VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Человек в космосе: защита от радиации

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хисамов Г.Р. 1Машовец Е.А. 1Зырянов В.А. 1Свирид Г.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Работа в формате PDF

3.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Исследование космического пространства началось и развивалось благодаря соперничеству между СССР и США на протяжении многих лет. Сейчас же, когда «холодная война» ушла в прошлое, необходимость таких дорогостоящих масштабных проектов ставится под сомнение. Тем не менее, освоение космоса не стоит на месте, а наоборот привлекает новых участников в свои бескрайние просторы возможностей и открытий. Помимо ветеранов данной области, таких как СССР, США, Китай и Европейский Союз, на сегодняшний день запуски проводит Индия, Япония, Испания и знаменитая частная компания Илона Маска – SpaceX. Какие проекты нас ожидают в будущем и какие опасности подстерегают космонавта в открытом космосе?

На эти и другие вопросы мы активно искали информацию в рамках нашего проекта.

Цель проектной работы: выделить наиболее серьезную опасность для человека при длительном пребывании в космосе, предложить способы защиты и продемонстрировать свои идеи с помощью модели на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.

Задачи проектной работы:

1. Изучить информация про исследование небесных тел с помощью планетоходов и космических станций, запущенных с нашей планеты Земля, а также узнать о первой высадке человека на небесное тело;

2. Найти информацию о космических проектах будущего в нашей стране и других странах мира;

3. Узнать о главных опасностях для человека в космосе, которые могут помешать космонавтам свободно передвигаться в космическом пространстве;

4. Выделить проблему сильной радиации как наиболее опасную для здоровья человека;

5. Предложить способы защиты человека от радиации в космическом пространстве;

6. Рассказать свои идеи эксперту и выслушать его мнение;

7. Смоделировать демонстрационную конструкцию для наглядного представления способов защиты человека от радиации в космосе и на поверхности Луны.

В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: ФБ.ру (http://fb.ru), Википедия (https://ru.wikipedia.org), Популярная механика (https://www.popmech.ru) и другие. При создании проекта мы руководствовались знаниями, полученными на занятиях «Основы робототехники», «Мир робототехники» и «Соревновательная робототехника» в школе интеллектуального развития «Мистер Брейн» в городе Тюмени. [1] При конструировании робота нам помогли наши предыдущие разработки и проекты по изучению зубчатых передач [2, 3], при создании программ мы использовали информацию из

Глава 1. Космические проекты прошлого

Знаковый полет Юрия Гагарина 50 лет назад – это не только точка отсчета в покорении человеком космоса. Первый полет человека вокруг Земли положил начало грандиозной космической гонке двух держав – СССР и США.

2.1Первый луноход

2 января 1959 года в Советском Союзе был осуществлен запуск ракеты, которая вывела на траекторию полета к Луне автоматическую межпланетную станцию "Луна-1". (Приложение, Рисунок 1) Это первое устройство, которое достигло второй космической скорости. 13 сентября 1959 стартовала автоматическая межпланетная станция "Луна-2". В отличие от первой, она достигла небесное тело, а также доставила туда вымпел с изображением герба СССР. Менее чем через месяц в космос была выпущена третья автоматическая межпланетная станция. Ее вес составлял более 200 килограммов. На ее корпусе располагались солнечные батареи. В течение получаса станция при помощи встроенной фотокамеры автоматически сделала более 20 снимков Луны. Благодаря этому человечество впервые увидело обратную сторону естественного спутника. Именно в октябре 1959 года люди узнали, какая Луна на самом деле. [5] Первым самоходным аппаратом на Луне стал советский "Луноход-1". Его запустили в 1970 году, управляли по радио, с Земли. Эта посудина, напоминавшая чугунную ванну с антенной и на колёсах, стала первым рукотворным объектом, передвигавшемся по Луне. (Приложение, Рисунок 2)

Первая лунная станция, которая привезла реголит на Землю была Луна-16. Запуск 12.09.1970 Посадка 20.09.1970 в районе Моря Изобилия. Забор лунного грунта 24.09.1970 первая в мире доставка на Землю образцов грунта с другого небесного тела (Приложение, Рисунок 3).

