XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Гелиос - робот, добывающий гелий-3 на Луне
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Впервые мысль об источниках энергии у меня появилась после просмотра фильма “Чернобыль”. После увиденной трагедии, мне захотелось узнать, неужели не существует такого способа получения большого количества энергии, при котором были бы невозможны такие катастрофы.
Актуальность
Актуальность моей темы связана с тем, что с каждым годом энергии человечеству требуется всё больше и больше. По подсчётам учёных, к концу 21 века, потребление энергии на Земле увеличится в 6 раз, по сравнению с сегодняшним днём. Но энергии уже и сейчас катастрофически не хватает, её запасы иссякают. Нефть, газ, уголь - ограниченные ресурсы, их запас когда-то кончится. Некоторые учёные прогнозируют снижение ресурсов через 50 лет, другие через 100 лет, но эти годы пройдут, а потребность в энергии не снизится. Рано или поздно, нам придётся увеличивать количество атомных электростанций, но, после трагедий в Чернобыле и Фукусиме и росте радиоактивных отходов, идти по этому пути нет никакого желания. Гидроэлектростанции, ветрогенераторы и солнечные панели, возможно, и смогут отапливать дома и даже освещать целые города, но развивать всё усложняющееся производство, двигать вперёд науку и осваивать океанские глубины вряд ли получится. Поэтому человечество находится в поисках новых источников энергии и один из источников энергии пришел к нам из космоса.
Цель проекта
Разработать и собрать прототип устройства для добычи Гелия-3 на Луне.
Задачи
Изучить информацию о гелии-3.
Описать возможность получения энергии из гелия-3 на Земле.
Разработать конструкцию робота на основе конструктора Lego Mindstorms Education EV3, имитирующего сбор Гелия-3 на Луне.
Провести испытания робота.
Гипотеза
Если радиоактивные отходы от атомных электростанций несут колоссальные вред окружающей среде, то очень важно найти безопасные источники энергии, чтобы избежать увеличения залежей радиоактивных отходов в ближайшем будущем.
Объект работы
Изучение добычи и использования гелия-3.
Предмет работы
Создание робота – сборщика гелия-3 и описание принципа добычи.
Методы исследования:
Анализ литературы, изучение интернет-ресурсов: www.roscosmos.ru, www.cyberleninka.ru – научная библиотека открытого доступа, stellarium — свободный виртуальный планетарий; моделирование – проектирование робота по добыче гелия-3 на Луне.
Описание проекта
В ходе работы над проектом, я изучаю тему безопасного источника энергии, а также проектирую робота по добыче гелия-3 на Луне.
Краткий обзор используемой литературы и источников
В своей работе я использовал учебник В.Б. Кожевникова, Л.Э. Генденштейн, изучал информацию с международной выставки EXPO-2020 в г.Дубай, а также выставки RENWEX г. Москва, интернет-ресурсы, такие как www.roscosmos.ru, www.cyberleninka.ru. Данные источники помогли мне раскрыть тему.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ
Информация о гелии-3
Солнцу уже около 5млрд лет. Каждую секунду солнце производит в 100 тыс. раз больше энергии, чем всё человечество смогло добыть за всю свою историю существования на Земле.
Откуда же берется такая колоссальная энергия?
Только в 1935 году американский физик Ханс Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий, за что и получил позже нобелевскую премию.
Гелий-3 - вещество, которое образуется на Солнце, благодаря термоядерным реакциям. С помощью солнечного ветра – потока заряженных частиц, который дует от Солнца в космическое пространство, гелий 3 попадает на космические тела, в том числе и на Луну. Гелий-3 обладает высокой текучестью (способностью проникать в самые мельчайшие полости) и глубоко проникает в реголит (грунт) на Луне.
На международной выставке в Объединенных Арабских Эмиратах освещалось, что такие страны мира как Китай, США, Россия, Индия готовятся к новым экспедициям на Луну для получения Не-3. А в 2019 году Роскосмос и Росатом начали работу по созданию будущей российской лунной базы.
