VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Работа посвящена В.В. Терешковой –

первой женщине космонавту.

Космос Валентину Терешкову – первую женщину космонавта не отпускает и сейчас. По ее признанию, у нее есть только одно хобби — «удивительная, загадочная Красная планета, о которой мы с Сергеем Павловичем Королевым мечтали несколько десятилетий назад». «Я готова полететь на Марс и даже не возвращаться», — призналась она как-то журналистам.

Актуальность работы

Человечество уже достигло той степени зрелости, когда оно может позволить себе шагнуть за пределы своей колыбели и приступить к освоению иных планет Солнечной системы. На Марсе побывали автоматические станции–роботы. Они передали информацию о составе атмосферы, температуре, фотографии планеты. Уже сейчас разработаны учеными разных стран проекты полета человека на Марс. В России проходил эксперимент по подготовке полёта на Марс. Группа космонавтов в течение 500 дней жила в герметичных отсеках, готовясь к длительной космической экспедиции. А в апреле 2013 года официально был открыт набор участников проекта Mars One по безвозвратному полету на Марс. По планам разработчиков, первые колонисты окажутся на Марсе 22 апреля 2023 года. Но основная трудность заключается не в возможности доставки человека на Марс, а в возможности его длительного там проживания.

«Единственный полет на Марс ещё не означает, что мы исследовали планету», - считает участник миссии Аполлон-11 Эдвин «Базз» Олдрин, второй астронавт, вступивший на Луну.

Речь идет не просто о полетах, а об основании на Марсе поселения, которое, возможно, станет спасением для нашей цивилизации.

«Вид, населяющий лишь одну планету, не может выжить. Это вполне разумная теорема - вспомните динозавров. Мы же не хотим стать ещё одним ее доказательством», - говорит бывший астронавт Джон Грансфельд (John Grunsfeld), который до сих пор работает на НАСА.

Если и планировать основание поселения на другой планете Солнечной системы, то Марс – самое подходящее для этого место. Однако чтобы уверенно летать на Марс (и жить там), потребуется немало нововведений, отличных от тех, что требуются для разовых полетов. 

Проблема

Возможно, в скором будущем произойдёт запуск пилотируемого космического корабля  и высадка космонавтов  на Марс. Поэтому важно не только долететь до Марса и выжить, но самое главное суметь вернуться обратно домой на Землю, узнав тайны красной планеты.

Объект исследования: база «Чайка» на Марсе.

Предмет исследования: возможность создания на Марсе базы - искусственной

нерасчлененной биосферы в замкнутом пространстве, образованном 3-мя оболочками и структурой.

Гипотеза

Мы считаем, что если сначала на Марсе будет создана с помощью автоматических дистанционно управляемых аппаратов специальная база «Чайка» (названная нами в честь позывного В.Терешковой), то она может стать не только средой жизнедеятельности людей, но и научно-исследовательским центром. Это повысит вероятность успешного освоения Марса.

Цель работы:изучив основные физические параметры Марса, параметры его атмосферы и особенности ландшафта, разработать проект базы «Чайка» на 300 человек способной стать научно-исследовательским центром по изучению Марса и средой жизнедеятельности людей на этой планете.

Задачи:

- ознакомиться с литературой и ресурсами ИНТЕРНЕТ по данной теме;

- исследовать возможность создания базы «Чайка» - научно-исследовательского центра по изучению Марса и среды жизнедеятельности людей на этой планете;

- разработать проект марсианской базы «Чайка», составив схемы устройства ее отдельных модулей;

- показать важность данной работы.

Ход работы

Изучение информации по направлениям:

Исследования Марса.

Характеристика основных параметров Марса.

Факторы выбора организации среды жизнедеятельности на Марсе.

2. Технические требования по созданию базы «Чайка»:

Зона жизнедеятельности космонавтов (ЖЗК).

Пространственно-стержневая структура.

Жилой блок.

Оздоровительный центр.

Лаборатория.

Информационный центр.

Культурно - спортивная зона.

