IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Замкнутая экосистема-источник электрической энергии
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Обычно, вырабатываемая растениями энергия, растрачивается впустую. Способ её получения я представлю в замкнутой экосистеме, где провода крепятся на графите и цинковой пластине внутри экосистемы, в которой происходит активный процесс фотосинтеза. Чем активнее будет химический процесс в моей замкнутой экосистеме, тем больше электричества будут отдавать растения. Сбор электроэнергии происходит без какого-либо вреда для растений. Сам процесс экологически чистый и совершенно не затратный. Поэтому, использование такой технологии действительно может стать энергией для обеспечения жизнидеятельности космонавтов в длительных полетах.
Более 200 тысяч человек заявило о своем желании участвовать в проекте Mars One — колонизации красной планеты в 2023 году. Экспедиция будет безвозвратной, поэтому для ее успеха особенно важна разработка функционирующей замкнутой экосистемы, которая способна производить ток. И если технологии путешествия до Марса примерно понятны, то технологии обеспечения жизнедеятельности космонавтов в таком полете пока вызывают вопросы.
Работа по созданию замкнутой экосистемы была начата в 2016 году. Наблюдение за ее развитием продолжается по настоящее время. За время наблюдения мы подтвердили нашу гипотезу о том, что при создании определенных условий наша система может существовать вечно. Разработали и систематизировали основные правила ухода за системой. На следующих этапах работы наши исследования были направлены на извлечение тока из нашей замкнутой экосистемы.
В результате нашей работы мы получили постоянно-устойчивые показания мультиметра – 71-92 вольт без вмешательства человека в данный процесс, так как замкнутая система полностью обеспечивает себя всеми необходимыми элементами для выживания. Выход электрической энергии за время исследования получается не очень высоким, это связанно с небольшим объемом нашей системы. Но, если последовательно соединить несколько систем, или увеличить объем системы, показания мультиметра увеличиваются в разы.
Используя данную систему при длительных полетах, она может являться дополнительным источником электрической энергии и поддерживать свое функционирование самостоятельно, без участия людей.
Я решила участвовать в проекте Mars One и начала разработку функционирующей замкнутой экосистемы, вырабатывающей ток. Но можно ли создать свою взаимосвязанную систему, свой изолированный «МИР» в бутылке, если мы возьмем все составляющие ? И насколько он будет устойчивым?
Меня заинтересовала эта проблема, и я выдвинула гипотезу о том, что возможно создать стойкую замкнутую экосистему в бутылке, которая будет существовать вечно и генерировать электрическую энергию - если за ней осуществлять нужный уход.
В нашем исследовании мы выделяем четыре этапа:
отбор материала;
создание необходимых физических условий для функционирования экосистемы в бутылке;
наблюдение за развитием экосистемы;
извлечение тока из системы и описание результата.
То есть целью нашего исследования является создание стойкой замкнутой экосистемы генерирующей электричество и разработка правил ухода за ней.
Для проведения нашего исследования были поставлены следующие задачи:
Изучить литературу по вопросам замкнутых экосистем .
Изучить опыт создания этих экосистем другими исследователями
Изучить исследования выработки электричества растениями
Подобрать компоненты нашей системы, материалы и методы исследования.
Провести практический опыт по созданию системы и извлечению электрического тока
Провести наблюдение за ходом эксперимента (стабильностью системы)
Сделать выводы из проведения исследования.
Предмет исследования: Стойкость закрытой системы генерирующей электричество.
Объект исследования: Закрытая Экосистема в бутылке
Характер работы: теоретически – экспериментальный.
Практическое значение: Материалы нашего исследования можно использовать в школе, при изучении экологии, окружающего мира.
Методы исследования: Эмпирические анализ литературы, наблюдение; Практические: Эксперимент (моделирование).
