VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Колония на Луне
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Луна – наш единственный спутник. Тем не менее, несмотря на свою относительную близость к нам и кажущуюся простоту, он продолжает скрывать немало интересных тайн. Луна все больше привлекает к себе внимание учёных, инженеров и экономистов, прикидывающих различные варианты использования ее в дальнейшем изучении и освоении космоса.
Актуальность темы:
Исследование Луны является актуальной проблемой в наше время. Добыча природных запасов на Земле затрудняется с каждым годом. По прогнозам учёных в ближайшем будущем человечество вступит в сложный период. Земная среда обитания исчерпает свои ресурсы, поэтому уже сейчас необходимо начинать осваивать ресурсы других планет и спутников. Луна, как ближайшее к нам небесное тело станет первым объектом для внеземного промышленного производства. Создание лунной базы, а затем и сети баз, планируется уже в ближайшие десятилетия. Из лунных пород можно извлекать кислород, водород, железо, алюминий, титан, кремний и другие полезные элементы. Поэтому можно выдвинуть следующую гипотезу: «Луна не только является одним из важнейших факторов зарождения, эволюционного развития и поддержания жизни на нашей планете, но и может способствовать прогрессу человечества».
Цель исследования: изучение возможности жизни на Луне, изучить перспективы использования лунных ресурсов во благо человечества.
Задачи:
Найти информацию о Луне, как о небесном теле;
Изучить лунную "действительность": выбор места поселения, изучение возможности добычи воды и кислорода;
Собрать из конструктора LEGO WeDo модель, которая позволит наглядно продемонстрировать изучение лунной поверхности.
В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: учебно-методические материалы для учителей (http:// weburok.com/); интернет энциклопедию(http://gatchina3000.ru); Википедия (https://ru.wikipedia.org). При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [2], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [1,3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [4]
Глава 1. Общие сведения о Луне
Луна, единственный естественный спутник Земли и ближайшее к нам небесное тело; среднее расстояние до Луны – 384000 километров. (Рисунок 1.1, Приложения)
Луна движется вокруг Земли со средней скоростью 1,02 км/сек по приблизительно эллиптической орбите в том же направлении, в котором движется подавляющее большинство других тел Солнечной системы, то есть против часовой стрелки. [5]
Поскольку масса Луны относительно мала, плотной газовой оболочки – атмосферы у неё практически нет. Газы свободно рассеиваются в окружающем космическом пространстве. Поэтому поверхность Луны освещается прямыми солнечными лучами. Тени от неровностей рельефа здесь очень глубоки и черны, поскольку нет рассеянного света. Да и Солнце с лунной поверхности будет выглядеть гораздо ярче. Разреженная газовая оболочка Луны из водорода, гелия, неона и аргона в десять триллионов раз меньше по плотности, чем наша атмосфера, но в тысячу раз больше, чем количество молекул газа в космическом вакууме. Поскольку Луна не имеет плотной защитной оболочки из газа, на её поверхности в течение суток происходят очень большие изменения температуры. Солнечное излучение поглощается лунной поверхностью, которая слабо отражает лучи света.[5]
Движение Луны вокруг Земли очень сложно, и его изучение составляет одну из труднейших задач небесной механики. Луна не обращается вокруг самой Земли – у них есть общий центр массы. Наш спутник служит естественным барьером против сотен метеоритов и астероидов, перехватывая их на подлете к Земле. Притяжение Луны Солнцем в 2,2 раза сильнее, чем Землёй. (Рисунок 1.2, Приложения)
Луна вращается вокруг оси, наклонённой к плоскости эклиптики под углом 88 градусов 28 минут, с периодом, точно равным сидерическому месяцу (27,32 суток), вследствие чего она повёрнута к Земле всегда одной и той же стороной. [6]
Глава 2. Освоение Луны
2.1. Первые шаги по изучению Луны
С далекой древности Луна была объектом изучения естествознания. О накоплении астрономических наблюдений античных географов говорит тот факт, что уже в те времена доказательством шарообразной формы нашей планеты служили лунные затмения, позволяющие видеть форму земной тени на Луне.