II. Основная часть

Глава 1. Возможность создания марсианской базы

Исследования Марса

В 1964 году был осуществлен полет первого космического аппарата "Маринер-4". Он передал на Землю первые фотографии Марса с близкого расстояния. Для передачи фотографии потребовалось 8 ч. 35 мин.
Выяснилось, что темные области не являются впадинами. Некоторые из них, включая Большой Сирт, представляют собой возвышенное плато с уклонами во все Американские аппараты "Маринер-6" и "Маринер-7" прошли вблизи Марса летом 1969 г. Эти аппараты вновь передали изображения кратеров наряду с гористыми областями. Еще большее удивление вызвали результаты измерений, проделанных аппаратами. Так, круглое светлое пятно, известное как Эллада, к югу от V-образного Большого Сирта, оказалось впадиной, а не приподнятым плато, как ожидалось.

В 1962 г. Советский Союз послал космический зонд к Марсу, но, к сожалению, связь с аппаратом прекратилась на довольно ранней стадии полета. Советский зонд "Марс-3" опустился к югу от Борозды Сирен в декабре 1971г., но он передавал информацию только в течение 20 с после посадки, и узнать что-нибудь новое тогда не удалось.
Новое качество изучение Марса приобрело в 1973-1974 гг., когда четыре советских AMС «Марс-4», «Марс-5», «Марс-6» и «Марс-7» практически одновременно достигли окрестностей планеты, завершив важный этап многомесячного космического эксперимента.

В 1976 году американские аппараты "Викинг" достигли поверхности Марса. Они передали на Землю почти 300 тысяч телеснимков ландшафта Марса, которые фиксировались в памяти компьютеров.

В 1988 году к Марсу были запущены два советских космических аппарата "Фобос-1" и "Фобос-2". Экспедиция закончилась полным крахом. "Фобос-1", как сообщили официальные источники информации, сошел с траектории в результате неправильной команды с Земли, а со вторым аппаратом была потеряна связь. 23 августа 1993 года пропал на марсианской орбите американский "Марс - Обсервер". До 2003 года в исследовании Марса было выполнено запусков: СССР – 18 (в том числе 3 выполнили программу), США – 15 (10), Япония – 1 (1), ЕС – 1 (1). Всего было сделано 35 запусков, в том числе15 удачных. Получены многочисленные снимки поверхности планеты.

Проведено изучение межпланетной плазмы, ионосферы и атмосферы. Изучены механические свойства, химический состав, намагниченность грунта, осуществлены метеорологические и сейсмические наблюдения. Жизнь на Марсе обнаружена не была. На основе исследования грунта, изучались процессы метаболизма, фотосинтеза и газообмена. При постановке экспериментов исходили из того, что живые организмы питаются, дышат и выделяют отработанные продукты, т.е. меняют окружающую среду, как и на Земле. Не удалось обнаружить на Марсе и остатков ранее существовавших органических молекул. При помощи спектрометра альфа-частиц, протонов и рентгеновского излучения, предназначенного для исследования химического состава марсианского грунта и лежащих на нём камней. Было выяснено, что камень (Барнакл Билл) состоит из богатого кремнием минерала андезита, который на Земле обычно входит в состав вулканической лавы. Открытие на Марсе андезита говорит о том, что внутреннее строение Марса может напоминать строение нашей планеты.

В августе 1996 учеными НАСА было сделано заявление, что они нашли свидетельство существования жизни на Марсе, если и не в данное время, то в некоем отдаленном прошлом, в виде следов окаменелых бактерий в метеорите ALH 84001, который предположительно имеет марсианское происхождение. Лабораторные исследования метеорита ALH 84001 позволили обнаружить в нем структуру около 100нм в длину, которая могла бы быть объяснена как окаменелость органического происхождения.

Это заявление породило беспрецедентный научный и общественный интерес к Марсу и проблемам его изучения. Европейским Космическим Агентством было принято решение о направлении миссии, посвященной поиску жизни, к Красной Планете, о чем было объявлено еще в 1997 году.

Характеристика основных параметров Марса

М
арс является одной из планет типа Земля вместе с Венерой, Меркурием, Плутоном. Земля, Марс и Венера внутри этой группы образуют еще более тесную группу, они близки друг другу в отношении химического состава, внутреннего строения, количества тепла, получаемого от Солнца. Сходны и процессы, протекающие в их атмосферах. Сравнительное изучение этих планет представляет особый интерес, так как помогает лучше понять многое из того, что происходит на нашей планете Земля.

