VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Космическая ферма на базе конструктора Lego WeDo 1.0
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
О питании в открытом космическом пространстве известно довольно многим, и не всегда оно является таким же привычным и приятным, как на нашей родной планете Земля.
Актуальность темы:
Ученые, работающие в области питания, совершенствуют рациональные диеты для космонавтов. Задача заключается в том, чтобы создать такие продукты, которые бы занимали как можно меньше места, мало весили и в то же время были высококалорийными, удобными для приема и вкусными.
Подсчитано, например, что вес суточного рациона пищи, воды и кислорода на одного человека в космосе приблизительно равен 5,5 килограмма. Продолжительность же межпланетного путешествия может затянуться даже на несколько лет.
Совершенно очевидно, что кратковременные и длительные космические полеты требуют совершенно различных методов организации питания космонавтов. Поэтому мы считаем, что для более эффективных полётов с исследованиями в космос нашим космонавтам необходимо здоровое и правильное питание, которое они поддерживают и на Земле. Тогда и новые космические открытия будут ещё более удивительными для науки.
Цель исследования: Изучение материалов о питании в космическом пространстве и создание модели Космическая ферма на базе образовательного набора LEGO WeDo 1.0 для улучшения условий путешествия космонавтов.
Задачи исследования:
Найти информацию о питании космонавтов в открытом космическом пространстве;
Выбрать наиболее подходящий метод в целях улучшения питания космонавтов на Луне;
Продумать методы транспортировки готового урожая для космического корабля;
Создать модель Космической фермы на базе конструктора Lego WeDo 1.0. Запрограммировать модель.
Глава 1 Питание в космическом путешествии
Какая должна быть пища.
Известно, что пища космонавтов должна быть максимально питательной, легко усвояемой и в то же время портативной, легкой и готовой к употреблению.
Более сложной проблемой является организация питания человека в продолжительных полетах, когда невозможно взять необходимые на всю дорогу запасы пищи и воды с Земли. В этих случаях приходится искать другой выход. И заключается он в том, чтобы необходимую космонавтам пищу создавать на самом космическом корабле.
Наиболее эффективными считаются пути, предложенные нашим замечательным соотечественником К. Э. Циолковским: использовать в космических полетах некоторые земные растения, обладающие большой производительностью.
Как питаются космонавты.
Очень перспективно использование некоторых водорослей, особенно хлореллы. Водоросли необычайно выносливы и очень быстро размножаются. Некоторые из них при благоприятных условиях могут за сутки увеличить свой вес в 7–12 раз. [5]
Есть еще одна, чрезвычайно важная особенность некоторых водорослей: в процессе жизнедеятельности они создают, синтезируют в большом количестве белки, жиры, углеводы и витамины.
Но главное свойство водорослей состоит в том, что они могут достаточно полно использовать вещества, выделяемые человеком и животными. Следовательно, в космическом корабле одновременно происходят очищение продуктов выделения, и создание необходимой человеку пищи.
В условиях космического полета проблема обеспечения человека водой является также очень сложной.
Для космического путешествия продолжительностью в 6 месяцев экипажу межпланетного корабля из двух человек потребуется около 1500 литров воды. Такое количество воды слишком велико не только по весу, но, что очень важно, и по объему. Как же можно разрешить водную проблему? Так же, как и пищевую. Необходимую космонавтам воду нужно получать на самом корабле. Это можно сделать лишь при условии повторного использования воды.
В среднем взрослый человек выделяет около 2,5 литра воды в сутки. Соответствующим образом переработанная и очищенная, она может быть абсолютно полноценной и пригодной для употребления. Создание специальных систем для осуществления круговорота воды в кабине космического корабля – дело вполне реальное и осуществимое.
Выращивание растений в космическом пространстве.
Китайский зонд провёл первый в истории человечества биологический эксперимент на поверхности Луны. До этого растения росли и на МКС, но на спутнике Земли такого никто прежде не делал.
Китайский луноход "Чанъэ-4" был запущен с Земли 8 декабря 2018 года. Сейчас он исследует обратную сторону Луны. Но китайцы решили не ограничиваться одними исследованиями, а пойти дальше — они задумали вырастить на Луне земные сельскохозяйственные культуры. Для этого на спутники отправили образцы хлопка, рапса, картофеля и других растений.
Последние полученные с зонда снимки показывают, что земледелие возможно не только на Земле — на Луне проросли первые побеги хлопка.
Это настоящий прорыв в освоении земного спутника. Впервые в истории удалось вырастить растительную культуру в суровых лунных условиях: низкая гравитация, сильная радиация и огромная разница температур не помешали успешному этому удивительному биологическому эксперименту.