РАЗДЕЛ 1 Принципы функционирования замкнутых экосистем
1.1 Признаки экосистемы
Экосистема - основное понятие экологии. Экология рассматривает взаимодействие живых организмов и неживой природы. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках определенной системы (экологической системы, экосистемы) и, во-вторых, оно не хаотично, а определенным образом организовано, подчинено законам. Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и редуцентов , взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени
1.2 Признаки искусственной экосистемы
К признакам искусственной экосистемы относятся небольшое число биологических видов; преобладание организмов одного или нескольких видов; короткие цепи питания из-за небольшого числа видов.
П
Рисунок 1 - Пример замкнутой экосистемы в бутылке
римером искусственной замкнутой экосистемы является сад пенсионера Дэвида Латимера (рисунок 1). Латимеру удалось создать в бутылке самую настоящую мини-экосистему . Его традесканция в своем маленьком мире способна поглощать свет и без проблем осуществляет фотосинтез, превращая солнечные лучи в нужную для роста энергию. Бутылка с традесканцией находится у пенсионера примерно в двух метрах от окна под лестницей с момента запечатывания в 1972 году. Благодаря близости к окну растение получает достаточное количество нужного ему света. Для того чтобы листики, которые тянутся к солнышку, росли равномерно, владелец периодически поворачивает стеклянную емкость. 1
1.3 История исследования замкнутых биосистем
В 1972 году в Институте биофизики профессором Борисом Ковровым была построена первая функционирующая замкнутая экосистема БИОС-3. Водоросли и теплицы, где росли карликовая пшеница, соя, морквовь освещались УФ-лампами. Большим недостатком красноярской биосферы оказалось отсутствие энергетической автономности — она использовала 400 кВт внешней электроэнергии ежедневно. Эту задачу планировалось решить, но финансирование эксперимента прекратилось, и БИОС-3 оставили ржаветь в подвале института.
С амый масштабный эксперимент по организации замкнутой экосистемы был проведен в 90-х годах в США. Биосфера-2 располагалась в аризонской пустыне и представляла собой систему воздухонепроницаемых стеклянных куполов. Внутри были установлены пять ландшафтных модулей: джунгли, саванна, болото, маленький океан с пляжем и пустыня. Восемь бионавтов и около 4 тысяч разнообразных представителей фаун, включая коз, свиней и кур, должны были прожить под куполом 2 года на полном самообеспечении, за исключением потребления электроэнергии, которая использовалась в основном для охлаждения гигантского парника. 2
Количество кислорода в атмосфере экосистемы постепенно, но неумолимо сокращалось. Небо над Биосферой-2 почти всю зиму было затянуто облаками. Это привело к тому, что фотосинтез джунглей ослаб, выработка драгоценного кислорода уменьшилась, так же как и без того скудный органический урожай. Проект закрылся.
В это же время в NASA разработало менее экстравагантный, но более успешный проект. Это была Ecosphere — герметичный стеклянный шар-аквариум, диаметром 10-20 сантиметров, где находилось несколько креветок Halocaridina rubra, кусочек коралла, немного зеленых водорослей, бактерии, расщепляющие продукты жизнедеятельности креветок, песок, морская вода и прослойка воздуха. По уверениям производителей весь этот мир был абсолютно автономным: он нуждался только в солнечном свете и поддержании регулярной температуры — и тогда мог просуществовать «вечность». Однако вскоре выяснилось, что вечность представляет собой 2-3 года, после чего биологический баланс внутри аквариума неотвратимо нарушался и его обитатели погибали.
Вывод: создание замкнутой экосистемы возможно при соблюдении определенных условий для функционирования составных ее частей, не нарушающих ее структуры. В экосистеме должно быть представлено сочетание живой и неживой природы, которые будут осуществлять замкнутый биологический цикл, в том числе круговорот веществ.
Раздел 2 Энергия из растений
Для получения тока из природной среды на постоянной основе , необходим проводник и разность потенциалов. Найти разность потенциалов проще всего в земле, которая объединяет все три среды – твердую, жидкую и газообразную. По своей структуре грунт представляет собой твердые частички, между которыми присутствуют молекулы воды и пузырьки воздуха. Важно знать, что элементарной единицей почвы является глинисто-гумусовый комплекс (мицелла), который обладает определенной разностью потенциалов. Внешняя оболочка мицеллы накапливает отрицательный заряд, внутри нее формируется положительный. За счет того, что электроотрицательная оболочка мицеллы притягивает из окружающей среды ионы с положительным зарядом, в почве беспрерывно протекают электрохимические и электрические процессы. Этим почва выгодно отличается от водной и воздушной среды и дает возможность своими руками создать устройство для добычи электроэнергии.