Когда в арсенале астрономов появились телескопы, у людей возникла возможность наблюдать формы рельефа на поверхности спутника Земли. А вот в 1651 году итальянский астронавт Джованни Баттиста Риччиоли впервые перенес изображение лунной поверхности на карту. (Рисунок 2.1.1, Рисунок 2.1.2, Приложения)
С изобретением фотографии в XIX веке наука сделала новый шаг в изучении Луны. Тогда появилась возможность детализировать сведения о внешнем виде спутника Земли.
Вторая половина ХХ столетия стала началом космической эпохи, когда были получены более подробные знания об этом небесном теле. Ко всему прочему, ученые исследовали состав грунта, осуществили картирование обратной, невидимой стороны Луны, установили присутствие замерзшей воды на ее внешней сфере.[7]
Все эти действия невероятным образом приближали момент, когда люди всерьез возьмутся не только за детальное изучение спутника, но и за освоение Луны.
2.2. Высадка на Луну
В 1958 году были осуществлены первые попытки СССР и США достичь верхней оболочки Луны. Автоматическая межпланетная станция «Луна-1». Это первое устройство, которое достигло второй космической скорости.
Это удалось в 1959 году межпланетной станции Советского Союза под названием «Луна-2». (Рисунок 2.2.1, Приложения) Станция впервые за всю историю космической эры достигла поверхности спутника. Позже именно станция Советского Союза запечатлела «темную сторону» спутника и произвела посадку на ее поверхность.[8]
«Аполло́н-8» — пилотируемый космический корабль в рамках американской космической программы «Аполлон», в ходе полёта которого люди впервые достигли другого небесного тела, Луны, и вышли на её орбиту.
20 июля 1969 года командир экипажа Нил Армстронг и пилот Базз 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. (Рисунок 2.2.2, Приложения) Это произошло 21 июля. Через 15 минут к нему присоединился Олдрин.
Астронавты установили в месте посадки флаг США, разместили комплект научных приборов и собрали 21,55 кг образцов лунного грунта, которые были доставлены на Землю. [9]
3.1 Освоение Луны: планы и этапы
В 2000-х годах Китай озвучил перспективные планы освоения естественного спутника. К тому же это подвигло и космических лидеров (Россию, Японию, Индию) вновь заняться лунными программами.
Сегодня изучение Луны начинают и частные компании. Именно потому и возникли реальные планы по развитию так называемого космического туризма.
Российская лунная программа составлена на перспективу с 2021 по 2040 гг.
На первом этапе (2021-2025 гг.) концепция лунных исследований предусматривает высадку на поверхность посредством лунных модулей, находящихся на автоматических космических станциях.
Следующий этап программы предполагает пилотируемые полеты (2026 г.). А также высадку людей непосредственно на поверхность Луны продолжительностью до 14 суток (после 2030 г.). Тогда же планируется возведение начальных элементов будущей лунной базы.
На третьем этапе освоения Луны Россией (после 2035 г.) предусматривается завершение постройки базы на Луне, которую можно будет посещать. А также двух обсерваторий, развитие других инфраструктурных объектов, добыча водного льда с целью создания кислородно-водородного топлива, возведение радиационных убежищ. До 2040 г. осуществится работа на окололунной орбите аппаратов навигации для создания маршрутов техники, функционирующей на Луне.
Освоение Луны заинтересовало и космическое агентство Соединенных Штатов (NASA).
Лидер мировой космической индустрии ставит перед собой амбициозную задачу реализовать пилотируемую космическую миссию на Луну. Начальную высадку американцы планируют произвести примерно через 10 лет. Мотивацией для более подробного исследования спутника служит наличие лунных минеральных ресурсов. А также, помимо высадки, планируется провести эксперимент по продолжительному нахождению космонавтов в условиях лунной среды.