Ни одна из планет Солнечной системы не вызывала такого пристального интереса в самых широких кругах как Марс. В течение последних лет мы узнали о Марсе больше, чем в предыдущие сто лет. Новые данные были получены в результате исследований, проведенных на американских и российских космических аппаратах, определенный вклад внесли и наземные наблюдения. (6)

Таблица 1. Основные физические параметры Марса

Период вращения	24 h37m 22s
Экваториальный радиус	3393,4 км
Площадь поверхности	1,440* 1018 см3
Масса	6,423*1026 г
Средняя плотность	3,95г/см-3
Ускорение силы тяжести на экваторе	372,3 сек.-2

Таблица 2. Основные параметры атмосфер Марса и Земли

Параметры	Земля	Марс
Химический состав (объемные проценты по отношению к средней плотности) N2 O2 H2O CO2 CO	78 21 0,1-1 0,03 10-5	2-3 0,1-0,4 10-3 – 10-1 95 4*10-3
Ar	0,93	1-2
CH4	10-4	-
H2	5*10-5	-
Ne	10-3	-
He	10-4	-
Температура у поверхности (в средних широтах) Т мах /К/ Т мих /К/	310 240	270 200
Среднее давление у поверхности /р/ атм/	1	6*10-3
Средняя плотность у поверхности /г/см/	1,27*10-3	1,2*10-5

Таблица 3. Параметры Земли и Марса

Параметры	МАРС	ЗЕМЛЯ
Среднее расстояние от Солнца	228 млн. км	149.6 млн. км
Звездный период	1.88 года	1.0 года
Период вращения вокруг оси	24 часа 37 мин. 4.1сек.	23 часа 56 мин. 23сек.
Диаметр	6776 км	12756 км
Спутники	Фобос, Деймос	Луна

1.3. Факторы выбора организации среды жизнедеятельности на Марсе

«Человечество не останется вечно на Земле,

оно в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы,

а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».

К.Э. Циолковский

Основными факторами, влияющими на принцип организации среды жизнедеятельности человека на Марсе являются:

Разряженная атмосфера.

Около половины поверхности Марса - древние кратерные области; остальная часть покрыта молодыми вулканическими образованиями либо равнинными отложениями.

Пылевые бури со скоростью 100 м/с.

Вечная мерзлота.

Наличие воды на Марсе.

«… Многие исследователи высказывают идею о том, что основные водные массы на Марсе сосредоточены в поверхностном слое вечной мерзлоты. Не исключается возможность того, что за счет обычного геотермического температурного градиента внутри крупных равнинных бассейнов под слоем льда температура может оказаться достаточной для сохранения воды в жидком состоянии.

Толщина ледяного покрова в среднем должна составлять 10-30 метров, что соответствует условиям равновесия между ростом и испарением. Как известно, лед хороший теплоизоляционный материал и одновременно прозрачен для солнечных лучей, которые частично проникают сквозь него и поглощаются в самой водной толще.

Вместе с высвобождающейся скрытой теплотой плавления на нижней поверхности льда это препятствует дальнейшему промерзанию резервуара, обеспечивая сохранения в нем жидкой воды.

Все это привело к гипотезе о существовании на Марсе не только обширных водоемов под слоем вечной мерзлоты, но и о продолжающемся поныне течении рек, скованных ледяным щитом только с поверхности».

/ Маров «Планеты солнечной системы»/(1)

Ультрафиолетовая радиация.

Возможность метеоритного попадания.

Мы предлагаем проект создания искусственной нерасчлененной биосферы в замкнутом пространстве, образованном 3-мя оболочками и структурой, висящей между кратерами, которую назвали база «Чайка».

База рассчитана на 300 человек. Она включает в себя:

Зону жизнедеятельности людей.

Ангары с блоком связи.

Систему жизнеобеспечения.

Распределительный блок - шлюзовой отсек у основания центрального лифта; система лифтов и эскалаторов, обеспечивающая связь всех зон базы между собой и внешней средой.

Глава 2. Технические требования по созданию базы «Чайка»

2.1.Зона жизнедеятельности космонавтов (ЗЖК)

ЗЖК включает:

Жилой блок;

Лаборатория (на отметке +74,8 м);

Оздоровительный центр;

Информационный центр;

Культурно-спортивная зона.

