XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Может ли Марс стать нам вторым домом?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
«Марс – моя любимая планета…»
В.В. Терешкова
Вопросы, направляющие проект:
«Была ли там жизнь? Если была – то почему её не стало? Какая катастрофа произошла с этой планетой?»
Основополагающий вопрос: Может ли Марс стать нам вторым домом?
Любознательные люди давно с живым интересом воспринимают сведения о планете Марс. В большой мере, это связано с проблемой возможного существования жизни на планете. От других планет Марс отличается красноватым цветом.
Профессор Шаронов назвал окраску пустынь Марса «ржавой» и объясняет цвет обилием водных окислов железа. В конце прошлого столетия эти данные подтвердили результаты, полученные с помощью космических аппаратов. К стати сказать именем Шаронова назван крупный кратер на западной окраине марсианской равнины Хриса.
Космические аппараты передали на Землю снимки красной планеты и данные физико-химических анализов марсианских пород. Оказалось, что поверхность Марса представляет собой каменистую пустыню, засыпанную красной железистой пылью. Это, а также минеральный состав пород Марса указывает на сходство марсианского грунта с корой выветривания Земли.
На Марсе обнаружено магнитное поле, но слабее нашего земного поля в 500 раз, причем его полярность противоположна полярности земного поля, т.е. северный магнитный полюс, расположен в северном полушарии планеты, а южный – в южном полушарии. Магнитное поле над дневной стороной планеты простирается до расстояния в 2000 км от ее поверхности, а над ночной стороной – до 9500 км.
У нашего образовательного учреждения есть уникальная возможность сотрудничества с Институтам земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН). На территории с. Сеяха установлен цифровой магнитометр - типа ЦМВС-4 (Приложение 1). Благодаря чему мы, простые школьники самой северной школы на Ямале, ведем наблюдение за вариациями магнитного поля земли в реальном времени, данные магнитометра (цифровой формат), обрабатывается на персональном компьютере.
Планируя экспедицию на Марс, необходимо взять магнитометры для изучения магнитного поля Марса. Данные магнитометра на Марсе будут востребованы не только для науки, но и в медицине. А это значит, мы сможем ответить на вопрос: Может ли Марс стать нам вторым домом?
2. Основная часть
2.1. Актуальность проекта
Мечты о покорении Космоса, путешествия на другие планеты, странствование в межзвездных пустынях сегодня становится не просто праздными грезами о далеких загадочных планетах, а вполне реальной действительностью. В наши дни исследования космических просторов имеют под собой серьезное основание, в недалеком будущем человечество может столкнуться с вполне реальной необходимостью переселения в далекий космос. А потому уже сегодня хочется знать преодолеет ли человек путь к Красной планете? Будут ли на Марсе яблони цвести?
2.2. Постановка и обоснование проблемы
Может ли Марс стать нам вторым домом?
«… Побывать на этой планете – мечта человечества. Ведь это наши ближайшие соседи. Хотелось бы решить извечные вопросы: была ли там жизнь? Если была – то почему её не стало? Какая катастрофа произошла с этой планетой? Специалисты работают над этой проблемой. Нужен новый корабль! Нужно подготовить к такому полёту человеческий организм. Думаю, первыми будут полёты в одну сторону…».
Есть люди, для которых путешествие на Марс — это давняя многолетняя мечта. Они готовы встретиться с планетой один на один. Для них это уникальная возможность исследовать новый мир, провести неведанные доселе эксперименты, построить новый дом для Человечества.
2.3. Цель проекта
- участие в космических исследованиях, т.к. полет на Марс покажет человечеству, что в этом мире возможно все.
Мы верим не только в возможностьданного полета, но и в то, что мы должны сделать все возможное для ускорения нашего понимания о формировании космоса, происхождения жизни, и, что не менее важно, нашего смысла существования во Вселенной, даже если это будет полет в одну сторону.
Образовательные цели проекта:
– развитие коммуникативных навыков учащихся;
– расширение кругозора и эрудиции;
– выработка умения выступать перед аудиторией;
– изучение информационных технологий и приобретение навыков практического использования;
– развитие навыков поиска информации по заданной теме;
– обучение методам обработки информации (анализ, обобщение, сопоставление с известными фактами, аргументированный вывод);
– обучение способам представления результатов (статья, реферат, доклад, видео) и презентации проекта (публикация, в том числе и в Интернете, обсуждение на конференции и т.п.).
Задачи проекта
- выяснить условия жизни на Марсе как наиболее подходящей для освоения человечеством планете Солнечной системы, поскольку жителям Земли всё сильнее угрожает экологическая опасность: загрязнение планеты, изменение климата, разрушение озонового слоя, уничтожение человеком флоры и фауны.
- построить новый дом для Человечества и столкнуться лицом к лицу с Неизвестным.