Почему же на Луну спросите вы? Потому что на Земле этого вещества ничтожно мало.
Гелий-3 в достаточно-больших количествах обнаружили в лунном грунте, после нескольких экспедиций на Луну. Это были экспедиции России в 1970 году, в которой работала исследовательская станция «Луна-16», экспедиции США в 1972 году - «Аполлон-17» и др. С этого времени мировые державы стали изучать гелий -3 и возможность его добычи и использования.
Гелий – 3 не попадает на Землю, так как он отбрасывается прочь магнитным полем Земли и улетучивается из атмосферы. А вот на Луне магнитного поля нет и здесь гелий – 3 может свободно накапливаться в поверхностном слое грунта.
В 2020 году после полёта Китайского аппарата «Чаньэ-5» и сбора более 1 кг лунного грунта китайские исследователи доказали, что гелия-3 в реголите Луны очень много.
Возможность получения энергии из гелия-3 на Земле
Нельзя ли в земных условиях повторить то, что происходит на Солнце? Этим вопросом озадачились все учёные планеты. Уже много лет учёные стараются воспроизвести своё «солнце» на поверхности Земли – это реакторы, в которых можно управлять термоядерным синтезом.
Что же такое управляемый термоядерный синтез?
Сегодня учёные объединяют ядра водорода - дейтерий и тритий (их и планируют заменить гелием-3) для получения энергии. Это непростая задача. Частицы отталкиваются друг от друга и поэтому соединить их может только высокая температура, приблизительно 150 млн. С°. В этих условиях газ в вакуумной камере токамака превращается в плазму или проще говоря очень сильно нагретый газ, который и является источником энергии. Возникает другая проблема – удержание этой плазмы. Для этого и нужны материалы способные удержать высокую температуру и давление в реакторе.
Самый первый экспериментальный реактор токамак, создали советские учёные ещё в 1954 году. А на известном во всём мире токамаке-10 была получена рекордная температура плазмы в 100 тыс. C°. С тех пор мировые державы создают всё новые виды установок. Пока токамак - установка для экспериментов, и тепло, которое получается при термоядерной реакции полностью поглощается его стенками. Учёные прогнозируют получение электричества в токамаках не ранее 2060 года.
В наши дни существует международный проект ITER. На юге Франции сооружается научный комплекс и экспериментальный термоядерный реактор. Он невероятных размеров. В этом проекте участвуют много стран: Россия, США, Канада, Япония, Китай, Италия, Франция, Индия, Южная Корея, Австралия и Казахстан. Страны объединяются, потому что ни одна страна не справится с этой задачей в одиночку, это очень дорогой проект.
В России для ITER работают более 20 компаний, они готовят сложный сплав металла для работы со сверхвысокими температурами. На сегодняшний день, в Курчатовском институте в Москве создан токамак для экспериментов над материалами устойчивыми к высокой температуре. В дальнейшем эти материалы будут отправляться на ITER.
Подсчёты учёных указывают, что реакция, которая происходит при столкновении двух ядер He-3, сможет дать самое большое количество энергии.
Самым важным для нашей планеты является то, что термоядерные реакции экологичны – они без радиоактивных отходов. Эти реакции не загрязняют ни воду, ни почву, ни воздух.
1.3 Способ добычи гелия-3 на Луне
Для добычи гелия-3 на Луне нам потребуются роботы - сборщики гелия-3. Разработки роботов ведутся во многих странах.
Работа на Луне осложняется тем, что у Луны нет атмосферы, а поэтому температура в течении дня и ночи существенно отличается. Ночью на Луне минус 153 С, а днём +123 С.
На данный момент, для Луны разработчики многих стран применяют технологии, которые используются для добычи полезных ископаемых на Земле. Испытания прототипов роботов происходит на вулканическом пепле, так как учёные предполагают, что лунный реголит и вулканический пепел одинаковы. Разработками роботов в России занимается Роскосмос, Росатом и Национальный исследовательский центр „Курчатовский институт”.
