VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

АРС ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ НА КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гончаренко А.С. 1Гончаренко Р.С. 1

---

1МКОУ Ясенковская СОШ

Гончаренко Е.М. 1

---

1МКОУ Ясенковская СОШ

Работа в формате PDF

432.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Современный человек привык купаться в благах цивилизации. Изделия из композитных материалов, спутниковая связь, медицинские препараты, полученные химическим путем – всего не перечислишь. Эти удобства стали для нас, пожалуй, слишком привычными. «Слишком», потому что мы не задумываемся о природе их происхождения. На самом деле, жители 21 тысячелетия – эры третьей технической революции - живут в период высочайшего риска: с одной стороны мы высокоразвитая цивилизация, с другой стороны, у нас нет «завтра». Нет «завтра» - значит, нет будущего. Почему? Потому что все наши технические достижения и бытовые удобства напрямую зависят от полезных ископаемых¹, а их ресурсы катастрофически убывают. Поэтому, для того чтобы у человечества было третье и четвертое тысячелетие, чтобы наконец-то появилось высокоразвитое поколение Миллениума, мы обязаны сегодня найти пути решения дополнительной добычи полезных ресурсов.

Логично, что решение проблемы дефицита ПИ, человечество будет искать путем освоения космических недр. Сегодня доподлинно известно, что астероиды, кометы, планеты и другие тела Солнечной системы богаты так необходимыми нам полезными ресурсами: железом, никелем, магнием, кобальтом, титаном, драгоценными и редкоземельными металлами и минералами.

Следовательно, космические богатства для человечества – это дополнительный источник ПИ.

Сама формулировка «дополнительная добыча полезных ресурсов», на мой взгляд, несколько не этична. Потому что активная деятельность человека в этом направлении на Земле повлекла за собой необратимые процессы в литосфере, атмосфере, водной среде, в животном и растительном мире. Получается, что, изрядно навредив своей планете, мы ищем новые пространства для последующей столь же разрушительной деятельности? Хочется верить, что все не так, и люди сделали выводы из допущенных ошибок и неудач.

Наша страна много внимания уделяет решению экологических проблем: строятся очистительные и перерабатывающие заводы, открываются заповедники и т. д. Но все же есть и нерешаемые глобальные экологические проблемы. Поэтому, я очень надеюсь, что прежде чем человек в промышленных масштабах начнет добывать ПИ в космическом пространстве, он учтет все риски, и космосу, после активной человеческой деятельности, не будут грозить глобальные проблемы, как нашей родной планете Земля.

Сколько времени на освоение новых территориальных воздушных пространств есть у человечества? На этот вопрос нет точного ответа. Ясно одно, чем меньше времени, тем актуальнее рассматриваемая мною проблема.

Нас очень интересуют проблемы развития космической промышленности. Уже сегодня понятно, что для развития космической промышленности недостаточно одного корабля и даже межпланетной флотилии, нужна целая космическая промышленная инфраструктура. Так как космическая среда для человека не естественна, элементы космической инфраструктуры должны быть роботизированными.

Цель исследования: разработать на платформе робототехнического конструктора Lego Mindstorms Ev3²экспериментальный макет АРС добычи и переработки ПИ на космических объектах.

Объект исследования: добыча ПИ на астероидах.

Предмет исследования: способы добычи ПИ на астероидах – экспериментальная модель АРС.

Гипотеза: строительство и развитие промышленной инфраструктуры для добычи ПИ на астероидах возможно.

Задачи:

1. Выяснить какие космические тела имеют в своем составе интересующие нас компоненты.

2. Изучить существующие АРС добычи и переработки ПИ на космических объектах.

3. Рассмотреть возможности робототехничекского конструктора Lego Mindstorms Ev3 для создания экспериментального макета АРС добычи и переработки ПИ на космических объектах.

3. Создать экспериментальный макет АРС добычи и переработки ПИ на космических объектах.

4. Подвести итоги работы и сделать выводы, наметить перспективы.

Методы исследования: анализ, изучение, обобщение теоритических источников, описание, моделирование, эксперимент, прогнозирование.

Теоретическая значимость исследования заключается в том, что идея создания промышленной инфраструктуры очень актуальна и может быть использована ведущими специалистами ракетно-космической отрасли.

Практическая значимость исследования достаточно высока: в результатах реализации проекта АРС заинтересовано большое количество людей; внедрение в практику с точки зрения экономики целесообразно.

Уровень проработки и детализации исследовательской работы соответствует поставленным выше задачам и не предполагает использование результатов исследования в качестве конструкторской документации; представленный экспериментальный макет может являться лишь основой для более детальной проработки темы.

