X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Дом на Марсе

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ладыгина У.О. 1

---

1МБОУ СОШ № 32 с углубленным изучением отдельных предметов, МБУ ДО ГорСЮТ

Шепель Л.В. 1Кантария Л.Р. 2

---

1МБУ ДО Городская Станция юных техников

2МБОУ СОШ № 32 с углубленным изучением отдельных предметов.

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Марс всегда интересовал людей. Марс – это четвертая планета от Солнца. Ученые надеются найти на ней свидетельства существования жизни. Уже сейчас на Марс посылают множество экспедиций, а в будущем их будет еще больше. В 1996 году ученые исследовали метеорит, прилетевший с Марса. По мнению некоторых их них в нем содержатся останки крошечных живых существ, а значит, на Марсе когда-то была жизнь¹. Миллиарды лет назад условия на Марсе были такими же, как сейчас на Земле. Ученые надеются, что, изучая Марс, мы сможем узнать, что ждет Землю в будущем. Кроме того, если получится обосноваться на Марсе, то это позволит решить несколько проблем: создание постоянной базы для научных исследований самого Марса, его спутников, астероидов, и других планет Солнечной Системы; добыча полезных ископаемых; решение проблемы перенаселения на Земле; создание запасной базы на случай глобального катаклизма на Земле.

Президент РФ В.В. Путин поставил перспективное направление на ближайшее будущее - в скором будущем в планах российских ученых «запустить в сторону Марса миссию». Целью запуска станут: высадка на поверхность Марса десантного модуля; климатические измерения на протяжении длительного времени; проверка существующих моделей атмосферы. В случае успеха этой миссии к 2022 году Илон Маск планирует создать на Марсе постоянную колонию. В 2024 году, т.е. уже через 4 года, планируется высадить первых космических туристов.

И пока все думают, как космические туристы, исследователи и космонавты долетят до Марса, мне стало интересно как ни там будут жить. Необходимо создать не просто космическую базу, а место, где можно проживать комфортно и безопасно.

Главный вопрос: как создать уникальный дом для проживания на Марсе.

Цель работы: создать макет дома на Марсе, в котором необходимо учесть особенности планеты Марс и пригодный для проживания и работы.

В соответствии с поставленной целью можно выделить следующие задачи:

1. Проанализировать и обобщить информацию по теме: «Дом на Марсе»;

2. Определить требования к дому, который будет собран на Марсе и будет пригодным для проживания;

3. Разработать основные системы Дома;

4. Выполнить чертеж дома;

5. Сделать макет дома;

6. Выполнить электронную презентацию.

Проектный продукт: макет дома на Марсе, выполненный по разработанному чертежу; электронная презентация.

Методы исследования: анализ литературных источников, просмотров фильмов, изучение чертежей и рисунков.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

История вопроса

Как только стал подниматься вопрос об освоении Марса, так возник вопрос о строительстве марсианской базы. В этой сфере предлагается ряд проектов. Проект американской фирмы «Foster + Partners»² (рис.1, приложение 1). Американская фирма «Foster + Partners» описывают марсианскую базу общей площадью 93 квадратных метра, построенную полностью из реголита³: почвы и камней, найденных непосредственно на «красной планете».

Согласно концепту до прибытия астронавтов на Марс прилетят полуавтономные роботы, которые выкопают кратер глубиной в 1,5 метра, после чего на Марс сбросят надувные модули, которые и установят в этот кратер. Когда модули будут на месте, небольшие роботы покроют их марсианской почвой, слой за слоем. На каждой стадии специальные роботы-«плавильщики» с помощью микроволн будут соединять разрозненные слои воедино — по сути заниматься чем-то вроде 3D-печати, только в гораздо больших масштабах. Законченные постройки, по мысли Foster + Partners, будут способны обеспечить постоянную защиту базы от избыточной радиации и экстремальных температур снаружи (рис.2. Приложение 2). Внутри дом площадью 93 кв.м. будет разбит на серию жилых и общих помещений, обитых мягкими материалами и дополненные интефейсами виртуальной реальности, которые помогут снизить негативные эффекты на психику человеку, идущие от постоянной монотонности, и создать позитивное жилое окружение для астронавтов.

