Разработка автоматизированного устройства сбора плавающих отходов антропогенного происхождения в водах мирового океана

XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Разработка автоматизированного устройства сбора плавающих отходов антропогенного происхождения в водах мирового океана

Рузаков М.А. 1
1МБОУ "Лицей № 11 г. Челябинска"
Рузаков А.А. 1
1Южно-Уральский государственный гуманитарно-педагогический университет
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

 

Введение

Очень часто современные блага цивилизации, кроме удобств для человечества, наносят непоправимый вред окружающей среде. За последнее десятилетие в мире было произведено больше пластиковых изделий, чем за предыдущее столетие. Одноразовая посуда, пакеты, пленки, бутылки, одноразовые бытовые изделия, отходы фармацевтического производства, а также общественного производства – самые распространенные виды пластикового мусора, который мы «производим» каждый день. Только малая часть его объема подвергается переработке и используется повторно в быту и в жизни. По данным экологов Организации Объединенных Наций, каждый год в океан попадает около 13 миллионов тонн пластиковых отходов. Попытки остановить катастрофическую ситуацию загрязнения Мирового океана велись еще с середины двадцатого столетия. Уже тогда экологи били тревогу и заявляли о растущем «Большом мусорном пятне», которое в настоящее время по разным оценкам покрывает до одного процента Тихого океана. По прогнозам британского фонда Эллен Макартур, к 2025 году на каждые три килограмма рыбы в мировом океане будет приходиться по одному килограмму мусора, а к 2050 году масса отходов будет выше, чем совокупный вес всей рыбы на планете [5,6].

Актуальность темы исследования обусловлена высоким содержанием пластиковых отходов в водах Мирового океана, которые в большинстве своем не разлагаются, соответственно, мусор – огромная проблема для экологии океанов.

Проблему пластикового мусора в океанах можно решать разными способами, например, повышать культуру населения, вводя сортировку мусора в местах его возникновения; минимизировать перенос мусора реками в океаны. Но задача очистки океанов от существующего мусора является актуальной.

Имеющиеся решения данной проблемы предлагают использовать плавающие собирающие устройства понтонного принципа; использовать плавающие мусорные баки; в местах впадения рек в океаны ставить перехватчики мусора и так далее [3, 10, 12].

Практическая значимость заключается в разработке аппарата, который при обнаружении какого-либо плавающего объекта, будет включать собирающие лопасти, транспортировочную ленту и после этого, если цвет найденного объекта не зеленый (водоросли), то объект будет отправляться в специальный мусороприемный отсек.

Данный аппарат может быть применен для очистки рек, озер и берегов морей недалеко от мест обитания или проживания человека.

Ещё одной интересной областью применения прототипа аппарат может быть очистка фонтанов и бассейнов от плавающего мусора (листвы).

Целью нашего исследования является изучение проблемы загрязнения отходами антропогенного происхождения вод Мирового океана и предложение способа ее частичного решения в виде разработки прототипа автоматизированного устройства сбора плавающих пластиковых отходов.

Объект исследования: загрязнение плавающими отходами антропогенного происхождения вод Мирового океана.

Предмет исследования: разработка модели аппарата сбора плавающих отходов.

Гипотеза исследования: если использовать трехмерное моделирование и печать, аппаратно-программные средства Arduino, то можно экономически эффективно реализовать аппарат сбора плавающих отходов.

Методы исследования: изучение литературных источников, обобщение, разработка эскизов, трехмерное моделирование и печать, прототипирование, построение алгоритмической модели работы аппарат, моделирование и программирование с помощью аппаратно-программных средств Arduino.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи исследования:

Проанализировать проблемы, возникшие из-за нахождения пластиковых отходов в водах Мирового океана;

Проанализировать существующие системы сбора мусора с поверхности;

Проанализировать существующие способы передвижения по воде;

Выбрать подходящий для нас способ передвижения по воде и реализовать его;

Выбрать подлежащий реализации механизм сбора пластиковых отходов с поверхности Мирового океана и реализовать его;

Выбрать подлежащий реализации механизм транспортировки пластиковых отходов от механизма сбора до сортировочного механизма и реализовать его;

Подобрать и разместить необходимое для корректной работы прототипа оборудование, стандартные детали и узлы и разместить их на модели;

Разработать алгоритм движения прототипа нашего устройства и запрограммировать его;

Сформулировать выводы по результатам работы.

Таким образом, целью работы стало создание прототипа уникального устройства, собирающего мусор с поверхности воды. Очистка поверхности воды от мусора благоприятно влияет не только на экологию замкнутых экологических систем, но и на весь Мировой океан в целом.