З ЖК располагается под 3 - мя оболочками на пространственно-стержневой структуре, висящей между кратерами и опирающейся на центральный лифт. Применив оболочку в форме гиперболических параболоидов (2) мы старались добиться выразительности создаваемой формы. Форма оболочки базы родилась из образного начала, навеянного ассоциациями фантастического мира космоса и легендами о Марсе, а также необходимостью защиты базы от внешних атмосферных воздействий, главным образом от давления ветра при песчаных бурях.Рис. 1. Вид базы сверху.

Внешняя оболочка (тенто - вантовая конструкция – конструкция, в которой элементы работают на растяжение) вращается вокруг оси главного лифта, воспринимая давление ветра (можно использовать ветровую энергию).

Две внутренние оболочки служат для:

Защиты от ультрафиолетовой радиации (внешняя из этих оболочек покрыта тонким слоем металла);

Создания температурно - влажностного режима (между оболочками расположены приборы, регулирующие температуру и влажность).

Пространственно-стержневая структура

Состоит из стержней высококачественных металлов (длина стержней определяется расчетом). Структура воспринимает нагрузку от оболочек; защитного слоя (бетон) и грунта, уложенных на структуру; оздоровительного центра, космоклуба и передает ее на кратеры и центральный лифт.

Рис. 2. Схема пространственно-стержневой структуры

и ее отдельных элементов.

Жилой блок (12 этажей)

Объем жилого блока имеет сферическую форму, образованную типовыми ячейками, вставленными в несущую конструкцию по окружности.

Несущая конструкция состоит из ядра жесткости, поэтажной структуры и диафрагм жесткости.

Ядро жесткости образовано двойной пространственно-стержневой структурой, заполненной «стеклом». Во внутреннем пространстве ядра жесткости располагаются 4-е лифта.

Рис. 3.Принцип построения жилого блока.

Каждая ячейка герметична, имеет полное сантехническое оборудование, а также трансформирующиеся перегородки. Ячейка рассчитана на 4 человека. Ячейками заполнена половина сферы, при необходимости можно заполнить всю сферу (в случае расширения базы или при аварии). В случае аварии (метеоритного попадания) срабатывает система дополнительной защиты в виде 2-х герметически закрывающихся полусфер.

6

Рис. 4. Устройство жилого блока. 1. Ядро жесткости (объемный блок). 2. Поэтажная структура.

Диаграмма жесткости.

Типовая ячейка.

Полусфера.

Несущая конструкция.

Оздоровительный центр (5 этажей)

Объем оздоровительного центра имеет форму усеченного конуса.

Несущая конструкция оздоровительного центра состоит из:

Ядра жесткости, в котором расположены 3 лифта;

Пространственно-стержневой структуры, на которой располагается открытая зеленая зона (2 и 4 этаж);

Стержневых балок, воспринимающих нагрузки от 1,3,5 этажей (1,3,5 этажи образованы объемными трапециевидными в плане блоками), и опорных колец;

Вант, обеспечивающих устойчивость объемных блоков.

Оздоровительный центр включает в себя 5 функциональных зон :

1 этаж – зона медицинского осмотра

2 этаж – зона отдыха стационарных больных

3 этаж – стационар

4 этаж – зона отдыха космонавтов

5 этаж – центр адаптации космонавтов

Рис. 5.Схема оздоровительного центра.

Лаборатория / на отм. +74,8 м/

Объем лаборатории имеет форму диска. Несущей конструкцией является пространственно-стержневая структура, ванты, а также центральный лифт, который воспринимает нагрузку. (Принцип построения см. жилой блок и оздоровительный центр).

Информационный центр

Информационный центр представляет собой, состоящую из тройной непрозрачной оболочки /обеспечивающей герметичность и самостоятельное функционирование в случае аварии/.

Внутреннее построение сферы разделяется пространственно-стержневой структурой на два этажа

1 этаж – компьютерный зал / на отм. +126,0 м/,

2 этаж – конференц-зал /на отм. +136,0 м /

В интерьере конференц-зала располагается статуя Аэлиты.

Ядром жесткости и вертикальной связью лаборатории и нформационного центра является центральный лифт.

Культурно - спортивная зона

Культурно - спортивная зона включает в себя:

Космоклуб

Центр разгрузки (стадион, бассейн, тренажеры…)

К луб представляет собой трансформирующееся пространство, которое может в зависимости от потребностей становиться закрытым кинозалом с небольшим количеством мест и находящейся около него танцевально - развлекательной зоной. Для получения данного состояния две полусферы, до этого сдвинутые, раздвигаются, образуя купол над меньшим залом, изолируя его от внешней среды.