Из-за отсутствия атмосферы проблему представляет радиация, которая вместе с солнечным ветром попадает на Луну. Поэтому при создании лунной базы предлагают размещать её под достаточным слоем лунного грунта. Слой грунта около 80 см поможет избавиться от лишней радиации, она будет такой же, как и на Земле и тогда астронавтам находиться на такой базе будет безопасно.
Для добычи гелия-3 из реголита необходим высокотехнологичный робот, в котором будут протекать многочисленные процессы:
• забор поверхностного слоя грунта;
• отделение изотопов гелия из лунного грунта путём нагрева;
• очистка изотопов гелия от примесей;
• заполнение баллонов изотопами гелия;
Собранный в баллоны газ, дальше проходит процесс отделения гелия-3 и гелия – 4 путём охлаждения до температуры в – 268,8 С при которой гелий-4 закипает, а гелий 3 остаётся в газообразном состоянии и закачивается в баллоны для отправки на Землю.
Таким образом выглядит полный цикл добычи и очистки гелия-3.
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ
Я разработал и собрал прототип устройства, имитирующего сбор гелия-3 на Луне, на основе конструктора Lego Mindstorms Education EV3. (Приложение 1: Рисунок 1; Рисунок 2).
Основные узлы робота (Рисунок 1.1; Рисунок 2.1):
аккумуляторы
ковш
конвейер для просеивания реголита
печь
баллоны для хранения гелия
гусеницы
двигатели
Робот собирает грунт ковшом и затем он проходит на конвейере просеивание, для отделения крупных частей от более мелких. Затем грунт направляется в печь, где нагревается до температуры 800 С, для выделения изотопов гелия и других газов. Кроме изотопов гелия при нагреве выделяются также метан, азот, достаточное количество пара воды и водорода и т д. Затем происходит процесс отделения изотопов гелия (гелия-3 и гелия-4) от других примесей. Это осуществляется с помощью фильтр-мембран, которые пропускают только изотопы гелия, потому что масса молекул гелия очень мала. Выделившийся газ с помощью компрессора собирается в баллоны и передаётся для дальнейшей обработки на станцию, а отработанный реголит выбрасывается обратно на поверхность Луны.
В связи с огромной разницей дневных и ночных температур на поверхности Луны роботов невозможно будет создавать из тех материалов, которые используются на Земле. Для производства роботов необходимы термостойкие материалы. Одним из предполагаемых материалов для изготовления роботов является титан. Он может использоваться при температурах от -250 до 500 градусов.
При изготовлении роботов-сборщиков гелия должен учитываться и тот факт, что они должны быть гораздо тяжелее, для того чтобы работать в условиях с низким уровнем гравитации. Это тоже представляет одну из проблем доставки их на Луну ракетами, а затем и пилотируемыми кораблями, так как количество топлива, необходимого для перелёта, будет достаточно высоким. Поэтому, одним из предложений изобретателей является использование на лунной базе 3D принтеров для печати из титана основных деталей робота.
Для своего робота я написал программу (Приложение 2) в среде разработки Clever.
Программа содержит 6 функций, которые отвечают за определённое движение моего робота. В основе работы каждой функции лежит работа с энкодером (датчик в моторе, который считывает угол поворота) и циклом while (пока выполняется условие). Чтобы воспользоваться функцией, её нужно вызвать.
Функция Back используется, чтобы робот поехал назад. Функция Forward - чтобы робот поехал вперёд.
Для приведения в движение конвейера, используется функция ReikaOn и ReikaOff.
Функции CowshOn и CowshOff я использую, чтобы соответственно поднимать и опускать ковш робота.
Также в программе используется команда паузы (задержки) выполнения последующих шагов Program.Delay.