Глава 3. Луна, как источник ресурсов
Мы знаем, что под нашими ногами находится многометровая толща различных пород – известняков, глин и так далее. Но на Луне все совсем по-другому. Здесь нет и не может быть осадочных горных пород. Поверхность спутника полностью покрыта смесью мелкообломочного материала и тонкодисперсной пыли, которая образовалась в результате метеоритной бомбардировки. Все это можно назвать реголитом или «лунным грунтом». Толщина этого слоя может достигать нескольких десятков метров.
На Луне нет ни атмосферы, ни органической жизни, а это значит, что на ней невозможно формирование биогенных ресурсов (нефть, уголь, природный газ). Но наш спутник богат различными металлами: железо, алюминий, титан, магний, хром, торий. Перспективным ископаемым является изотоп Гелий-3. Ученые рассматривают его как термоядерное топливо и считают, что добыча этого ископаемого в ближайшем будущем решит проблему энергетического кризиса на Земле. Именно поэтому в научных кругах его нередко называют «горючим будущего».
Также в составе лунного грунта найдены калий, натрий, кремний и фосфор.
Очень важным открытием также стали внушительные запасы воды в виде льда. В общей сложности около 1,6 млрд. тонн.
3.1. Вода на Луне
Несколько веков назад всё казалось понятным. На первых картах Луны уже были «моря» (Море Ясности, Море Дождей, Море Холода, Море Нектара, Море Спокойствия и т.д.) и даже «океан» (Океан Бурь). Так астрономы назвали хорошо видимые с Земли невооруженным глазом тёмные участки лунной поверхности, будучи совершенно уверенными, что они заполнены водой. На самом деле эти моря оказались безводными.
Сейчас на Луне ищут не обширные водные бассейны, а лёд, который может находиться в защищённых от лучей Солнца местах, например на дне некоторых лунных кратеров. Кроме того, учёные пытаются обнаружить признаки воды, находящейся в связанном состоянии в химических соединениях.
Астронавты, работавших по программе «Аполлон», привезли на Землю более 380 кг лунного грунта. Анализ образцов будто бы свидетельствовал о наличии в них некоторого количества воды, но этот результат сочли сомнительным, поскольку контейнеры оказались разгерметизированными и вода могла появиться в них уже в земной атмосфере.
Важным этапом в изучении Луны и поиске на ней льда стал запуск двух американских АМС — «Lunar Reconnaissance Orbiter» («Лунный орбитальный разведчик») и «LCROSS» («Lunar Crater Observation and Sensing Satellite» — спутник по наблюдению и детектированию лунных кратеров). Обе станции вывела в космос ракета «Атлас-V» 18 июня 2009 года. (Рисунок 3.1.1, Приложения) Она временно стала искусственным спутником Земли, облетавшим нашу планету по очень вытянутой орбите, откуда почти четыре месяца исследовала минералогический состав лунной поверхности и искала на ней лёд.
9 октября 2009 года в рамках этой программы был проведён уникальный эксперимент. АМС «LCROSS» покинула околоземную орбиту и устремилась к Луне, в кратер Кабео (Кабеус) диаметром 98км, глубиной 4 км, расположенный примерно в 100км от Южного полюса и практически никогда не освещаемый Солнцем. На дно кратера сначала упала первая «бомба» — отработавшая ступень «Центавр» (Кентавр) ракеты «Атлас-V» массой 2,2 т. Примерно через четыре минуты туда же упала вторая «бомба». Ею стала АМС «LCROSS» (масса 891 кг), которая перед падением промчалась сквозь поднятое «Центавром» облако пыли, успев сделать необходимые замеры до момента гибели аппарата. В облаке содержалась пыль не только с поверхности дна кратера, но и с глубины до нескольких десятков метров. [10]
За экспериментом велись наблюдения не только с борта «Лунного орбитального разведчика», но и с помощью космического телескопа им. Э. Хаббла, некоторых научных искусственных спутников Земли и крупнейших наземных телескопов, находящихся в обсерваториях на Гавайях, в Калифорнии, Аризоне и Нью-Мексико.