I. Теоретическая часть.

Глава 1. Анализ космических тел с точки зрения перспективности

по добыче ПИ.

К космическим телам относятся: планеты, астероиды, звезды, кометы…

Выясним, какие космические тела более пригодны для добычи ПИ.

Меркурий богат почвой, содержащей большое количество Гелия 3. Этот изотоп гелия является источником альтернативной энергии. Ученые предполагают, что в недрах Меркурия присутствуют залежи серы, руды и магния. Температура на планете может падать до -200 гр., что делает эту планету недосягаемой для человека в плане добычи ПИ.

На Венере много висмута и свинца. Но периодические сернокислотные дожди и температура +500 гр. еще не скоро позволят человечеству воспользоваться ее природными ресурсами.

Красная планета – Марс - очень похожа на Землю. Есть железо, медь, золото, возможно присутствие воды. Для добычи ПИ необходима колонизация планеты.

Возможно, другие планеты Солнечной системы тоже содержат ПИ, но сегодня это мало изучено.

Сложившаяся в мире экологическая ситуация – еще один повод для освоения космических просторов – нужно искать новое место для жизни. Процесс колонизации неизбежен, сегодня это уже не гипотеза, это аксиома. Но стоит ли добывать ПИ там, где человечество планирует дальнейшее проживание? Не повлечет ли это возникновение глобальных экологических проблем, которые сегодня угрожают нашей жизни на Земле? Чтобы избежать подобного риска, мы предлагаем заниматься добычей ПИ на других небесных телах, например, на астероидах. Кроме того, астероиды являются одними из самых доступных для промышленного освоения тел.

Таким образом, можно сделать вывод: астероиды наиболее перспективные для добычи ПИ космические тела.

Глава II. Уровень развития АРС добычи и переработки ПИ на космических объектах в современном мире.

Большинство из известных и наиболее доступных для промышленной разработки астероидов находится в так называемом Главном поясе астероидов³, находящемся между орбитами Марса и Юпитера, на среднем расстоянии от Земли в 1,2 а.е.

В результате длительных исследований ученые составили Каталог астероидов, в котором содержится перечень из трёхсот (и даже больше) небесных тел, принадлежащих поясу, где уже подтверждены запасы многих элементов редкоземельной группы таблицы Менделеева и водосодержащих минералов. В таблице представлены некоторые из них.

На сегодняшний день существует три варианта добычи ПИ на астероидах: 1. Добыча сырья и доставка его для последующей переработки.

2. Переработка сырья прямо на месте добычи и транспортировка полученного материала. 3. Буксировка (перемещение) астероида на безопасную орбиту между Луной и Землей, для добычи ПИ.

Наиболее перспективным, на наш взгляд, является переработка сырья прямо на месте добычи и транспортировка полученного материала. Для реализации этого способа необходимо дополнительное специализированное оборудование, способное работать в условиях открытого космоса. Если говорить о промышленном производстве, нужно учитывать, что производство – это не отдельный космический корабль или специализированная установка. Производство – это промышленный комплекс, включающий в себя несколько типов оборудования в разном количестве.

Каким должно быть космическое оборудование? Все зависит от физических характеристик астероидов. Выделим главные: малое гравитационное ускорение (значит, есть риск улететь в открытый космос); отсутствие магнитного поля; отсутствие атмосферы.

Отсутствие атмосферы означает, что человеческое управление промышленным комплексом, скорее всего, будет невозможно. Следовательно, процесс добычи полезных ископаемых на астероидах должен быть роботизированным. Но прежде чем запустить работу промышленного комплекса, его нужно доставить и разместить на астероиде. Для решения этой проблемы очень привлекает концепция самовоспроизводящихся машин⁴. Но пока эта технология освоена человеком только в фантастических фильмах. В реалии в современном мире есть три перспективных лидера в области основания и развития космической промышленности.

В России, для реализации начального этапа промышленного освоения астероидов, в данный момент конструкторы работают над созданием «межпланетного транспортного модуля с электрической двигательной установкой»⁵

Исходя из представленного ведущими специалистами «Научно-производственного объединения имени С.А. Лавочкина» проекта, инновационный транспортный модуль будет состоять из «двигательной установки, топливных баков, систем жизнеобеспечения, связи и стыковки. Дополнительно модуль может быть оснащен устройствами для причаливания и швартовки к астероиду, механизмами для крепления горнодобывающего комбайна, контейнерами для перевозки руды и спускаемыми аппаратами для «сброса» ресурсов на Землю»⁶

Американская компания Planetary Resources, возглавляемая канадским бизнесменом Эриком Андерсоном, намерена использовать «роботизированные космические аппараты для «выжимания» из горных пород химических компонентов топлива и минералов, таких как платина и золото»⁷.