В основе данной технологии лежит использование побочных продуктов фотосинтеза растений в замкнутой экосистеме. Растения в процессе фотосинтеза преобразуют солнечный свет, воду и воздух в сахар, часть которого они используют для роста, а остальное отправляют обратно в землю. Разлагаясь, отходы неиспользованного сахара освобождают электроны и протоны. Остается лишь собрать электричество путем погружения в почву электродов.
2.1. Проводники, используемые в эксперименте
Графит - имеет, как и металлы, электронную проводимость. Его электродный потенциал довольно высок, имея значение, приблизительно +0,4 вольт. Подходящие гальванические пары: медь и/или уголь – будут положительным электродом земляного элемента, а цинк, алюминий или железо (в том числе, оцинкованное) – отрицательным (его вывод (алюминиевый провод) надо изолировать от земли). Места соединений – герметизируются (покрыть защитной водостойкой краской или лаком).
2.2 История исследования выработки электричества растениями
Разработки в направлении извлечения энергии из растений и побочных продуктов фотосинтеза ведутся учёными из многих стран мира.
Нидерландские ученые научились получать электричество из растений. В процессе фотосинтеза в растениях образуется органический материал. Часть этого материала используется для роста растений, остальное выводится через корни в виде сока, который затем разлагают микрорганизмы. При этом освобождаются электроны, которые можно собрать при помощи электродов.
Компания альтернативной энергии BIOO разработала особые био-панели, в которых можно выращивать различные растения. Для того, чтобы получить из растений электроэнергию, необходимы вода, почва и, конечно, сами растения. Энергия производится из имеющихся в растениях бактерий, которые потребляют выделяемые органические вещества. В результате процесса образуются электроны, дающие электрический ток.
В свою очередь, в панелях другого производителя выращиваются бобовые, которые вырабатывают электричество, как и в предыдущем случае, но при этом питают диоды LED ламп. Данная технология уже успешно работает во многих странах Европы. Один из парков пригорода Амстердама освещается в ночное время суток при помощи именно таких панелей. 3
Вывод:Человечество стоит на пороге глобальных перемен. Ученые прогнозируют, что уже в ближайшие 20-30 лет весь мир сможет перейти на альтернативные, экологически чистые источники энергии, которые будут самостоятельно восстанавливаться и будут безопасными для окружающей среды. Благодаря живым растениям удастся не только воспроизводить экологически чистую, новую «зелёную» энергию, но и генерировать её в крупных масштабах для обеспечения необходимого количества энергии во всём мире.
РАЗДЕЛ 3.Закладка эксперимента
3.1. Замкнутая экосистема
Объект исследования «Модель замкнутой экосистемы» была создана 6 августа 2016 года. Создание нашей модели было разбито на 4 основных этапа.
Рисунок 2 - Компоненты нашей экосистемы
а первом этапе нами был осуществлен отбор природного материала для составления содержания бутылки (террариума). Из ближайшего лесного массива были набраны низкорослые растения с небольшой корневой системой (я собирала преимущественно мох), а главное — немного почвы и песка. Лесные растения более живучие, чем комнатные (рисунок 2).
Землю и растения мы поместили в бутылку. Затем создаем влажность путем добавления капель воды (шприцем). Без воды ни один организм не сможет выжить, а значит у нас не получится вечный террариум в бутылке. После того, как все растения расположили внутри, мы герметично закрыли террариум пробкой. Для того, чтобы кислород из внешнего мира не попадал вовнутрь, а вода, которая находится внутри, не испарялась.
Второй этап заключался в создании физических условий. Для этого удовлетворялись следующие условия:
- необходимое количество света - световой день должен составлять от 8 до 16 часов;
- расстояние, с которого следует освещать экосистему – 35-40 см;
- комнатная температура должна быть от 16 до 26 °С.