2.2 Полет человека на Луну

Первым серьезным успехом американцев стал пилотируемый облет вокруг Луны на аппарате "Аполлон-8" в 1968г. 20 июля 1969 года, командир экипажа Нил Армстронг и пилот Баз Олдрин посадили лунный модуль корабля в юго-западном районе Моря Спокойствия. Они оставались на поверхности Луны в течение 21 часа 36 минут и 21 секунды. Всё это время пилот командного модуля Майкл Коллинз ожидал их на окололунной орбите. Астронавты совершили один выход на лунную поверхность, который продолжался 2 часа 31 минуту 40 секунд. Первым человеком, ступившим на Луну, стал Нил Армстронг (Приложение, Рисунок 4), через 15 минут к нему присоединился Олдрин. Астронавты установили в месте посадки флаг США (Приложение, Рисунок 5), разместили комплект научных приборов и собрали 21,55 кг образцов лунного грунта, которые были доставлены на Землю. [6]

Глава 2. Космические проекты настоящего и будущего

«Орион»- это частично пилотируемый многоразовый корабль(2020 год);

Спутник JUICE отправится к Юпитеру в 2022 году;

Первых полет NASA планирует отправить к красной планете в 2030 году;

Отправка на спутник Сатурна - Энцелад легкого паукообразного планетохода (NASA);

Mercury Transfer Module-орбитальная станция ,прибытие в район Меркурия ожидается в 2021 году;

Также ,человек планирует изучить солнце аппаратом Solar Probe Plus;

Космический корабль «Федерация». Этот корабль заменит корабль «Союз»2023г. Испытания2026г. Беспилотный облёт Луны 2030г. Доставка космонавтов на поверхность Луны.

Глава 3. Опасности для человека при высадке на Луну

Земля — уникальная колыбель всего живого. Защищенные ее атмосферой и магнитным полем, мы можем не думать о радиационных угрозах, кроме тех, что творим собственными руками. Однако все проекты освоения космоса — ближнего и дальнего — неизменно упираются в проблему радиационной безопасности. Космос враждебен жизни. Нас там не ждут. [7] Для того, чтобы узнать какие опасности ждут космонавта при высадке на Луну мы отправились на выставку «Космодрайв» в г. Тюмень. (Приложение, Рисунок 6), Пообщавшись с экскурсоводами (Приложение, Рисунок 7) мы выяснили, что главные опасности при высадке на Луну это: радиация, большие перепады температур, очень маленькое притяжение и лунная пыль. Давайте рассмотрим их более подробно.

3.1 Притяжение

Чем больше планета или звезда, тем сильнее притягивает она другие небесные тела. Масса Луны гораздо меньше массы Земли, и притяжение на Луне составляет всего лишь одну шестую часть земного; это означает, что человек на Луне весит в шесть раз меньше, чем на Земле. (Приложение, Рисунок 8) Когда астронавты впервые оказались на поверхности Луны, в условиях низкой гравитации им нужно было научиться ходить по-особенному. Именно поэтому они так смешно подпрыгивают, передвигаясь по лунной поверхности (Приложение, Рисунок 9). Если бы они пошли обычным "земным" шагом, они бы просто подлетели вверх или упали, что не раз случалось. [8]

3.2. Радиация

Одним из основных негативных биологических факторов космического пространства, наряду с невесомостью, является радиация. Но если ситуация с невесомостью на различных телах Солнечной системы (например, на Луне или Марсе) будет лучше, чем на МКС, то с радиацией дела обстоят сложнее.

По своему происхождению космическое излучение бывает двух типов. Оно состоит из галактических космических лучей и тяжелых положительно заряженных протонов, исходящих от Солнца. Эти два типа излучения взаимодействуют друг с другом

Наша планета защищена от солнечного ветра магнитным полем. (Приложение, Рисунок 10) Несмотря на это, часть заряженных частиц достигает атмосферы. В результате возникает явление, известное как полярное сияние. Высокоэнергетические галактические космические лучи почти не задерживаются магнитосферой, однако они не достигают поверхности Земли в опасном количестве благодаря ее плотной атмосфере. [9] На Луне нет атмосферы, поэтому космонавты будут подвержены обоим типам радиации.

