IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Перспективы освоения Солнечной системы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Земля – это наш дом. Но так будет не всегда. С каждым годом численность населения планеты растет, ресурсы земных недр истощаются, а люди, не вполне осознавая последствия своих действий, уничтожают и загрязняют окружающую среду. Однажды человечество придет к выводу, что единственный способ сохранить наш вид – это заселить иные миры.
Я убежден в актуальности выбранной мной темы, поскольку ресурсы нашей планеты ограничены, рост населения имеет экспоненциальный характер, а окружающей среде угрожает деятельность человека. Кроме того, существует вероятность столкновения Земли с крупным астероидом или кометой, что может поставить под угрозу существование человеческой цивилизации. Именно поэтому я заинтересовался темой освоения Солнечной системы, что привело меня к следующей гипотезе.
Гипотеза
Многие тела Солнечной системы имеют большие перспективы для колонизации и использования их ресурсов человеком.
Цель и задачи
Цель моего исследования – выяснить, какие тела Солнечной системы наиболее пригодны для освоения и колонизации и каким образом человечество может заселить Солнечную систему и использовать ее ресурсы.
Я поставил перед собой следующие задачи:
1. Изучить физические и химические свойства планет, спутников и других объектов Солнечной системы.
2. Выяснить, какие методы колонизации и освоения Солнечной системы предлагает мировое научное сообщество.
3. Обозначить технические и финансовые проблемы, которые могут возникнуть при попытке освоения Солнечной системы.
4. Критически проанализировать полученную информацию и сделать обоснованные выводы.
5. В практической части моего исследования построить модель автономной станции на Марсе.
Объект и предмет
Объект моего исследования – это планеты, спутники и другие тела Солнечной системы
Предметом моего исследования является перспектива колонизации и использования ресурсов наших соседей по Солнечной системе.
Методы
При выполнении работы я прибегнул к следующим методам:
1. Теоретический: теоретический анализ литературных источников.
2. Моделирование: построение модели автономной станции на Марсе.
3. Сравнение: сравнение физических и химических характеристик планет и спутников с точки зрения их вероятного освоения.
4. Наблюдение: исследование планет и спутников Солнечной системы с помощью зеркального телескопа
Теоретическая часть
В своем исследовании я решил, прежде всего, рассмотреть те планеты Солнечной системы, которые находятся в так называемой зоне обитаемости. Зоной обитаемости называется условная зона вокруг звезды, в пределах которой могут существовать потенциально благоприятные условия для возникновения жизни и существования воды в жидком виде. К этим планетам относятся Венера, Земля и Марс. Меркурий не входит в их число по причине чрезвычайно суровых условий и потому не входит в число рассматриваемых мной планет.
После рассмотрения планет земной группы я обращусь к возможности освоения Главного пояса астероидов, находящегося между орбитами Марса и Юпитера и являющегося условной границей между внутренней и внешней частью Солнечной системы, а затем рассмотрю системы Юпитера и Сатурна.
Перспективы освоения Венеры
Венера – это вторая после Меркурия планета Солнечной системы, находящаяся на расстоянии 108 млн. км от Солнца и являющаяся третьим по яркости объектом на небе после Солнца и Луны.
Основные проблема колонизации Венеры – мощный парниковый эффект и атмосферное давление, превышающее Земное в 90 раз.
Наиболее перспективный из предложенных методов колонизации Венеры заключается в том, что люди могли бы колонизировать атмосферу Венеры, а не пытаться жить на враждебной поверхности.
Согласно предположению ученых, автономные колонии-города могут быть построены над облаками Венеры. На высоте 50 км от поверхности, такие города будут в безопасности от суровой венерианской поверхности, поскольку атмосфера Венеры является самой землеподобной средой в Солнечной Системе. Предполагается, что в ближайшем будущем исследование человеком Венеры могло бы проходить с аэростатов в атмосфере, и что в долгосрочной перспективе постоянные поселения могли быть сделаны в виде городов, спроектированных для плавания на пятидесяти километровой высоте в атмосфере Венеры.
На высоте 50 км над поверхностью окружающая среда имеет давление приблизительно 100000 Па, что немного меньше давления на уровне моря на Земле. Температура в этих регионах также варьируется от 0 до 50°С, а защита от космического излучения обеспечивалась бы атмосферой выше с защитной массой, эквивалентной земной.