Третий этап заключался в наблюдении за состоянием нашей замкнутой экосистемой каждый день (2016-2018 годы). Измерялась температура окружающей среды. Мы составили таблицу для отображения ежедневного наблюдения за состоянием террариума. (Приложение 1)
Наша система показала устойчивые результаты своего развития в период с августа 2016 года по настоящее время.
Рисунок 3 - Закладка системы 2016 год
Рисунок 4 – Прошел год развития системы 2017 год
Рисунок 5 – Система спустя два года 2018 год
Видно, что в емкости присутствует влага, необходимая для растений, освещенности хватает для осуществления жизнедеятельности зеленых частей растений. Преобладает мох, который вытеснил остальные растения, которые были помещены в систему в 2016 году.
Вывод: При фотосинтезе культура продуцирует кислород, и этот процесс приводит к увлажнению воздуха. Постепенно влага конденсируется на холодных стеклянных стенках ёмкости и стекая обеспечивает растению достаточный уровень полива. Опадающие с растений листики медленно перегнивают на дне бутылки, благодаря окислительным реакциям, что сопровождается формированием углекислого газа, нужного для процессов фотосинтеза, а также для достаточного питания корневой системы. Таким образом растения, помещенные в замкнутое пространство, смогут жить теоретически вечно, если не повлияют какие-то факторы извне.
Рисунок 6 – Показания мультиметра
етвертый этап был направлен на извлечение электрической энергии из нашей системы. В замкнутую экосистему на нижний слой почвы мы поместили графитовый стержень и цинковую пластинку, подключаем провода, засыпаем верхний слой почвы с растениями. Красный провод - плюс. Чёрный – минус. При подключении проводов к мультиметру , с помощью которого мы можем измерить напряжение, наша замкнутая экосистема вырабатывает примерно 0,74 вольт. При активном фотосинтезе выделяется больше влаги и на мультиметре уже 0,83 вольт. (Рисунок 6)
Рисунок 7 Электричество из системы
ак это происходит? Пигмент хлорофилл, который делает все растения зелёными, поглощает кванты света, то есть частички света, дальше свет, пока дойдёт до корней, превращается в электрон. Электроны взаимодействуют между собой под действием света и воды, создавая электричество. Электричество – это и есть поток электронов. В результате фотосинтеза в растениях образуются некоторые виды сахаристых соединений, часть которых необходима им для роста, а «остаток» выводится через корни в почву. В почве сахара вступают в реакцию с атмосферным кислородом. Бактерии, содержащиеся в почве, расщепляют сахара, в результате чего выделяются электроны и протоны. Электроды, погружённые во влажную почву, захватывают электроны, и производят ток. (Рисунок 7)
Мы ведем наблюдения за нашей системой, вырабатывающей ток в специальном дневнике, где записываем динамику изменения напряжения за период функционирования системы. (Приложение 2)
Вывод: выход электрического тока за время исследования получается не очень высокой. Это связанно с небольшим обьемом нашей системы. Так как в бутылки поддерживается постоянная влажность, земля сырая и показания вольтметра постоянны.
Внутри экосистемы происходит активный процесс фотосинтеза. Чем активнее будет химический процесс в моей замкнутой экосистеме, тем больше электричества будут отдавать растения. Сбор электроэнергии происходит без какого-либо вреда для растений. Сам процесс экологически чистый и совершенно не затратный. Поэтому, использование такой технологии действительно может стать энергией для обеспечения жизнидеятельности космонавтов в длительных полетах.
3.2 Разработка правил ухода за «вечным террариумом» и прогноз его существования.
Мы разработали правила эксплуатации и ухода за вечными террариумами:
Обеспечить террариум необходимым количеством света, световой день должен составлять от 8 до 16 часов.
Оптимальное расстояние, с которого следует освещать террариум – 35-40 см.
Комнатная температура должна быть от 16 до 26 ° С.
При выборе стеклянной емкости следует обращать внимание на то, чтобы стекло по максимуму пропускало свет.