3.3. Температура

Температура на Луне экстремальная: от кипящей жары до морозного холода, в зависимости от того, где светит Солнце. Луне нужно 27 дней, чтобы обернуться вокруг своей оси. Потому любое место на ее поверхности находится под Солнцем 13 дней, а затем остывает 13 дней во тьме. Когда солнечный свет попадает на поверхность Луны, температура может достигать 120- 127 °C. После захода солнца она может опуститься до минус 160- 173 °C (Приложение, Рисунок 11). На Луне есть кратеры вокруг Северного и Южного полюсов, внутрь которых никогда не попадет солнечный свет. Там всегда жуткий холод -153. Инструмент Diviner на зонде НАСА LRO определил, что температура в кратерах на южном полюсе Луны составляет минус 238 °C и минус 247 °C в кратере на северном полюсе. [10]

3.4. Лунный грунт

Всюду, где совершали посадки космические аппараты, Луна покрыта так называемым реголитом. Это разнозернистый обломочно-пылевой слой толщиной от нескольких метров до нескольких десятков метров. Он возник в результате дробления, перемешивания и спекания лунных пород при падениях метеоритов и микрометеоритов. Лунный грунт содержит в себе большое количество химических микроэлементов. Среди них кремний, кислород, железо, титан, алюминий, кальций и магний. (Приложение, Рисунок 11).

После миссий «Аполлон» учёные узнали, что лунный грунт представляет угрозу для человека Известно, что так называемые пылевые бури активизируются раз в две недели. Ученые также доказали, что регулярное вдыхание лунной пыли может привести к серьезным заболеваниям. На поверхности легких существуют специальные волокна, на которых собирается вся пыль. В дальнейшем организм избавляется от нее при помощи кашля. Стоит отметить, что слишком маленькие частицы не прикрепляются к волокнам. Организм человека не адаптирован к негативному воздействию лунной пыли из-за ее небольшого размера.

Негативное воздействие пыли, которая создает бури на поверхности естественного спутника, подтвердила лунная экспедиция "Аполлон 17". Один из астронавтов, который входил в ее состав, спустя некоторое время, проведенное на Луне, начал жаловаться на плохое самочувствие и лихорадку. Было установлено, что ухудшение состояния здоровья было связано с вдыханием лунной пыли, которая оказалась на борту вместе со скафандрами. Из-за того, что лунный грунт наэлектризован, он прилипает почти ко всем посторонним поверхностям, включая посадочные модули. [11]

Глава 4. База GateWay – старт в открытый космос

Экскурсовод на выставке «Космодрайв» также рассказал очень интересную информацию про скорый проект будущего – базу GateWay. проект Gateway - это Шлюз, который будет летать вокруг орбиты Луны NASA планирует запустить шлюз в 2020-х годах (Приложение, Рисунок 13). Шлюз Gateway будет находится на расстоянии 1500 километров от лунной поверхности. [12]

Шлюз будет состоять из:

1.Силовой модуль, обеспечивающий шлюз электроэнергией

2.Жилой модуль

3.Шлюзовый модуль

База GateWay не только необходима для исследования Луны, но и для возможности старта космическим станциям и кораблям в открытый космос на другие планеты и спутники.

Глава 5. Скафандр – главная защита космонавта

Скафандр – это специальный костюм, который полностью закрывает тело человека, чтобы защитить его от вредного воздействия окружающей среды. Костюм скафандра способен защитить космонавта от очень высоких и очень низких температур. Как известно, в космосе температура может колебаться от – 130 до + 140 градусов по Цельсию. Поэтому костюмы изготовлены из специальных материалов, которые плохо проводят тепло и состоят из множества слоев. (Приложение, Рисунок 14). Современный космический скафандр представляет собой маленький автономный космический аппарат, в котором космонавт может проводить до 10 часов в сутки в открытом космосе. [13]

Глава 6. Способы защиты космонавта от радиации

Радиационное излучение в космосе — это поток заряженных и незаряженных частиц и электромагнитного излучения. Ионизирующая радиация поражает клетки кроветворных тканей и костного мозга (Приложение, Рисунок 15). [14]

Мы рассмотрели несколько способов защиты:

1. Стратегия NASA - повышение радиорезистентности человека

- Лекарственная терапия

- Генная инженерия

- Технология гибернации

2. Наши предложения по защите от радиации:

- Терраформирование —

это изменение климатических условий планеты, спутника или же иного космического тела для приведения атмосферы, температуры и экологических условий в состояние, пригодное для обитания земных животных и растений

- Построение лунных баз в пещерах

Лунные пещеры образовывались от ударов метеоритов в тот момент, когда Луна была еще мягкой планетой. Пещеры глубокие, защита от радиации благодаря металлическому составу верхних слоев лунной поверхности

- Создание искусственного магнитного поля

Итак, небольшие искусственные дыры в солнечном ветре — это всё необходимое, чтобы люди могли безопасно путешествовать к нашим ближайшим соседям (на Луну и Марс, Приложение, Рисунок 16). [15] Но до появления полномасштабных магнитных щитов, пригодных для установки на корабли, пройдёт ещё 10-15 лет. Нерешённые проблемы для установки генератора искусственного магнитного поля: Каков будет вес? Надёжно ли? Контроль установки/

К тому же существует выбор между вариантом монтажа магнитоплазменной защиты на самом корабле или на целом созвездии миниатюрных станций сопровождения, раскрывающих «зонтик» над пилотируемым аппаратом, когда это необходимо. Раньше учёные полагали, будто генератор магнитного щита для межпланетного корабля окажется по размеру и массе едва ли не больше самого защищаемого звездолёта. Но всё же пока он не столь маленький.

Глава 7. Встреча с экспертом и оценка проекта

Наши исследования, теории и изобретения мы рассказали специалисту Угренинову Виталию Андреевичу, который является главным инженером обсерватории «Старая башня», с.Червишево. (Приложение, Рисунок 17).

Он внимательно нас выслушал и сделал следующие замечания и корректировки.

1. Все проекты будущего, которые мы рассмотрели, действительно скоро планируются к реализации

2. Постройка лунных баз в пещерах- это реальный способ защиты от радиации

3. Терраформирование возможно, но только очень в далёком будущем, при возможном создании атмосферы: при наличии воды и благоприятным температурным фоне

4. Искусственное магнитное поле - лучшая идея защиты от радиации

5. При помощи гибернации невозможно защититься от радиации

6. Генная инженерия- это уже отклонения от нормы, такое существо будет уже сложно назвать человеком.

Глава 8. Создание проекта «Защита от радиации в окололунном пространстве»на базе конструктораLegoMindstormsEV3

После одобрения экспертом наших идей, мы решили сконструировать наглядную модель из Lego Mindstorms EV3, которая продемонстрирует два способа защиты от радиации:

создание искусственного магнитного поля вокруг окололунной базы GateWay

Создание базы внутри пещеры.

Создание нашего демонстрационного проекта проходило в несколько этапов:

- Создание эскиза модели и моделирование опорной части и поверхности Луны из фанеры;

Согласно эскизу нашей модели, ширина горизонтальной части и её глубина равны 55 см, высота демонстрационной стенки примерно равна 60 см, диаметр будущей базы-пещеры на Луне 20 см, высота нижнего лунного короба 15-20 см.

- Покраска опорной части и поверхности Луны, создание «электромагнитного» полупрозрачного купола из шерстяных ниток, как видимой защиты от радиации с помощью искусственного магнитного поля;

- Конструирование окололунной базы GateWay и установка её на вертикальную опору (механизмы конструкции представлены на Рисунке 18 в Приложении);

Для создания искусственного магнитного поля необходим генератор магнитного поля. Для успешной демонстрации этого мы отталкивались от того, что переменное электрическое поле создает переменное магнитное поле. Поэтому мы создали модель катушки из конструктора лего – желто-синие ряды, в одном из которых демонстрируется движение заряженных частиц – светодиодов. Движение светодиодам передается большим мотором через понижающую передачу.