Главные задачи полёта:
- изучения влияния различных факторов космического полета на человеческий организм;
- проведение сравнительного анализа воздействия этих факторов на женский и мужской организмы;
- проведение медико-биологических исследований;
- совершенствование систем пилотируемых космических кораблей в условиях совместного полета.
2.4.Пусковая установка
Разновидность ракеты, будет использоваться для доставки полезного груза с земли на орбиту, или с орбиты на Марс.
Марсианский транзитный модуль.
Модуль будет отвечать за доставку космонавтов на Марс. Он будет состоять из двух топливных систем, посадочной системы и жилых помещений.
Спускаемый аппарат - капсула, которая будет включать:
- модуль жизнеобеспечения, в котором будут находиться системы генерации воздуха, воды и энергии;
- модуль питания,
- модуль биосферы, в котором будут храниться специальные секции, которые позволят создавать большиежилые зоны на поверхности Марса; (Приложение 2)
- модуль для путешествия, в котором космонавты проведут несколько месяцев до высадки на планету;
- модульмарсаходов и снаряжения (Приложение 3)
Марсаход сконструирован в виде каплевидной формы, что позволяет уменьшить сопротивление при движении против ветра. Водительский отсек рассчитан на два человека, еще два можно разместить в шлюзовой камере. Силовая установка, действующая на водороде, передает усилия через самоблокирующиеся дифференциалы на те колеса, которым в данный момент необходимо придать усилия, что позволяет подвеске без помех реагировать на рельеф местности, и движение марсахода будут плавным.
Полет займет много месяцев. Астронавты будут проводить все это время в очень небольшом пространстве, без особой роскоши и излишеств. Это будет непростой задачей. А если попадем в солнечную бурю, то это будет значительным приключением — ведь можно немного попаниковать и спрятаться в отсек с солнечной защитой. Нет никаких сомнений в том, что полет будет не из легких, но астронавты будут терпеть — ведь это путешествие мечта всей жизни!
По прибытию на Марс астронавты заселятся в более комфортные помещения — спальня, рабочая зона, гостиная, оранжерея (теплица) для выращивания зелени. Благодаря этим компонентам, можно принять душ, приготовить свежую пищу, носить обычную одежду и вести привычный образ жизни. Весь комплекс будет соединен сетью ходов, но если кто захочет покинуть жилые помещения — ему нужно будет надеть специальный костюм.
Специальный костюм – скафандр(Приложение 4)
Верхняя часть изготовлена по принципу ненецкой малицы – можно свободно вынуть руку из рукава и работать с пультом управления жизнеобеспечения астронавта расположенного на грудной части в виде двух блоков (и еще можно почесать нос).
Малица удобна тем, что ее конструкция позволяет укрыться от холодного ветра и переждать бурю. Серебристый цвет отталкивает солнечную радиацию.
Материал костюма состоит из трехслойной ткани с воздушной прослойкой, что позволяет сохранить тепло при очень низких температурах. (По такому принципу шьют малицы у нас на Ямале).На шлеме расположены ультразвуковые датчики, определяющие местоположения во время марсианских бурь при нулевой видимости.Специальные накладки позволяют усилить теплообмен в суставах.Ботинки сшиты из современных материалов, с заранее заданными свойствами, подошва выполнена из натурального каучука, смягчающая шаг при неровных поверхностях. Стекло на шлеме защищает не только от света, но и является экраном компьютера, который показывает местность в формате 3D.
Ультразвуковые сканеры находятся на шлеме и поясе. На спине расположена система автономного жизнеобеспечения астронавта, можно через проводник подключиться и к системе жизнеобеспечения расположенной на марсаходе через шланги.
Несколько основных модулей жизнеобеспечения прибудут на Марс вместе с первой экспедицией. В задачу команды будет входить также подготовка модулей для следующих групп людей. Все новые модули с Земли будут постепенно подключаться к основной базе. Некоторые из них будут продублированы для обеспечения большей безопасности и просто для комфорта.
2.5. Какая скорость нужна кораблю, чтобы покинуть планету, и преодолеть силу ее притяжения?
Тело при взлете должно получить запас Ек, равной той работе, которую ему предстоит совершить: mv²/ 2
Работа же, совершаемая силой при перемещении с поверхности планеты, равна:
- k m M / r, где k – постоянная тяготения = 0,028 дин.
приравняем: k m M / r = mv ²/ 2
=>, V² = 2kM / r,
С другой стороны по закону тяготения: M k m / r²
Зная, что mа = Р
приравняем: mа = k m M / r², откуда k M / r = а r,
=>, формула V² = 2kM / r имеет вид: V² = 2а r
откуда имеем величину скорости: V= √2а r
Теперь можно вычислить скорость, какая должна быть сообщена кораблю для преодоления притяжения Земли и Солнца и, следовательно, для свободного удаления с Земли к планете Марс. Чтобы преодолеть притяжение, нужна начальная скорость 11,2 км/с, т.е. для каждого килограмма веса корабля.