Проект Mars One (рис.4, Приложение 4). Mars One опубликовал новый график реализации амбициозного плана по формированию постоянного поселения на Красной планете. В рамках инициативы планируется отправлять на Марс команды из четырёх человек на постоянное место жительства. Планировалось, что в 2018 году будет осуществлена демонстрационная непилотируемая миссия на Марс. Первая четвёрка поселенцев должна была отправиться в полёт, который займёт семь месяцев, в 2026-м. Но, как теперь сообщается, в связи с «новой финансовой стратегией» график изменён. Запуск автоматического аппарата откладывается на четыре года — до 2022-го. Что касается первой пилотируемой миссии, то она переносится на пять лет: теперь старт намечен только на 2031 год⁴.

Проекты НАСА. НАСА провели конкурс и выбрали 5 победителей для создания инновационных 3D-печатных домов для проживания на Марсе. Дома на Марсе предполагается строить из переработанного материала и «местных ресурсов» (камни и обломки)⁵. Вдохновленная конкурсом НАСА по поиску идей для потенциальных 3D-печатных мест обитания на Марсе, французская фирма Fabulous разработала концептуальное убежище, получившее название Sfero, которое будет напечатано в 3D-формате на Красной планете с использованием местных материалов. Напоминая футуристический иглу с поверхности, укрытие Sfero будет частично похоронено под землей. Доступ к укрытию можно получить по одному длинному коридору, в котором находится воздушный шлюз. Интерьер состоит из трех этажей (приложение 5). Самый верхний этаж, который больше похож на мезонин, имеет размеры всего 3 кв.м. (32 кв.фута) и полностью отводится растущим продуктам питания, а следующий этаж - 29 кв.м. (312 кв.фута) и включает рабочую зону. и ванная комната. Наконец, самый нижний этаж имеет площадь 40 кв.м. (430 кв.футов) и содержит спальные помещения. Жители будут перемещаться между этажами по винтовой лестнице.

Fabulous (рис.6. Приложение 6) предполагает, что собственные субстраты Красной планеты могут быть использованы в качестве сырья для 3D-печати. Центральный столб погружен в марсианскую почву путем бурения. Хотя компании RedWorks (рис.7. Приложение 7) не удалось пробиться в тройку призеров первого этапа конкурса NASA, команда продолжает работу над дешевым и вполне реализуемым проектом жилья для исследователей Красной планеты, которое будут печатать на 3D-принтере из местного грунта, включая базальты.

На Марсе могут появиться строения, напечатанные на 3D-принтере из базальтового волокна на местном сырье. Отборочный этап конкурса собрал более ста пятидесяти проектов от команд из разных точек мира. Возглавил проект Гувенк Озел (Guvenc Ozel) – архитектор, преподаватель и ученый университета UCLA из Лос-Анджелеса. В сферу интересов его команды входит робототехника в архитектуре и использование композитных материалов в 3D-печати. В отличие от ряда проектов конкурентов, которые предложили напечатать базу на принтере из местного песка (риголита), «Гибридные композиты» (рис.8, приложение 8) решили создать жилище с высокими эксплуатационными характеристиками из композитных материалов, а именно из марсианского базальтового волокна, пропитанного быстроотвердевающими полимерными смолами (рис.9 Приложение 9).

Таким образом, мы видим, что перспективное направление в освоении Марса – построение дома не только из привозных материалов, но и из подручных материалов.

1.2. Общие положения

Мировое сообщество ставит новую и сверхважную задачу на повестке дня, а именно – проект создания первой марсианской базы. Дело том, что поверхность Марса наиболее похожа по условиям на поверхность Земли, что делает проектирование и строительство базы на красной планете технически возможным.

Дом на Марсе должен отвечать определенным требованиям.

Угрозы на Марсе: радиация, перепады температур, пыльные бури.