- Конструирование базы на поверхности Луны в лунной пещере с автоматическим входным люком, запуск и отладка программы (механизмы конструкции представлены на Рисунке 19 в Приложении);

Доставка в глубокие лунные пещеры первых лунных экипажей длительного пребывания – это сложная задача. Мы создали автоматический въезд в пещеру по ультразвуковому датчику. Вход в пещеру преграждает пластина, которая после обнаружения лунохода ультразвуковым датчиком опускается вместе с горизонтальной пластиной, на которой стоит луноход, и эти пластины превращаются в ровный спуск в лифт пещеры. Обе пластины поворачиваются от одного среднего мотора но посредством раных зубчатых передач. Вертикальная пластина (передаточное число от мотора 1/5=0,2) опускается в 4 раза быстрее горизонтальной пластины (передаточное число от мотора 2/25=0,8). После того, как луноход попадает в лифт, вход в пещеру закрывается и лифт спускает лунный экипаж глубоко внутрь пещеры Луны, где люди будут защищены от радиации. При необходимости выхода на поверхность, лифт активируется с помощью кнопки датчика касания и поднимет экипаж вверх на поверхность Луны, вход в пещеру опускаетс и луноход по пластинам выезжает на поверхность.

Программа и проект в целом представлены в Приложении, Рисунок 20, Рисунок 21.

Заключение

При изучении информации о планетоходах и станциях прошлого и настоящего, мы выделили наиболее значимые: Луноход -1 прошел больше других планетоходов и стабильно передавал информацию, Станция Луна -16, первая станция, которая взяла пробы лунного грунта и привезла на Землю.

Одним из главных проектов будущего является построение окололунной базы GateWay. Она необходима как промежуточная пристань для космических кораблей. Именно с этой базы будет осуществляться в будущем старт всех кораблей в бесконечный космос. С построением такой базы возникнет потребность её обслуживания космонавтами. Главная опасность на Луне и окололунном пространстве является сильная радиация, солнечная и галактическая. На Земле нас защищает от радиации атмосфера и естественное магнитное поле Земли, даже на МКС эта защита ещё работает. Единственный способ защиты космонавта от всех опасностей в открытом космосе является скафандр, но он защищает не более 10 часов.

Мы изучили эту проблему и выделили следующие способы защиты от радиации: лекарственная терапия, генная инженерия, технология гибернации, терраформирование, построение лунных баз в пещерах, создание искусственного магнитного поля. По мнению эксперта, два последних способа наиболее реальны к осуществлению в ближайшем будущем. Мы успешно продемонстрировали эти два способа с помощью нашего проекта «Защита от радиации в окололунном пространстве».

Список используемой литературы:

Курс "Машины и механизмы", курс "Основы робототехники", курс "Мир робототехники" Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн", - Режим доступа : https://vk.com/mrbrain_tmn

Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// "Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании": материалы VII Международной научно-технической конференции 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

Богданова С.М Механические передачи: От игры к реальности / С.М. Богданова // XIX Всероссийский детский конкурс научн.-иссл. и творческих работ "Первые шаги в науке" : сборник тезисов.- М.: НС Интеграция, Государственная Дума ФС РФ, Минобрнауки России.- 2017.- С. 726-727.Режим доступа:

http://integraciya.org/sborniki/pshn/PShN-2017-1.pdf

Вязов С.М., Калягина О.Ю., Слезин К.А. Соревновательная робототехника: приемы программирования в среде EV3: учебно-практическое пособие. – Москва: Издательство «Перо», 2014. – 132 с.;

Интернет источники:

http://fb.ru/article/254605/poslednie-issledovaniya-lunyi-kak-nazyivaetsya-lunnyiy-grunt

https://ru.wikipedia.org/wiki/Аполлон-11

https://www.popmech.ru/technologies/385422-kosmicheskaya-radiaciya-chto-eto-takoe-i-opasno-li-dlya-cheloveka/

https://www.e-reading.club/chapter.php/129838/16/Koreiivo_-_Na_kosmicheskom_korable.html

http://kosmolenta.com/index.php/683-2015-08-05-space-radiation

http://o-kosmose.net/luna-estestvennyiy-sputnik-zemli/temperatura/

http://fb.ru/article/254605/poslednie-issledovaniya-lunyi-kak-nazyivaetsya-lunnyiy-grunt

https://nauka-novosti.ru/blog/43236639891/Lunnaya-baza-Gateway:-oshibka-NASA-ili-buduschee-osvoeniya-kosmo?nr=1

https://rostec.ru/analytics/10/

http://www.vbega.ru/book/e2e224ed.html

http://www.membrana.ru/particle/3298

Приложение