11 200²/2g кгм
Чтобы преодолеть солнечное притяжение, нужна работа:
12 200²/2g кгм (v = 12 200 м/с)
Находим общую работу для преодоления совокупного притяжения Земли и Солнца:
11 200² + 12 200²/2 g
Скорость u получаем из уравнения:
u²/2g = 11 200² + 12 200²/2 g
следовательно, u = √ 11 200² + 12 200² = 16 600 м/с
Начальная скорость, необходимая для достижения планеты Марс:
V= 150000000 + 228000000/2 189 000000
Скорость, которую нужно сообщить кораблю, чтобы с круговой орбиты перейти на эллиптическую: vэ = vк√2 – r/a
Имеем: v = 29,6√2 – 150/189 = 32,6км/с
Т.е. нужна добавочная скорость 32,6 – 29,6 = 3 км/с
Следовательно, искомая скорость: V = √ 11, 2² + 3² = 11, 6 м/с
2.6. Сколько же будет длиться полет?
Продолжительность этого перелета, при условии минимальной затраты горючего, определяется
t² / 365, 25² = [½ (228 +150)]³ / 150³ = 189³/150³ = 675/338 = 2
следовательно, t = 519 суток.
Перелет в один конец продлится 259,5 суток.
2.7. Красная Планета
Планета богата на количество необходимых исследований. Астронавты начнут изучать влияние Марса на растения и собственные тела, решать многие геологические и биологические задачи.
На Марсе весьма сухой и холодный климат, разряженная атмосфера (как у нас на Земле, на высоте около 30 км), нет открытых водных бассейнов и, вскоре всего, нет жизни. Но,это нужно тщательно проверить! Исследовать!
Мощный слой «ржавчины» покрывающий поверхность красной планеты, - результат воздействия воды и кислорода атмосферы. Возможно, ранее условия на Марсе были иные, более мягкий и теплый климат, вследствие чего поверхность была покрыта водными бассейнами. Под покровом воздушной оболочки на Марсе, возможно, «кипела» растительная жизнь. Именно она обеспечивала «производство» кислорода, достаточногодля окисления железа и серы.
Зададимся вопросом: если жизнь на Красной планете действительно существовала, то, что стало причиной ее гибели?
Возможно, стоит обратить внимание на существенное различие ожелезненных песков Земли и Марса.
Возможно, надо учитывать, что в истории Марса значительную роль играли внутренние силы – тектонические и вулканические процессы. Об этом свидетельствую разломы и вулканы.
Возможно, предстоит исследовать древнейшие регионы Марса, хранящие следы космических ударов.
Достаточно познакомиться с расположенной в южном полушарии впадиной Долина Эллады. Впадина возникла при столкновении Марса с огромным астероидом. Это одна из крупнейших Солнечной системе ударных структур.
4. Возможно, удар такой силы мог привести к исчезновению атмосферы и жизни на планете, а возможно и марсианской цивилизации. Марс, масса которого почти в 10 раз меньше земной, обладает и значительно меньшей гравитацией. Следовательно, газы его атмосферы, превратившись при взрывах в плазму, рассеялись в космосе.
5. Возможно, Марсу предстоит пережить еще одну катастрофу. Скорее всего, невеселая судьба ожидает спутник Фобос, который уже сегодня опасно приблизился к планете и движется на расстоянии всего около 6000 км от ее поверхности. Фобос за марсианские сутки, длящиеся 24 часа 37 минут, успевает трижды обежать вокруг планеты. Когда Фобос, снижаясь, перейдет предел Роша, то приливные силы разорвут его на части, которые со временем обрушатся на Красную планету. Эти и многие другие вопросы, человечеству предстоит решать!
Так может ли Марс стать нам вторым домом? Время покажет.
5. Риски и проблемы. Возможные пути разрешения.
|
Фактор риска |
Возможные пути разрешения |
|
Отсутствие или недостаточное количество квалифицированных специалистов |
Привлечение специалистов РАН |
|
Дефицит методических пособий |
Ресурсы сети Интернет |
|
Недостаточная научно-методическая подготовка. |
Проведение семинаров. Методических занятий, совещаний с участниками проекта, оказание консультативной помощи рабочей группе педагогов специалистами РАН. |
Для успешной работы по проекту необходимо:
- активизировать участие в различных творческих конкурсах, проектах, в том числе российских и международных;
- усилить рекламную кампанию в СМИ;
- расширить сеть социальных партнеров;
3. Заключение
Существование жизни вне Земли, в особенности разумной, с давних пор является одним из вопросов, которые волнуют человечество. Сама постановка такой сложной проблемы, как происхождение жизни и ее распространенности во Вселенной, стимулировала развитие всех естественных наук.