На основе написанной мной программы для прототипа устройства по добычи гелия-3, я продемонстрировал принцип его работы. Я рассказал о добыче гелия-3 на Луне и определённых сложностях, с которыми будут сталкиваться объекты и устройства, которым предстоит работать на Луне.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработки по добыче гелия-3 и получению чистой и экологичной энергии ведутся учёными уже не одно десятилетие. Самым важным для нашей планеты, является сохранение экологии. Аварии на атомных электростанциях представляют угрозу. Нефть, газ, уголь являются невозобновляемыми источниками энергии и их запас с каждым годом уменьшается, а ветрогенераторы и солнечные батареи не смогут обеспечить энергией крупные производства по всему миру. Поиск и освоение новых источников энергии – задача, которая стоит перед человечеством в ближайшем будущем. Жизнедеятельность человека и всё растущие технологии требуют всё больше энергии.
Учёные с каждым годом продвигаются небольшими шагами к намеченной цели. Но на пути возникают трудности, чаще финансовые, но и технологические тоже. Поэтому многие страны объединяются для совместной работы над проектом термоядерного синтеза и стремятся к исследованиям в космосе.
Одно можно сказать точно, главными помощниками в освоении полезных ископаемых в космосе будут роботы, сверхпрочные материалы и высокие технологии. Изучение их представляет большой интерес, а разработка и испытания роботов открывают новые возможности.
Работая над своим проектом, я изучил литературу, посетил космические выставки и соревнования лунных роботов, разработал и собрал прототип устройства для добычи гелия-3 на Луне, показал принцип его работы и написал программу.
Список используемых источников и литературы
Ожегов, С. И. Толковый словарь русского языка / С. И. Ожегов, Н. Ю. Шведова. - М.: Азбуковник, 2000. - 940 с.
Физика.9 класс: учебник для общеобразовательных учреждений / В.Б. Кожевникова, Л.Э. Генденштейн - Москва: Мнемозина, 2012 – 267с.
Электронный ресурсы
Научная библиотека открытого доступа [Электронный ресурс]: URL: http://www.cyberleninka.ru
Роскосмос [Электронный ресурс]: URL: http//www.roscosmos.ru
Обзор концептуальных проектов роботизированных космических комплексов для добычи на Луне термоядерного топлива гелия-3: 2018. доктор технических наук. В. В. Синявский. [Электронный ресурс] URL: http://www.rusrobotics.ru.
Приложение 1
Гелиос – робот, добывающий гелий-3 на Луне
Рисунок 1 Робот Гелиос (вид спереди). 1 – аккумуляторы; 2 – ковш; 3 – конвейер для просеивания реголита; 4 - печь; 5 – баллоны для хранения гелия; 6- гусеницы; 7 – двигатель.
Рисунок 1.2 Основные узлы робота
Рисунок 2 Робот Гелиос (вид сзади). 1 - двигатель привода гусениц; 2 – компрессор.
Рисунок 2.1 Основные узлы робота
Приложение 2
Программа для робота Гелиоса
Function CowshON()
MotorA.ResetCount()
while MotorA.GetTacho() < 110
MotorA.StartSpeed(5)
EndWhile
MotorA.Off()
EndFunction
Function CowshOff()
MotorA.ResetCount()
while MotorA.GetTacho() > -110
MotorA.StartSpeed(-5)
EndWhile
MotorA.Off()
EndFunction
Function ReikaOn()
MotorD.ResetCount()
while MotorD.GetTacho() > -340
MotorD.StartSpeed(-10)
EndWhile
MotorD.Off()
EndFunction
Function ReikaOff()
MotorD.ResetCount()
while MotorD.GetTacho() < 340
MotorD.StartSpeed(10)
EndWhile
MotorD.Off()
EndFunction
Function Forward(in number ob, in number speed)
MotorB.ResetCount()
while MotorB.GetTacho() > -360 * ob
MotorBC.StartSpeed(-speed)
EndWhile
MotorBC.Off()
EndFunction
'Forward(3, 30)
while "true"
CowshON()
Program.Delay(500)
CowshOff()
Program.Delay(500)
ReikaOn()
Program.Delay(5000)
ReikaOff()
EndWhile