Американские исследователи считают, что им всё-таки удалось найти некоторое количество воды в облаке лунной пыли. Они впервые объявили эту новость 13 ноября 2009 года.
В одном из ближайших космических экспериментов по поиску замёрзшей воды на Луне намечено осуществить бурение дна кратера Кабео.
3.2 Есть ли кислород на луне?
Несмотря на то, что кислорода в тончайшей лунной атмосфере нет вообще, довольно большое его количество содержится в лунной пыли, сплошь покрывающей поверхность нашего естественного спутника. Исследования показывают, что приблизительно 40-50 % реголита составляет именно кислород, который можно высвободить при воздействии электрического тока. (Рисунок 3.2.1, Приложение) Ток способен отрывать атомы кислорода от молекул оксида, решая этим сразу 2 важные задачи: с одной стороны, мы получаем огромное количество свободного кислорода, а с другой у нас появляется целая связка металлических сплавов, которые были бы крайне полезны при строительстве будущих лунных баз и колоний.
Для того, чтобы проверить свою теорию, исследователи из Кембриджского университета использовали образцы лунного реголита, предоставленного им специалистами NASA. В ходе проведения эксперимента по получению кислорода из лунного грунта, выяснилось, что из трех тонн реголита можно получить приблизительно тонну кислорода при условии использования специальных электрохимических реакторов, размер каждого из которых составлял бы около метра в высоту. Для их полноценной работы специалисты намерены использовать солнечные батареи, способные накапливать солнечную энергию во время лунного дня.
Глава 4. Практическая часть
4.1 Модель “Лунная колония” на базе конструктора Lego WeDo1.0
Мы сконструировали нашу модель «Лунная колония» из деталей набора Lego Wedo 1.0, установили 4 мотора.
Наша модель состоит из 4 частей:
1. Бур, при помощи которого добывается вода. Для его создания мы собрали Г-образную конструкцию, где использовали зубчатую передачу, с применением коронной шестерни, для изменения плоскости вращения. (Рисунок 4.1.1, Приложения)
2. Конвейер, за счет которого добытая вода оправляется в теплицу для полива растений. Конвейер состоит из замкнутой конвейерной ленты двух барабанов, приводного и натяжного. (Рисунок 4.1.2, Приложение)
3. Растения в теплице приводят в движение зубчатая передача. Мотор вращает коронную шестерню, передавая движение под прямым углом последующим четырем средним зубчатым колесам, которые приводят в движение кулачковый механизм. (Рисунок 4.1.3, Приложения) Когда кулачки вращаются, они выталкивают растения, так мы решили показать, что растения начинают расти после полива. (Рисунок 4.1.4, Приложения)
4. Добытый нами реголит во время бурения мы отправляем в специальное место, где под воздействием электрического тока выделяется кислород. В конструкции мы использовали систему рычагов, которая выталкивает кислород. (Рисунок 4.1.5, Приложения)
После сборки четырех частей по отдельности, мы соединили их в один проект. Общий вид готового проекта представлен на Рисунке 4.1.6, Приложения.
4.2 Управление моделью с помощью программы
Программирование осуществляется в специальном ПО- LegoWeDo. Модель «Лунная колония» из конструктора LegoWeDo состоит из четырех частей, каждая из которых может запускаться по отдельности при нажатии на определенную клавишу на клавиатуре.
Бур, при помощи которого добывается вода, запускается с средней скоростью клавишей «1». Мощность бура регулируется кнопками «стрелка вверх – стрелка вниз». «Стрелка вверх» увеличивает мощность, «стрелка вниз» - уменьшает, при показателе 0 – бур прекращает работу.