Влияние пластиковых отходов в водах Мирового океана на экологию

Ежегодно в мире производится примерно 380 миллионов тонн пластика, но перерабатывается всего лишь 9%, 12% – уничтожается, а остальное становится мусором, который в естественных условиях не разлагается веками [8].

Пластик, находящийся на поверхности Мирового океана, является колоссальной опасностью для морских обитателей. Птицы, черепахи, дельфины и морские котики застревают в пластиковых пакетах или упаковках из-под бутылочных напитков или могут принять мусор за еду [9]. Например, черепахи легко путают полиэтиленовые пакеты с медузами, которыми обычно питаются, – от пластика в организме животные умирают.

С течением времени изменяется и структура пластиковых отходов. Изменение плотности, размера и других свойств пластиковых частиц определяет процессы их переноса и накопления в океане. Однако распределение пластикового мусора плохо поддается описанию и до сих пор не нанесено на карту.

Большинство отходов, попадающих в океан с суши, вообще не учитывается, а понимание процессов перемещения пластика имеет решающее значение для изменения экологической политики государств [9]. Также стоит отметить, что, путешествуя по Мировому океану, можно наткнуться на целые острова пластикового мусора (см. рис. 1).

Рис. 1. – Острова из мусора

Существующие системы сбора мусора с поверхности

Проблема сбора мусора, как правило, решается в местах обитания человека (города и села) посредством ручного или машинного труда.

При ручном способе сбора мусора очистка может выполняться сотрудниками коммунальных служб, специальными отрядами по поиску и уборке мусора – «экозащитниками». При машинном способе сбора мусора используются, например, коммунальные подметальные машины, подметально-уборочные агрегаты (см . рис. 2).

Рис. 2. – Сбор мусора с поверхности

Проблема сбора мусора актуальна и для водоемов, там, в основном, уборка мусора происходит механизированным путем и разделяется на уборку дна и поверхности. Выделяют следующие способы очистки водоемов: механический, химический, биологический. В нашей работе мы будем реализовывать механический способ очистки поверхности воды.

Примером устройства для уборки дна водоема может являться плавающий мини-экскаватор с понтоном, состоящий из трех секций с установленным на него кузовом (см. рис. 3).

Рис. 3. – Плавающий мини-экскаватор FED25

Известны несколько проектов по уборке поверхности воды при помощи механизмов:

SeaClear от компании SubSeaTech (см. рис. 4) [2];

The Ocean Cleanup (см. рис. 5) [10];

Робот FRED от компании Clear Blue Sea (см. рис. 6) [13].

Рис. 4. – Комплекс для автономной очистки акватории от мусора SeaClear

Рис. 5. – Система очистки океана The Ocean Cleanup

Рис. 6. – Робот FRED

Мы создадим прототип такого устройства, который будет при обнаружении какого-то объекта включать собирающие лопасти, транспортировочную ленту и после этого, если цвет найденного объекта будет не зеленым (чтобы не собирать морские растения), то объект будет отправляться в специальный отсек.

Существующие способы передвижения по воде

Выделяют несколько видов передвижения судов: парус, лопастной двигатель, нелопастной двигатель, суда с динамическими принципами поддержания, водоизмещающие суда, подводные суда.

Из предложенных вариантов мы выбрали лопастные двигатели. Из всех лопастных двигателей нам больше всего подходит гребное колесо.

Преимущества гребного колеса:

Кормовое гребное колесо в условиях ограниченной осадки судна создает упор, намного превышающий упор гребного винта.

Бортовые гребные колеса позволяют разворачиваться почти на месте.

Гребные колеса обеспечивают большую силу тяги с места, что удобно для буксиров, а также позволяет им иметь меньшую осадку [1].

Недостатки гребного колеса:

Больший вес, чем у винта и, следовательно, – большее водоизмещение судна и расход топлива.

Низкий коэффициент полезного действия – около 30%.

Основная проблема при использовании гребного колеса – при сильной бортовой качке правое и левое гребное колесо поочередно полностью выходят из воды и, соответственно, погружаются в воду слишком глубоко; судно рыскает, делая нормальное движение невозможным. Также при сильном волнении колёса подвергаются большим динамическим нагрузкам, выводящим их из строя [1].

Различают две разных формы гребных колёс [1]:

Кормовые – расположенные за кормой судна. Может представлять собой как одно широкое колесо, так и два независимых.

Бортовые – попарно размещающиеся с бортов корабля.