Во время посадки растений обращайте внимание на то, чтобы на них не было никаких насекомых. Если обнаружили, что ползают какие-то жуки, обязательно избавьтесь от них перед тем, как помещать растение в стеклянную емкость
Самая распространенная причина, убивающая растения в закрытой стеклянной емкости – передозировка воды. Поэтому придерживайтесь правила: лучше недолить, нежели перелить.
Не допускать повышенной влажности. Хорошим сигналом повышенной влажности в закрытом сосуде является появление на стекле капелек воды или пара. Если заметили подобное, откройте на некоторое время (несколько часов) крышку, пока не исчезнет конденсат.
Прямые солнечные лучи могут быть губительными для растений в террариуме, став причиной гниения и развития грибковых заболеваний. Поэтому лучшим местом для террариума будет такое, где достаточно рассеянного света. И уж точно не стоит выбирать для этого южные и западные окна.
Емкость должна закрываться крышкой из натурального материала. Желательно из пробкового дерева.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенного исследования мы:
1. Изучили литературу по вопросам закрытых экосистем .
2. Изучили опыт создания этих экосистем другими исследователями
3. Подобрали компоненты нашей системы материалы и методы исследования.
4. Провели практический опыт по созданию системы « вечный террариум»
5. Провели наблюдение за ходом эксперимента (стабильностью системы)- она остается стабильной на протяжении 2 лет.
6. Провели опыт по извлечению электрической энергии в нашей экосистеме.
7. Разработали основные рекомендации по уходу за экосистемами.
Гипотеза про возможность создания стойкой замкнутой экосистемы генерирующей электрическую энергию подтвердилась. Мы смогли изолировать маленький кусочек природы у себя на столе и наблюдать, что в нем происходит. В них помещают растения, землю и влагу – базовые элементы для развития и выживания при замкнутом цикле и она начинает вырабатывать такую необходимую энергию. Из проведенных исследований можно сделать выводы, что искусственно созданная нами система «вечный террариум» является достаточно устойчивой.
В результате нашей работы мы получили постоянно-устойчивые показания мультиметра – 0,71-0,90 вольт без вмешательства человека в данный процесс, так как замкнутая система полностью обеспечивает себя всеми необходимыми элементами для выживания. Выход электрической энергии за время исследования получается не очень высоким, это связанно с небольшим объемом нашей системы. Но, если последовательно соединить несколько систем, или увеличить объем системы, показания мультиметра увеличиваются в разы. Используя данную систему при длительных полетах, она сможет поддерживать свое функционирование самостоятельно, и являться дополнительным источником тока. Прогнозом на будущее нашей системы можно предположить, что, если будет осуществлен достаточный уход за системой , он сможет просуществовать достаточно долго генерируя постоянный ток.
Практическое значение: нашу модель можно использовать в демонстрационных и практических целях. В будущем такие миниатюрные модели помогут ученым создавать крупные по масштабу замкнутые системы с наибольшим коэффициентом полезного действия, которые бы не приводили к неудачам, как например, системы «Биосфера-2», «Биос». Я надеюсь, что мои исследования пригодятся при подготовки полета на Марс.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
«Растение в бутылке» режим доступа: http://www.rasteniya-lecarstvennie.ru/14646-rastenie-v-butylke-40-let-kak-vyraschivat-tradeskanciyu-svoimi-rukami.html
«Биосфера-2: неудавшийся эксперимент создания замкнутой экосистемы» Режим доступа: http://rodovid.me/ecoposelenia/biosfera-2-neudachnyy-eksperiment-sozdaniya-zamknutoy-ekosistemy.html
Дневник наблюдения . Электричество из растений: http://test.tengrinews.kz:83/progress/elektrichestvo-iz-rasteniy-nauchilis-poluchat-v-niderlandah-224182/
Приложение 1
|
|
Приложение 2
Динамика изменения напряжения за период функционирования системы
У тро День Вечер
|
Утро |
74 mv |
75 mv |
70 mv |
|
День |
83 mv |
80 mv |
80 mv |
|
Вечер |
77 mv |
69 mv |
78 mv |