Низкая температура. Летом на экваторе она достигает +20 градусов Цельсия, но в средних широтах ближе к -50.

Необходимо на первоначальном уровне иметь следующие ресурсы: кислород, питание, вода, энергия.

По многим характеристикам Марс напоминает Землю: день на Красной планете длится почти столько же, сколько земной: 24 часа 37 минут. Правда, год почти вдвое длиннее – 687 дней. У Марса тоже есть естественные спутники, их два: Фобос и Деймос. Из всех планет Солнечной системы температура на Марсе самая близкая к земной. Днем она может подниматься до +30 градусов Цельсия, ночью опускается до – 80 градусов Цельсия⁶. На Марсе присутствует вода, правда, в замороженном состоянии, в виде больших ледяных шапок на полюсах планеты.

1.3. Условия терраформирования

Терраформирование – это превращение чужеземных миров в приспособленные для жизни. Прежде всего, необходимо обеспечить стабилизацию магнитного поля. Магнитное поле. У Марса отсутствует магнитное поле. Проблему магнитного поля Марса нужно решить, чтобы обеспечить стабильность атмосферы Марса. Нет смысла даже пытаться восстановить на Марсе атмосферу пока не решена проблема магнитного поля. Из-за отсутствия магнитного поля атмосферу Марса уносит в открытый космос солнечный ветер. Однако если каким-то образом нам бы удалось создать у Марса такую же атмосферу как у Земли, то прошло бы около миллиона лет, прежде чем солнечный ветер унес бы один процент атмосферы. Так что проблема не в этом, а в воздействии солнечной радиации на здоровье колонистов. Солнечная радиация на Марсе вовсе не такая суровая, как принято считать. Человек в скафандре не упадет замертво едва выйдя на открытое пространство. Это вероятно не будет проблемой в краткосрочных исследовательских миссиях. Однако при создании постоянного поселения на Марсе его жители вне всякого сомнения начнут со временем страдать от различных заболеваний, вызванных повышенной радиацией,. Прежде всего значительно повысится количество онкологических заболеваний, а также различных генетических отклонений у новорожденных.

Нейтрализация радиации. Размещение электромагнита в точке Лагранжа L1. Точки Лагранжа (рис.10, приложение 10) - это точки в системе двух небесных тел, в которых гравитация этих тел уравновешивает друг друга и/или компенсируются иными силами. Тело с массой значительно меньшей, чем масса Марса, помещенное в одну из точек Лагранжа, сможет находиться в ней неопределенно долго. Точка L1 расположена на прямой линии между Марсом и Солнцем на расстоянии примерно миллиона километров от Марса. Если поместить в эту точку мощный электромагнит он будет выступать в качестве щита между Марсом и Солнечной радиацией. Этот способ также является относительно легко реализуемым даже с современным уровнем развития технологий.

Создание искусственного магнитного поля только в районе колонии. Это можно сделать путем размещения мощного электромагнита в районе марсианской колонии. Скорее всего, на первых порах именно так и будет организована защита колонии от солнечной радиации.

Проекты, как правило, фокусировались на более толстой броне вокруг космических кораблей и станций или на небольших «укрытиях», которые еще более сильно защищены и могут быть эффективными против радиации. Но космические лучи высоких энергий представляют большие проблемы, которые тяжелые пассивные экранирующие технологии просто не решат. Новые технологии предлагают построить электростатические или магнитные поля, которые можно включать и выключать.

1.4. Требования к космическому дому

Атмосферы Марса отличается от атмосферы Земли. Еще надо продумать из каких материалов делать и как их производить или перевозить. Определимся с требованиями:

Должно быть оснащено место для разверстки дома.

Необходимо разработать защиту от радиации.

Обеспечение кислородом.

Обеспечение топливом.

Иметь все основные элементы для проживания и работы.