Выбор формы судна

Наша модель будет иметь острый нос для минимального сопротивления с водой. Для лучшей обтекаемости само судно условно похоже на каплю воды. Линия соприкосновения спокойной поверхности воды с корпусом плавающего судна называется ватерлинией. Действующая ватерлиния определяется формой судна, его средней плотностью, а также степенью волнения воды в данном бассейне. Площадь ватерлинии используется для вычисления коэффициента полноты корпуса. Форма площади ватерлинии, точнее, ее момент инерции, является фактором, определяющим устойчивость формы. Очевидно, в зависимости от условий нагрузки, крена и дифферента форма площади ватерлинии, а с ней и устойчивость, могут меняться.

Также нам необходимо обеспечить маневренность – качества судна, которые определяют его способность безопасно совершать плавание при любом состоянии моря и любой погоде, а также сохраняя живучесть в случае повреждения. Мореходные качества являются предметом изучения науки под названием «теория устройства судна». Мы попробуем обеспечить данный параметр, копируя уже работающие аналоги.

Выбор способа доставки мусора с поверхности воды до механизма сортировки

Для доставки мусора с поверхности воды до механизма сортировки мы будем использовать конвейер. Конвейер – это непрерывно работающая машина для перемещения груза на своей рабочей поверхности из точки «А» в точку «Б».

Конвейер состоит из двух частей:

первая – движущая часть конвейера (привод конвейера и корпус или каркас, обеспечивающий корректную работу рабочей поверхности);

вторая – рабочая поверхность (та самая часть, которая перемещает грузы) [7].

Первая часть у всех конвейеров схожая, а вот вторая отличается.

В настоящее время существуют следующие виды конвейеров:

ленточный конвейер;

пластинчатый конвейер;

цепной конвейер;

скребковый конвейер;

подвесной конвейер;

рольганг;

винтовой (шнековый).

Несомненно, самым популярным и часто используемым из них можно назвать ленточный конвейер. Он состоит из 2-х вращающихся барабанов и длинной резиновой ленты.

Но мы будем использовать пластинчатый конвейер из-за его несложной реализации и наличии у нас всех необходимых ресурсов. Как правило, пластинчатый конвейер состоит из двух вращающихся валов и звеньев одной цепи.

На следующем этапе нам предстоит создать трехмерные модели всех механизмов и распечатать их на принтере.

Трехмерное моделирование и печать

Мы последовательно решали следующие задачи:

Разработка эскизов.

Разработка трехмерных моделей.

Редактирование трехмерных моделей.

Сборка всех трехмерных моделей в одну.

Печать прототипа.

Прежде чем создать трехмерные модели, необходимо представить, как будет выглядеть наш механизм. Для этого были выполнены наброски модели и механизмов. На основе эскизов в системе трехмерного моделирования Компас-3D [4] мы разработали модели, которые в дальнейшем были распечатаны на принтере (см. рис. 7).

Рис. 7. – Этапы работы над проектом

Оборудование

Для обеспечения работы всех механизмом необходимо подобрать соответствующее оборудование. «Мозгом» устройства будет являться микроконтроллер Arduino. Arduino – торговая марка аппаратно-программных средств, для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированная на начинающих пользователей. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры [11].

Для реализации «глаз» аппарата был использован ультразвуковой датчик расстояния, который является прибором бесконтактного типа и обеспечивает высокоточное измерение и стабильность. Диапазон дальности его измерения составляет от 2 до 400 см.

Если в устройство попадают водоросли, то их необходимо вернуть обратно в воду, поэтому сортировка будет выполняться с помощью датчика определения цвета. Датчик цвета имеет два основных компонента – трехцветный светодиод, который излучает красный, синий и зеленый свет, а также светочувствительный датчик (фоторезистор), который определяет интенсивность падающего на него света.

Устройство приводят в движение шаговые двигатели, которыми управляют специальные драйверы, с их помощью можно задавать количество шагов и тем самым контролировать движение аппарата.

Алгоритм движения

Мы предлагаем следующий алгоритм движения устройства: делается определенное количество шагов в одну сторону; затем разворот на 180 градусов (например, влево); затем снова движение на определенное количество шагов, но уже в другую сторону, и снова разворот на 180 градусов (но уже вправо). С помощью такого алгоритма устройство сможет полностью пройти всю акваторию. Если на пути следования будет встречаться мусор (обнаружение выполняется с помощью ультразвукового датчика расстояния), то аппарат будет включать механизм сбора, транспортировки и сортировки мусора.

Использование результатов

В результате проделанной работы мы получили работающий прототип автоматизированного устройства сбора пластиковых отходов с поверхности воды (см. рис. 8).

Рис. 8. – Прототип аппарат

Расходы на создание прототипа аппарата составили 6750 руб. и представлены в таблице 1.

