwen en te voeden, waardoor in de nieuwe baan een “verdorde” Aarde zou overblijven, met slechts 15% van haar huidige massa.

Een handigere methode zou zijn om ionenmotoren te gebruiken, dat zijn motoren die een lichte continue stuwkracht creëren, waarbij ionen worden afgevuurd (gewoonlijk xenon-ionen) die worden versneld dankzij een elektrostatisch systeem. Het is het type motor dat het Dawn-ruimteschip van brandstof voorzag tijdens zijn buitengewone missie, gewijd aan de verkenning van Vesta en Ceres. Om de aarde uit haar baan te duwen, moet een reusachtige ionenmotor worden gebouwd en op 1.000 km hoogte worden geplaatst, zodat hij buiten de atmosfeer blijft. De motor moet echter stevig met het aardoppervlak worden verbonden met behulp van superbestendige bundels, om de stuwkracht op de planeet over te brengen. Met behulp van een ionenmotor die een continue stuwkracht van 40 km/s in de richting van de baanbeweging van de Aarde kan produceren, zou het dan nodig zijn om slechts 13% van de massa van de Aarde om te zetten in ionenstuwstof, om de baan te verbreden tot de afstand van Mars. Er zou dan nog 87% van de aardmassa beschikbaar zijn …

Er zijn gelukkig ook goedkopere voortstuwingssystemen, die ons er niet toe zouden verplichten de aardmassa te verarmen. Licht, bijvoorbeeld, heeft momentum, ook al heeft het geen massa. Daarom is het theoretisch mogelijk om krachtige lasers te gebruiken om stuwkracht op te wekken. Het Breakthrough Starshot-project is precies op dit idee gebaseerd: op sommige plaatsen op aarde een laserkrachtcentrale van 100 GW bouwen, die in staat is een gecollimeerde straal te produceren waarmee een zonnezeil dat naar Proxima Centauri wordt gelanceerd, tot een aanzienlijke fractie van de lichtsnelheid kan worden versneld. Dankzij zonne-energie om het nodige vermogen op te wekken, zou zo’n lasersysteem ook kunnen worden gebruikt om een continue stuwkracht te produceren die in staat is de baan van de Aarde te wijzigen. Helaas zou het, zelfs met een laser van 100 GW, drie miljard miljard jaar duren om met een constante impuls de baan van de aarde met 50% te verruimen: dat is een tijd die acht orden van grootte langer is dan de tijd die is verstreken vanaf de Big Bang tot vandaag!

Er is ook een alternatieve manier om stralingsdruk te gebruiken, d.w.z. de kracht die door licht wordt uitgeoefend, om dezelfde baanverandering in een veel kortere tijd te verkrijgen. Het systeem bestaat uit het gebruik van een zonnezeil dat in een baan om de aarde is “geparkeerd” en zodanig is georiënteerd dat de zonnestraling naar het aardoppervlak wordt afgebogen. Volgens een studie uit 2002 zouden fotonen van de zon die door het zeil in de richting van de aarde worden weerkaatst, het massamiddelpunt van het aarde/zeil-systeem verplaatsen, waardoor de baan van onze planeet in de loop van de tijd zou veranderen. Helaas, om de aarde naar de baan van Mars te verplaatsen zou een zonnezeil met een breedte van 19 aarddiameters nodig zijn, dat is meer dan 240.000 km! Het zou echter veel tijd besparen in vergelijking met de vorige oplossing die gebaseerd was op het gebruik van lasers. Met zo’n groot zonnezeil zou het “slechts” 1 miljard jaar duren om de Aarde te verplaatsen naar de afstand van Mars tot de Zon.