В истории нашей цивилизации можно найти немало примеров, когда казалась бы, утопические идеи со временем воплощались в реальную действительность. Из глубин тысячелетий пришли к нам легенды и мифы, отражавшие мечты людей о полетах по небу. Мечта почти всем казалась несбыточной.
Мысли о том, что наша планета не является единственным населенным миром в беспредельном пространстве Вселенной, высказывались еще до нашей эры. Идею множественности обитаемых миров разделяли многие выдающиеся ученые 17 – 19 вв.
В истории науки случалось, что те или иные данные о планетах, особенно о Марсе рассматривались как доказательство их «обитаемости».
На первый взгляд возможность переселения землян на Марс может показаться чистой фантазией. Еще ни один человек не был на Марсе.
Все необходимые технологии для полета на Марс существуют. Многие эксперты предупреждают об опасности, которая поджидает будущих «космических жителей». Ведь атмосферный слой Марса намного тоньше земного и не защищает в достаточной мере от солнечной радиации. Так что до осуществления мечты Терешковой ученым предстоит еще немало работы.
Теоретическая база для старта вполне готова. Что нас ждет дальше? Время покажет.
4. Литература
Б.А. Воронцов-Вельяминов «Очерки о Вселенной». Москва 1990.
Космическая среда вокруг нас. Под редакцией доктора физ.- мат. Наук А. Н. Зайцева. Троицк. Издательство «Тровант» 2006.
DVD-диск. Телескоп Хаббл. Научно-популярный фильм, 2009
Детская энциклопедия // - М.: Просвещение, 2005, № 3
Журнал «Новости космонавтики»
Журнал «Земля и Вселенная»
Г.М. Тамкович, С.И. Климов, В.Н. Ангаров, А.Н. Зайцев. Применение сверхмалых космических аппаратов для науки и образования. // Земля и Вселенная. – 2002, - № 2, - с. 86-94;
Космос безграничный, загадочный, грозный / Б. Г. Пшеничнер. – М.: ИЦ «Мой учебник», 2011.
Учебник астрономии Москва «Просвещение» 2009.
М.М. Дагаев Книга для чтения по астрономии Москва «Просвещение» 1990.
Наиболее часто используемые сайты.
http://www.cosmos.ru – сайт Института космических исследований РАН.
www.kosmofizika.ru - научно-образовательный сайт проф. Л.Лазутина.
http://www.astronet.ru – сайт любителей астрономии в России.
http://gsfc.nasa.gov – заглавный сайт НАСА.
http://www.astronomy.ru/ - сайт любителей астрономии в России.
http://astro.mgdtd.ru – сайт отдела астрономии и космонавтики МГДД(Ю)Т
http://www.novosti-kosmonavtiki.ru – жунрал «Новости космонавтики».
http://cosmos.msu.ru/, - образовательный ресурс НИИЯФ МГУ.
http://microsat.sm.bmstu.ru/. - образовательный ресурс МВТУ им. Баумана
http://rk3dxb.narod.ru. – Троицкий цент творчества молодежи.
http://edu.fo.ru/vdmcako, - Детский центр при музее космонавтики в Москве.
Приложение 1
Магнитометр
Цифровой вывод данных:
134527165397429-176978140023810397783-177185141528286397553-175841143031502397706-176062144529208398025-176203150031440397551-175758151529755397955-176110153028030397681-175941154526196397614-177006160027586397706-175042161524732397913-17066616302620539770…
Конечный продукт
Приложение 2
7
Ж
3 4
илая станция состоит из нескольких модулей расположенных
н
5
иже уровня планеты, т.к. дуют сильные ветра
6
2
8
8
1.Ветрогенераторы;
2.Газоразделительная установка;
3. Атмосферный газ;
4. Большой купол;
5. Верхняя колба;
6. Нижняя колба;
7. Малый купол;
8. Жилые модули;
Приложение 3
Марсаход сконструирован в виде каплевидной формы, что позволяет уменьшить сопротивление при движении против ветра. Водительский отсек рассчитан на два человека, еще два можно разместить в шлюзовой камере.
Приложение 4
Скафандр
Верхняя часть изготовлена по принципу ненецкой малицы – можно свободно вынуть руку из рукава и работать с пультом управления жизнеобеспечения астронавта расположенного на грудной части в виде двух блоков (и еще можно почесать нос).
Малица удобна тем, что ее конструкция позволяет укрыться от холодного ветра и переждать бурю. Серебристый цвет отталкивает солнечную радиацию. Материал костюма состоит из трехслойной ткани с воздушной прослойкой, что позволяет сохранить тепло при очень низких температурах. ( По такому принципу шьют малицы у нас на Ямале).