Автоматическая деятельность по развертке базы. В перспективе база, дома, города будут построены с помощью роботов из материалов планеты, но сначала надо изучить окружающую среду Марса, находясь непосредственно на планете, и некоторые замеры ученым надо делать лично. Прежде всего, надо найти и изучить место для постройки. От него зависит тип, планировка и работа блоков. Сначала на поверхность будут выезжать автоматические межпланетные станции (АМС) с помощью роботов (марсоходов).

1.5. Условия обитания и системы жизнеобеспечения

Вода. По мнению ученых лучшим местом для заселения является экватор. Однако, здесь мало воды. Побольше воды в высокоширотных районах. Для этого надо будет придумать отдельные сооружения, чтобы обеспечить водой поселенцев. Еще нужны блоки, топящие лед, добытый с поверхности Марса для добычи воды. Необходимо найти ледяные залежи воды или иных источников для получения ресурса как можно ближе к экватору.

Энергообеспечение. Энергообеспечение объектов на Марсе должно обеспечиваться за счет атомного реактора, установленного на расстоянии от поселения и работающего благодаря солнечным батареям.

Кислород. Обеспечение кислородом будет осуществляться с помощью спецблоков, которые помогут расти растениям.

Завозим материалы и компоненты, которые будут установлены в месте развертывания базы и помогут в постройке жилищ. Затем устанавливаются объекты, блоки, коридоры для проживания. Далее следует начать действия по производству и выращиванию пищевых продуктов. Для этого нужна почва, и необходимо транспортировать воду.

1.6. Как построить космический дом

Разделим строительство на два направления:

- Укрытия. Необходима для защиты от радиации, пыли, пылевых бурь. Два варианта: подземное поселение, купол.

- Ресурсы:

Кислород. Предлагают: при помощи бактерий, способных поглощать из углекислого газа воздух; топливный элемент; применение низкотемпературной плазмы.

Внутри искусственной оболочки, где крыша расположена на высоте нескольких километров, создаются благоприятные условия: подходящий для дыхания воздух, правильное давление, земная гравитация. В полусфере формируется рукотворный климат, напоминающий земной. Если сделать купол из мягкого легкого материала, переселенцы смогут привезти его с собой на том же корабле. Модульный подход облегчит расширение жилой зоны до нужных размеров.

Построенные блоки будут иметь форму цилиндров, куполов либо состоять из отдельных малых блоков (отсеков).

Преимущества:

- простота и скорость сборки;

- полное использование доступной площадки;

- автономность в обеспечении;

- непрерывный цикл обеспечения комфортных условий для жизни.

Создание обширной исследовательской базы: теплица, транспортная база, зона карантина, рабочая зона (медблок, химическая лаборатория, производственный блок), центр управления, блок связи, жилой блок (кафе, спортзал, склад, спальня).

Обитаемая база: живой блок, кафе, спортзал, спальня, склад.

Мастерская для транспорта – транспортная база.

Дома пока должны быть полностью герметичны. Чтобы гарантировать защиту от радиационного воздействия, придется закапывать постройки в почву на глубину в 2-3 метра.

Помимо обычной одежды в гардеробную такого жилища нужно поместить скафандр, а каждая прогулка с друзьями будет предполагать облачение в оснащенный дыхательным аппаратом герметичный костюм.

Длительное проживание на Марсе, где сила гравитационного воздействия в 3 раза меньше, чем на Земле, грозит человеку значительной потерей мышечной массы. Чтобы избежать этого, придется оснастить дома отдельными тренажерными залами.

Зал техобслуживания и резервуары. В нем будут размещены устройства, производящие водород и необходимый для дыхания кислород из находящихся под поверхностью Марса запасов замершей воды. Под землей надо установить холодильные установки для хранения льда. Здесь же будут находиться резервуары с водой, добытой со льдов.

Энергию, необходимую для работы, предоставят солнечные батареи. Естественное освещение обеспечит световой люк, пропускающий минимальное количество радиации.

Связь с Землей будет осуществляться с 20-минутной задержкой.

Форма жилища – куполообразная, цилиндрическая.

Строительный материал – части космических летательных аппаратов и кирпичи из каменистого марсианского грунта.