При нажатии на клавишу «2» запускается конвейер, он работает в течении 2 секунд, для того чтобы доставить воду. После чего останавливается. Можно запустить повторно, нажав на клавишу «2».
При нажатии на клавишу «3» начинают расти цветы. Запускается третий мотор. Эта часть программы будет работать бесконечно.
Четвертый мотор запускается клавишей «4». Начинает работать система рычагов с максимальной мощностью 10, можно уменьшить скорость до 6, нажав «Стрелка вправо» и остановить мотор, нажав «стрелка влево». (Рисунок 4.2.1, Приложения)
Заключение
Мы подробно изучили информацию о нашем спутнике Луне и посетили выставку «Космодрайв». При общении с экскурсоводами мы выяснили, что колонизация космоса – вполне достижимая и оправданная цель.
Мы спроектировали базу, на которой можем добыть разнообразные полезными ископаемыми, которыми обладает Луна, в том числе и ценными для промышленности металлами — железом, алюминием, титаном; кроме этого, в поверхностном слое лунного грунта, реголите, накоплен редкий на Земле изотоп гелий-3, который может использоваться в качестве топлива для перспективных термоядерных реакторов. .
Наличие воды очень важно для потенциальной лунной базы. На поверхности и под ее поверхностью в районе полюсов обнаружена вода в виде льда, количество которого сильно зависит от освещенности Солнцем. База оснащена специальным буром, который помогает добыть воду.
Для колонизации луны, по мимо воды, нужен кислород, которого в лунной атмосфере нет вообще. Но мы выяснили, что довольно большое его количество содержится в реголите. Исследования показывают, что приблизительно 40-50 % реголита составляет именно кислород, который можно высвободить при воздействии тока. В нашем проекте «Колония на Луне» есть специальная печь с электрическим током. Таким образом, мы решаем важную задачу: мы получаем огромное количество свободного кислорода.
На полученных знаниях мы построили проект, который демонстрирует, не только добычу полезных ископаемых, но и вырабатывает такие важные элементы, как вода и кислород, которые очень важны для жизни колонии. Модель состоит из четырех частей, каждая запускается отдельным мотором и имеет свою роль – добыча воды, доставка воды по конвейерной ленте, рост растений в теплице и выработка кислорода. Каждая часть проекта запрограммирована в программном обеспечении LegoWeDo и отдельно запускается при нажатии определенной клавиши.
Наш проект может быть применен на уроках астрономии, биологии и на занятиях по робототехнике, при изучении сложных механизмов.
Список литературы
1.Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школаинтеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа -https://vk.com/mrbrain_tmn;
2.LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительныймеханизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва,Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;
3.Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новыеинформационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400
4.Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборникметодических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.
5. http://gatchina3000.ru/great-soviet-encyclopedia/bse/071/686.htm
6. https://spacegid.com/luna.html
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/История_астрономии
8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Исследование_Луны
9. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аполлон-11
10. https://m.nkj.ru/archive/articles/17796/
Приложения
|
Рисунок 1.1, Луна -спутник Земли |
Рисунок 1.2, Схема движения системы Земля-Луна |
|
Рисунок 2.1.1, Джованни Баттиста Риччиоли |
Рисунок 2.1.2, Лунная карта Риччиоли - Итальянский астроном |
|
Рисунок 2.2.1, Автоматическая межпланетная станция Луна-2 |
Рисунок 2.2.2, Фотография Нила Армстронга на фоне американского флага на Луне |
|
Р |
|
|
Рисунок 3.2.1, Лунный реголит до электролиза (слева) и после(справа) |
|
|
Р |
Р |
|
Рисунок 4.1.3, зубчатая передача (Теплица) |
Рисунок 4.1.4, Теплица |
|
Рисунок 4.1.5, Общий вид |
|
|
Рисунок 4.2.1, Программа |
|