Также частная американская компания Deep Space Industries занимается проектированием имитаторов регалитовых астероидов, которые будут использоваться в наземных испытаниях добычи и переработки полезного сырья разных типов. Сегодня представлен первый спутник-прототип Prospector-X.

II. Практическая часть

Глава 1. Описание проекта по созданию экспериментальной модели АРС добычи и переработки ПИ на астероиде.

Мы представляем свой проект экспериментального макета АРС добычи и переработки ПИ на космических объектах, а именно, на астероидах.

Представленный макет есть промышленный комплекс, своеобразная фабрика, инфраструктура, состоящая из трех типов перерабатывающего оборудования. Так как наш комплекс является роботизированным, я воспользовался робототехническим конструктором Lego Mindstorms Ev3.

Комплектующие составляющие конструктора Lego Mindstorms: микроконтроллер, стандартные детали (колеса, балки, шестерни, оси и т.д.) вполне позволяют собрать и запрограммировать экспериментальный макет интересующего меня оборудования.

Из приведенной выше таблицы видно, что на астероидах содержится вещества трех типов: жидкие, твердые и газообразные. Поэтому в представленном промышленном комплексе будет присутствовать три типа оборудования или мини установок: для добычи и переработки жидкого, твердого и газообразного сырья.

Каждая мини установка имеет прямоугольную форму и состоит из нескольких деталей. Все детали выполнены из современных композитных материалов, что обеспечивает высокую прочность и малый вес конструкции.

Каждая деталь, являющаяся внешней (т.е. соприкасающаяся с окружающей радиационной средой), покрыта специальным материалом, который пропускает солнечную энергию, но не пропускает радиацию. Например, можно покрыть детали тонким слоем свинцового порошка или толстого, но облегченного стекла с прослойкой геля.

Освещение установки, работа двигателей, фильтров, насосов, компрессоров, вентиляции оргтехники будет использоваться электричество. Электричество вырабатывают обычные солнечные панели, а когда астероид находится в темной зоне, автоматически активируется лазерная зарядка со спутника-электростанции. Лазерный луч принимается с помощью купола, покрытого фотоэлектрическими приемниками на основе арсенида галлия, способными преобразовать в электричество до 40-70% энергии излучения.

Доставка оборудования на астероид будет осуществляться благодаря специальному автоматизированному кораблю-тягачу. Нужно учитывать, что из-за слабой гравитационной силы достаточно даже небольшого импульса, для того, чтобы установка улетела в открытый космос, значит, все оборудование должно быть надежно закреплено.

Мы предлагаем следующее решение этой проблемы. Каждую часть промышленного комплекса следует оборудовать специальным крюком-гарпуном. Крюк-гарпун позволит состыковаться с астероидом и закрепиться. После первичной стыковки последует полная стыковка. Полная стыковка сделает установку недвижимой.

В нижней части установки есть специальные буры-болты, работающие по принципу дюбеля. Буры-болты состоят из специальных колец, собранных по технологии матрешки. Самое первое и самое маленькое кольцо оснащено буром.

Все элементы установки имеют выдвижные кулисы: последовательно часть за частью элементы встают на свое место. Появляются стенки, секции, крыша. На верхней панели (крыше) есть выдвижные солнечные батареи, их площадь зависит от необходимого установке количества электричества.

Грузовой отсек или склад оборудован специальным переносным контейнером. В этот контейнер будет поступать переработанное промышленное сырье для дальнейшей транспортировки.

В зависимости от свойства сырья изменится тип контейнера, потому что жидкое и газообразное вещество нельзя транспортировать одинаковым способом.

Центральная часть установки – это само перерабатывающее роботизированное устройство.

В переднем отсеке находятся роботы-добытчики, оборудованные прочными бурами, насосами, конвейерами. Роботы–добытчики – мобильные устройства, свободно перемещающиеся по поверхности астероида. Способ передвижения – гусенично-колесный. И гусеницы, и колеса покрыты тонким слоем магнитных присосок. Если астероид содержит металлы – срабатывает магнит, если не содержит металлы, срабатывают присоски.

Робот-добытчик состоит из передвигающейся платформы, блока управления, кузова и добывающей установки. Для твердых веществ – бур, магнит (если руда лежит на поверхности) и ковш; для жидких – насос, помпа, рукав; для газообразных – рукав-труба, цистерна, колба.

Глава 2. Программирование отдельных модулей разных типов, составляющих экспериментальную модель АРС добычи и переработки ПИ на астероиде.