Толщина стен, защищающих от экстремально низких температур, радиации и микрометеоритов – около 305 см;

Дополнительные сооружения – мощное устройство связи, прозрачный смотровой купол.

Наличие возможности расширения и быстрого восстановления постройки.

Материалы: железо, стекло. Марс богат железом. Поэтому его можно использовать в дальнейшем для строительства домов. Для водохранилища – пластик.

Расширение жилой зоны впоследствии будет осуществляться при помощи 3D печати домов, и предполагает использовании тех материалов, которые находятся на Марсе. Это позволит значительно снизить вес отправляемых на Марс устройств и уменьшить стоимость полета. Помимо этого конструкторы 3D домов позволяют: создавать объекты почти любой формы из самых различных материалов (металла, пластмассы, керамики, песка, пыли и др.), снизить потребность в материально-техническом обеспечении, сэкономить время и стройматериалы.

Теплица – вертикальные установки для посадки растений.

1.7 Перспективы развития инфраструктуры

После строительства Главного дома, обладающего достаточно обширной инфраструктурой, можно приступить к строительству следующих домов и иных помещений.

Следующий этап – это этап расширения. Он осуществляется после завершения строительства станции. Поселение на Марсе будет расширяться за счет улучшения качества жизни на Красной планете. Необходимо найти залежи полезных ископаемых и воды. Потребуется создать предприятие для переработки добытых ископаемых.

Нужно будет создать развитую инфраструктуру для соединения баз между собой и перевозки ресурсов.

Все вышеуказанное использую в своем проекте.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Схема Дома на Марсе

Рис.11 Главный Дом

Рис. 12 Теплица и резервуары

Рис. 13 Жилой блок

Рис.14 Транспортная база

Рис. 15 Рабочая зона

Рис.16 Центр управления

Рис.17. Входная зона

2.2 Краткое описание макета

Макет дома изготовлен из различных материалов (бумага, фольга, пластик и др.) в масштабе 1:200. На схеме показан весь комплекс в целом и два отдельных компонента: жилой блок и теплица с резервуарами.

Основные блоки показаны в различных положениях: в разрезе, вид сверху.

Заключение

Дом, который я спроектировала, не только удовлетворяет поставленным требованиям, но и может быть построен в ближайшем будущем, потому как аналогичные проекты уже разработаны и проходят экспертную оценку.

В процессе работы я узнала о Марсе, его особенностях, строительных космических технологиях.

Также я изготовила макет дома на Марсе.

Список литературы

Астрономия. Для тех, кто все успеть / авт.-сост. Н. Сердцева. – Москва: Эксмо, 2015. – 167 с.

Денн Б., О^Брайен Э. Космос / Пер. с англ. Е.Дорониной. – М.: РОСМЭН, 2014. – 48 с.

Как построить дом на Марсе. - Популярная механика. – 2015, Сентябрь // Электронный ресурс https://www.popmech.ru/design/212971-kak-postroit-dom-na-marse/

Кто полетит колонизировать Марс Электронный ресурс // URL: https://pikabu.ru/story/kto_poletit_kolonizirovat_mars_4674756?dv=1

Родригес М. НАСА дает мало шансов спроектировать дома на Марсе // Fortune. – Август. – 2018.

ozeloffice.com

Сайт НАСА Электронный ресурс // nasa.gov

Приложение 1

Рис.1 Проект марсианской базы Foster + Partners

Приложение 2

Рис. 2 Проект внутри марсианской базы Foster + Partners

Приложение 3

Рис. 3 Проект марсианской базы Foster + Partners

Приложение 4

Рис.

Рис.4. Проект Mars One

Приложение 5

Рис.5 Проект, представленный на конкурс

Приложение 6

Рис. 6. Проект французской фирмы Fabulous

Приложение 7

Рис.7 Проект компании RedWorks

Приложение 8

Рис. 8 База на Марсе от команды «Гибридные композиты»⁷

Приложение 9

Рис.9. Вид на базу снизу

Приложение 10

Рис.10 Размещение точки Ленгража⁸