Однако китайские учёные считают, что ещё рано мечтать о том, чтобы засеять Луну земными растениями. В ходе эксперимента растения не высаживали в лунный грунт — они растут внутри зонда в специальном алюминиевом контейнере. Там же содержится вода, плодородная почва, воздух и система контроля тепла, которые так необходимы растениям. [4]
Также ожидается очередная миссия уже с другими видами растений. Планируемая миссия преследует более интересные задачи. Она также состоит из станции и лунохода, только посадка будет уже на обратной стороне Луны (именно поэтому потребуется ретранслятор). Да и аппаратура станции обширней:
Помимо этого, станция доставит на Луну капсулы, содержащие в себе семена картофеля, резуховидки и тутового шелкопряда.(Рисунок 1.3.1 Приложения) Но почему именно эта флора и фауна?
Считается, что картофель как никто способен приспособиться к экстремальным условиям. Ученые проводили эксперимент, в ходе которого картофель помещали в условия Марса (да-да, они вдохновились «Марсианином»), и плод выжил. Вполне возможно, именно эта живучесть картофеля достала ему билет на Луну.
Резуховидка – цветковое растение семейства капустных. Само по себе растение используется в качестве «лабораторной мыши» в аграрных науках, так как из-за своего короткого цикла развития является моделью для всевозможных научных исследований. Ее семена выращивались на Советской станции «Салют-7», а также планировалось использование в миссии MarsOne.
Тутовые шелкопряды так же, как и резуховидка, бывали в космосе. Только выяснилось, что бедолага был дезориентирован в пространстве, поэтому окутал шелковой нитью не себя, а опору, на которой сидел. Было бы интересно узнать, как он поведет себя на Луне.[3]
Глава 2 Особенности выращивания растений на Луне и их транспортировка
2.1 Лунная оранжерея.
Длительные полеты или колонизация других планет ставят перед космонавтами необходимость выращивать пищу. Ученые проекта по поддержанию жизни Космического центра Кеннеди разрабатывают прототип оранжереи для Луны или Марса.
Проект лунной или марсианской оранжереи PLMGP нацелен на изучение способов выращивания овощей во время длительного пребывания на спутнике, Марсе или в любой другой точке космоса, куда невозможно обеспечить постоянную доставку продовольствия с Земли. Помимо чисто практических задач по обеспечению космонавтов пищей проект исследует саму возможность встроить оранжерею в систему поддержания жизни космических путешественников.
Прототип представляет собой надувную складную систему, которую ученые называют биорегенеративной системой жизнеобеспечения. По мере роста сельскохозяйственных культур вода и отходы используются повторно, а воздух насыщается кислородом. Вместо грунта применяется питательный раствор. Вода, которую либо взяли с собой, либо добыли на месте — на Луне или Марсе, например, — обогащается питательными солями и постоянно течет через корневую систему. Фотосинтез позволяет вырабатывать кислород и поглощать выдыхаемый космонавтами углекислый газ.
«Вся система лунной оранжереи представляет, в уменьшенном виде, биологическую систему Земли», — говорит доктор Джин Джакомелли.
Ключевым элементом такой системы, как эта, является понимание цели полета. От этого зависит то, что космонавты возьмут с собой и какие ресурсы они смогут найти там, куда отправляются: типы растений и семян, которые им понадобятся, а также объем воды. Методы добычи воды на Марсе или Луне также входят в сферу интересов ученых.
Помимо этого, на планетах вроде Марса растениям угрожает радиация, поэтому модуль должен быть расположен под поверхностью планеты, и ему требуется хорошее искусственное освещение. «Мы с успехом использовали светодиодные лампы для выращивания растений, — говорит доктор Рэй Уилер, главный руководитель проекта, — а также смешанное, искусственное и естественное освещение».
Выращивать овощи в марсианском грунте, предположительно богатом тяжелыми металлами — свинцом, мышьяком, ртутью — будет возможно только после извлечения из почвы железа и оксидов этих металлов. Поэтому голландская организация с говорящим названием Food for Mars объединилась с американским стартапом Two Planet Steel, который планирует наладить добычу металлов на Марсе. Вместе они разрабатывают взаимодополняющую систему для будущих колонистов.
Образцами грунтов с учеными поделились специалисты NASA.[1] Известно, для полного соответствия в почвы добавили алюминий и некоторые токсические соединения, встречающиеся на Луне и Марсе. В связи с этим ряд исследователей полагают, что длительное употребление в пищу таких овощей небезопасно. Ключевым отличием было внесение в почву небольшого количества свежескошенной травы, которая препятствовала быстрому высыханию грунта. Два года назад подобный эксперимент без использования трав дал отрицательные результаты. На Марсе и Луне вместо свежескошено травы можно использовать полевую горчицу.
Овощи выращивались в лотках при температуре 20 градусов, нулевом уровне прямого ультрафиолета, земной атмосфере и освещенности.(Рисунок 2.1.1 Приложения) Такие же условия можно легко создать в парниках на каждой из двух планет. Полив осуществлялся водой, схожей с той, которую можно получить из марсианского и лунного льда. Удалось вырастить десять видов овощей, в том числе редис, горох, помидоры. Надземная биомасса «внеземных» растений была точно такой же, как и у земных. В целом грунт, подобный лунному и марсианскому, дал отличный результат и продемонстрировал большой потенциал. [2]
2.2 Лифт для транспортировки урожая.