Программа производственной деятельности каждого типа оборудования представлена в следующей программе:

Работа всего промышленного комплекса циклична. Предположим, на точке Лагранжа Марса находится Центр управления и накопители. В Центре управления контролирующую и направляющую функцию выполняет человек. При помощи специального радара человек обнаруживает запасы того или иного типа полезных ископаемых. Промышленный комплекс на выбранном астероиде уже смонтирован и готов к запуску производства. Человек-оператор подает сигнал на нужный модуль производственного комплекса. Например, если обнаружен реголит, значит нужно активировать модуль для добычи твердых веществ. Когда модуль активирован, его дальнейшие действия заключены в следующем алгоритме: выехал-добыл-вернулся.

После переработки итоговый продукт попадает в третий отсек - грузовой, представляющий собой специальный контейнер. Если контейнер полный, срабатывает датчик готовности на Центральном пункте управления. Тягач с пустым идентичным контейнером отправляется за грузом. На этом цикл завершен. В случае возникновения ЧС человек из Центра управления может корректировать действия отдельных модулей промышленного комплекса.

Важно продумать способность модулей промышленного комплекса к самоуничтожению после выполнения своей миссии. Но для этого нужно учесть множество факторов, главное – не навредить Вселенной, не нарушить естественных процессов, НЕ запустить процесс самоуничтожения всей Солнечной системы.

III. Заключение.

Мы увлекаемся фантастикой и знаем, что в далеком 1898 году американский фантаст Гарретт Сервисс представил роман-пророчество «Эдисоновское завоевание Марса». Именно в этом романе впервые говорилось о возможности добычи ПИ на астероидах. В 2018 году это уже не фантастика, это перспективная область космической отрасли.

В своем исследовании мы попытались представить один из возможных вариантов добычи ПИ в космическом пространстве.

Цель исследования достигнута, поставленные задачи решены. Проектирование и программирование АРС добычи и переработки ПИ на астероиде представлено в виде экспериментальной модели.

Итоги подведены, выводы сделаны. В заключение, в качестве перспективного планирования, нам еще раз хотелось бы напомнить о рисках добычи ПИ на астероидах. В научной, как и в промышленной, деятельности, всегда есть риски, преимущества, недостатки. Добыча ПИ на астероидах не исключение. Преимущества: близкое расстояние от Земли; астероиды содержат необходимые человечеству ПИ. Недостатки: малое гравитационное ускорение; возможность столкновения с другим космическим объектом.

Главное правило, которое человечество обязано соблюдать в целях сохранения своей цивилизации: не навредить, не разрушить существующую естественную космическую систему.

С этой целью в 1967 году СССР, Великобритания и США подписали очень важный документ - Договор о космосе. Этот документ – основа международного космического права, он регламентирует правила поведения и допустимые действия в космическом пространстве. Сегодня участников этого соглашения более ста, а появившиеся космические проблемы, например, такие как космический мусор, растут ускоренными темпами. Вывод: положения Договора выполняются недобросовестно.

Но космос нужно обязательно нужно сохранить как единственную возможность продолжения жизни для человека!

Нам очень нравится высказывание американского инженера-изобретателя Чарльза Франклина Кеттеринга: «Я интересуюсь будущим, потому что собираюсь провести там всю свою оставшуюся жизнь». Космос – это и есть будущее человека. Использовать космические ресурсы нужно осторожно, чтобы не разрушить свое будущее.

Данная работа важна, и мы будем продолжать изучать и совершенствовать экспериментальную модель АРС для добычи ПИ на астероидах.

Мы верим, что уже в ближайшем будущем человечество осуществит пилотный проект АРС по добыче ПИ на астероидах, ведь от этого зависит жизнь и судьба целой цивилизации.

Использованная литература

1) А. Григорьев, Ю. Винницкий. Игровая робототехника для юных программистов и конструкторов: Издательство: BHV, 2018.

2) Д. Колосов.  Технология. Робототехника. 5 класс. Учебное пособие. Издательство: Бином. Лаборатория знаний, 2017
3) Д. Колосов.  Технология. Робототехника. 6 класс. Учебное пособие. Издательство: Бином. Лаборатория знаний, 2017.

4) Корягин. Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов. Издательство: ДМК Пресс,  2016.
5) А.Д. Овсяницкий, Д.Н. Овсяницкий, Л. Ю. Овсяницкая. Курс конструирования на базе платформы Lego Mindstorms EV3. Издательство: Перо, 2018.
6) https://vz.ru

7) https://www.bbc.com/news/science-environment-17827347

8) https://ru.wikipedia.org/