Если необходимо большее количество мест, то полусферы остаются в сдвинутом состоянии. Малый зал поворачивается вокруг оси на 180⁰, а 2 места, находящиеся на площадке, окружающей его, поднимаются.

Рис. 6.Схема космоклуба (в центре сцена, черточками показаны места для зрителей).

Рис. 7.Первое состояние. Рис. 8. Второе состояние.

Вся территория, расположенная на пространственно - стержневой структуре под оболочками озеленена (растения – дополнительный поставщик кислорода и продуктов питания).

На отметке +74,8 м расположены обходные галереи. Здесь может располагаться открытое кафе.

Рис. 9. Зрительные места в поднятом состоянии.

Как было выше сказано, зона жизнедеятельности людей расположена на структуре, висящей между двумя кратерами.

В одном кратере располагается система жизнеобеспечения (СЖО). СЖО включает: оборудование для получения питьевой воды, кислорода путем электролиза, водорода для термоплазменной электростанции, оборудование для откачки всех составных частей и соотношений воздуха из внешней среды, приборы создания необходимого давления в зоне жизнедеятельности (нагнетанием воздуха).

В состав СЖО входит также термоплазменная электростанция, получающая энергию с орбитальной солнечной батареи (ОСБ). ОСБ накапливает солнечную энергию. В определенные моменты батарея направляет концентрированный луч (принцип молнии) на параболическое зеркало, которое преломляя его, направляет в реактор термоядерной электростанции.

В другом кратере расположены ангары и связь.

Рис.10.Вид базы.

III. Заключение

Изучив основные физические параметры Марса, параметры его атмосферы и особенности ландшафта, мы разработали проект марсианской базы «Чайка» на 300 человек способной стать научно-исследовательским центром по изучению Марса и средой жизнедеятельности людей на этой планете, составив схемы устройства ее отдельных модулей.

Наша база « Чайка» - это не только научно-исследовательский центр по изучению Марса и других планет, но и станция межпланетных перелетов. На базе предполагается смена экипажей, заправка топливом и обеспечение запасами средств жизнедеятельности, замена оборудования, выполнение профилактических ремонтных работ, обработка полученной информации.

Изучение Марса поможет ответить на вопросы, связанные с Землёй. Значение поисков жизни на Марсе нельзя не оценить. Их результаты смогут внести не только весомый вклад в науку о происхождении жизни, но и в значительной степени изменить эти представления. По оценкам некоторых учёных, к середине 21 века население Земли сильно возрастёт. Поэтому мы надеемся, что наш проект базы «Чайка» (или его отдельные идеи) спустя годы найдет себе применение. А мы авторы этого проекта, мечтающие пополнить ряды докторов, сможем даже поработать в спроектированном нами марсианском оздоровительном центре. Ведь главное не долететь до красной планеты, а выжить, узнав ее тайны, и суметь вернуться обратно домой на голубую планету.

IV. Список литературы

1.Демин В. Н. «Тайны Вселенной», - М.: Бином, 2004.

2. Медведева М.В.Развитие творческих способностей старшеклассников при проведении практических занятий: Учебно-методическое пособие для учителей естественно-математических дисциплин. – М.: МИОО, 2005.

3. Образовательные ресурсы сети интернет для основного общего и среднего (полного) общего образования. Каталог. МОиН РФ. Федеральное агентство по образованию. Государственный НИИ информационных технологий и телекоммуникаций «Информика». Государственный НИИ информационных образовательных технологий «Госинформобр», 2006.

4. Педагогическая лоция. Метод проектов в школе. – Спец. приложение к журналу «Лицейское и гимназическое образование», 2003/04 уч.г., вып. 4.

5. Полонский В.М. Образовательные ресурсы в сети интернет: Методическое пособие. – М.: ИАЦ МДО, 2005.

6. Хэнкок Г., Бьювэл Р., Григзби Дж. «Тайны Марса»- М.: Эврика, 2001.

ИНТЕРНЕТ САЙТЫ

http://go2mars.info

http://sky.onego.ru/charts.html

http://www.astrogalaxy.ru

http://www.astrogorizont.com

http://www.nasa.gov

http://photojournal.jpl.nasa.gov/gallery/snt

http://mars1129.edusite.r