Одним из самых оптимальных способов транспортировки урожая из оранжереи к космическому кораблю мы посчитали применение лифта. Лифт является подъёмным механизмом, значительно упрощающим перемещение объектов на высоту. А поскольку космический корабль в целях безопасности мы решили установить именно на уровне видимости базы, то нам стало необходимо продумать более подходящие условия транспортировки.
Глава 3 Практическая часть
3.1 Модель Космическая ферма на базе конструктора LEGO WeDo1.0
Мы сконструировали нашу модель Космической фермы (Рисунок 3.1.1 Приложения) из деталей набор Lego WeDo1.0, используя также детали набора Lego City, установив 5 моторов, 3 коммутатора и 1 датчик расстояния.
Наша модель состоит из нескольких зон:
База, с которой происходит основной контроль миссии на Луне по выращиванию растений для питания космонавтов (Рисунок 3.1.2 Приложения);
Конвейерная лента для перевозки семян в специальных контейнерах к Лунной оранжереи (Рисунок 3.1.3 Приложения);
Лунная оранжерея с прозрачным ограждением от космической среды, включающая в себя светодиодное освещение вместо солнца и все необходимые условия для выращивания растений, а также рассеиватель семян для оранжереи (Рисунок 3.1.4 Приложения);
Лифт для транспортировки к космическому кораблю (Рисунок 3.1.5 Приложения);
Космический корабль (Рисунок 3.1.6 Приложения).
Программа работает следующим образом (Рисунок 3.1.7 Приложения):
В первую очередь начинает работать турбина от мотора №1 в здании Базы для того, чтобы избежать скопления космической пыли на конвейерной ленте;
Далее своё движение с контейнерами начинает конвейерная лента от мотора №2;
Семена попадают на рассеиватель, работающий от мотора №3 и датчика расстояния №1;
Позднее срабатывает толкатель для контейнеров с урожаем от мотора №4;
Готовый контейнер поднимается на лифте от мотора №5.
3.2 Внешний вид: конструкция, особенности движения, управляемость.
На нашей космической ферме установлена специальная база со спуском для её сотрудников и учёных, а также со встроенной турбиной. По конвейерной ленте запускаются необходимые для выращивания растений семена в специальных безопасных контейнерах. Далее при поступлении в Лунную оранжерею сотрудники оранжереи поставляют семена на рассеиватель по всей оранжереи. Датчик расстояния в оранжерее фиксирует рост семян и подаёт сигналы на базу.
А по окончанию выращивания сотрудники упаковывают получившейся урожай вновь в контейнеры и отправляют через лифт (на механизме лебёдка) и специальных коридор прямо на космический корабль.
Заключение
Изучив материалы о питании в космическом пространстве, мы открыли довольно много аспектов в данной сфере и считаем её вполне перспективной для дальнейшего изучения. В результате наших исследований мы выбрали самый оптимальный метод обеспечения питания на Луне на данный момент в соответствии с проведёнными опытами и последними открытиями учёных. Этим методом стало выращивание растений, полезных для питания космонавтов, на специальной Космической ферме в Лунной оранжерее.
Также мы проанализировали различные методы транспортировки готового урожая для космического корабля и решили использовать подъёмный механизм в виде лифта. В итоге совместно с нашей командой мы создали модель Космической фермы на базе конструктора Lego WeDo 1.0 и успешно запрограммировали её.
Создав довольно объёмный проект, мы вполне удовлетворены результатами нашей работы и надеемся, что проект Космическая ферма сможет ещё больше вдохновить тех, кто о нём узнает, на дальнейшее изучение данной области в открытом космическом пространстве.
Список используемой литературы
Интернет источники
https://www.vesti.ru/doc.html?id=1160836&cid=2161
https://politpuzzle.ru/27249-uchenye-nachali-vyrashhivat-ovoshhi-v-grunte-marsa-i-luny/
https://riko.space/extra/ferma-na-lune/
https://zen.yandex.ru/media/kubmedia/kosmicheskaia-ferma-kitaicy-nauchilis-vyrascivat-rasteniia-na-lune-5c3dd9037cfae500aa85e033
https://spacegid.com/pitanie-kosmonavtov-v-kosmose.html#i
Приложение
Рисунок 1.3.1 Семена картофеля, резуховидки и тутового шелкопряда
Рисунок 2.1.1 Выращенные на Луне овощи и растения
Рисунок 3.1.1 Модель Космической фермы
Рисунок 3.1.2 База Рисунок 3.1.3 Конвейерная лента
Рисунок 3.1.4 Лунная оранжерея
Рисунок 3.1.5 Лифт
Рисунок 3.1.6 Космический корабль
Рисунок 3.1.7 Программа