Таблица 1. Экономическая оценка проекта

№ п/п

Наименование

Цена (руб)

 

Плата Arduino Nano

400

 

Шаговые двигатели NEMA 17(2 штуки)

1500

 

Ультразвуковой датчик

100

 

Драйвера двигателя (2 штуки)

250

 

Датчик цвета

500

 

Сервопривод

200

 

Аккумулятор

2500

 

Понижающий преобразователь напряжения

400

 

Расходные материалы

400

 

Пластик

500

 

Итого

6750

Достоинством нашего устройства является механизм сбора, транспортировки и сортировки мусора, которые включаются в работу только при обнаружении мусора, тем самым снижая энергопотребление.

В ходе реальных испытаний были выявлены проблемы, связанные с устойчивостью устройства (она изменяется за счет сбора мусора), следовательно, необходимо более тщательно проработать компоновку судна. Одним из способов решения данной проблемы может быть перенос отсека для мусора с судна на вспомогательное судно – баржу.

В дальнейшем результаты работы можно перенести на полноразмерный реальный аппарат.

Так как проект решает важную экологическую проблему, то для финансирования проекта целесообразно привлечение денежных средств из различных экологических фондов.

Заключение

В ходе работы были решены все поставленные задачи. Анализ проблемы, связанной с нахождением пластиковых отходов в водах Мирового океана, показал, что пластик наносит огромной вред морским обитателям. Сбор мусора с поверхности осуществляется ручным и машинным способом. Наиболее перспективным является использование автоматизированных устройств для сбора мусора машинным способом. Для построения устройства вначале были созданы трехмерные модели всех механизмов, которые в дальнейшем были распечатаны на 3D-принтере. В качестве движителя было выбрано гребное колесо, которое имеет важные для нас преимущества. Сбор мусора с поверхности воды осуществлен с помощью захватывающих элементов и пластиночного конвейера. Для исключения попадания водорослей использовалось цветовое разделение. Управление работой всех механизмов выполнено с помощью программно-аппаратных средств Arduino.

Дальнейшим развитием проекта будет являться изменение компоновки судна для повышения устойчивости, использование солнечных батарей для автономной работы, а также применение измельчителей мусора.

Список литературы

Гребное колесо [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.freejournal.org/2074924/1/grebnoe-koleso.html

Григорьев, Г.В. Беспилотная техника для целей лесного комплекса и мониторинга состояния водных объектов / Г.В. Григорьев, И.Н. Дмитриева, О.А. Куницкая // Ремонт. Восстановление. Модернизация. – 2021. – № 10. – С. 3-10.

Иванова, П.В. Способы очистки мирового океана от пластиковых отходов / П.В. Иванова, А.А. Натальина, Ю.А. Нифонтов // Материалы конференции «Неделя науки Санкт-Петербургского государственного морского технического университета». – 2020. – Т. 2. – № 4. – С. 73.

КОМПАС-3D. Официальный сайт САПР КОМПАС [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://kompas.ru/

Огаркова, И.Н., Большое Тихоокеанское мусорное пятно / И.Н. Огаркова, В.Г. Шведов / /Вестник Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. – 2017. – №3 (28). – 67-70 с.

Пластиковое загрязнение планеты. Есть ли жизнь без пластика - РИА Новости, 10.11.2017 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ria.ru/20171110/1508554568.html Ученые выяснили, сколько пластика было произведено за последние полвека - Газета.Ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.gazeta.ru/science/2017/07/20_a_10795406.shtml

Типы конвейеров, устройство [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://spctex.ru/tipy-konvejerov-i-ix-ustrojstvo/

Ученые выяснили, как пластиковый мусор скапливается в Мировом океане - Газета.Ru _ Новости [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.gazeta.ru/science/news/2020/03/11/n_14145115.shtml

Ученые выяснили, сколько пластика было произведено за последние полвека - Газета.Ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.gazeta.ru/science/2017/07/20_a_10795406.shtml

Шаталова, А.О. Автоматизация сбора мусора в мировом океане с помощью SYSTEM 001 / А.О. Шаталова, Е.М. Ханина // Инновации, технологии и бизнес. – 2020. – № 2 (8). – С. 88-94.

Arduino Uno Аппаратная платформа Arduino [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno

Iminova, A.S. New technologies for ocean cleaning / A.S. Iminova, E.G. Ivanova // Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Recent Achievements and Prospects of Innovations and Technologies». – 2018. – С. 335-340.

Meet Fred – Clear Blue Sea [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.clearbluesea.org/meet-fred/

16

Просмотров работы: 120