Современные технические возможности не позволяют нам реализовать предложенные методы колонизации Венеры. И тем не менее очень вероятно, что в более далеком будущем развитие технологий позволит создать на Венере полноценные воздушные колонии и постепенно преобразовывать атмосферу Венеры для комфортной жизни человека, и тогда мы с уверенностью сможем называть ее сестрой нашей планеты.
Перспективы освоения Луны
Луна – это естественный спутник Земли, являющийся ближайшим к нам небесным телом.
В настоящее время наиболее популярным местом возможной колонизации является бассейн Айткена на Южном полюсе, массивный ударный район вокруг южной полярной области Луны. Одной из главных особенностей этого региона является тот факт, что он постоянно затенен, что означает, что он имеет гораздо более стабильные температуры. Кроме того, многочисленные миссии подтвердили наличие водяного льда в регионе, который можно собирать, чтобы получить много полезных ресурсов - от водородного топлива и газообразного кислорода до питьевой и поливной воды.
Обилие льда вокруг полярных регионов обеспечит поселенцев постоянным источником воды для питья, орошения и переработки для производства топлива и кислорода для дыхания. Необходим строгий режим переработки, чтобы свести к минимуму количество отходов, и компостирующие туалеты, скорее всего, будут использоваться вместо смывных туалетов.
Важной особенностью условий на Луне является то, что день и ночь на ней длятся около 15 суток. Эксперименты по выращиванию растений с имитацией длинной лунной ночи, проведенные русскими биофизиками, показали, что при определенных условиях растения могут пережить подобные условия без дополнительного освещения. Эксперименты проводились с такими растениями, как пшеница, морковь, свекла, редис, репа. Лучшую продуктивность в особых лунных условиях показала свекла.
Лунная вода также может быть использована в качестве источника энергии, если колонии оснащены электролизными батареями (где молекулы воды расщепляются на водород и кислород, а водород сжигается). Другие источники энергии могут включать солнечные батареи, которые могут быть построены вокруг кратеров и направлять электроэнергию к поселениям внутри них.
Луна – это наш билет в космическое будущее. Учитывая перечисленные преимущества, такие как близость Луны и наличие на ней полезных ресурсов, я могу сделать вывод, что освоение Луны может начаться уже сейчас, ведь мы уже посещали ее, и было бы неправильно останавливаться на достигнутом.
Перспективы освоения Марса
Марс – четвертая от Солнца планета солнечной системы. Она почти вдвое меньше Земли по размерам и в девять раз – по массе. На среднем расстоянии 228 млн. км от Солнца Марс обращается вокруг него за 687 земных суток. Плоскость экватора наклонена к плоскости орбиты планеты под углом 25 градусов по Цельсию, благодаря чему здесь происходит регулярная смена времен года, похожая на земную.
Существует ряд причин, по которым Марс является весьма благоприятным местом для колонизации. Так, температура на Марсе не так сурова, как на Венере или Меркурии; на планете есть большое количество воды в полярных шапках; Марс расположен достаточно близко по отношению к Земле; длина суток и года не отличаются кардинально, поэтому колонизаторам будет легче адаптироваться.
Сделать Марс благоприятным для жизни колонистов можно путем терраформирования. Используя такие организмы, как цианобактерии и фитопланктон, колонисты могут постепенно преобразовывать большую часть углекислого газа в атмосфере в кислород для дыхания.
Кроме того, на южном полюсе Марса имеется значительное количество углекислого газа в форме сухого льда. Если температура планеты будет повышена, этот лед сублимируется в газ и увеличит атмосферное давление. Хотя люди все равно не будут дышать, этого будет достаточно, чтобы устранить необходимость в скафандрах. Возможный способ сделать это - преднамеренно вызвать парниковый эффект на планете. Поскольку диоксид углерода – парниковый газ, для повышения температуры на Марсе его можно было бы выделить и сухого льда, находящегося в полярных шапках.
Другое предлагаемое решение - строительство мест обитания под землей. По имеющимся данным, там есть лавовые трубки большого диаметра, которые образуются под поверхностью после извержения вулканов и тянутся на сотни метров. Такая подземная система может стать основой для целого марсианского города. Оборудовать поселения лучше всего вблизи экватора, где температура самая высокая, например, в долине Маринера.
Что касается получения энергии, то применительно к Марсу наиболее перспективным и рентабельным вариантом является применение солнечных батарей.
На Марсе имеются огромные запасы воды в виде льда. Большая часть этого водяного льда находится в полярных регионах. Сканирования зондов показали, что под поверхностью южной полярной шапки на глубине 1,5 км есть озеро шириной 20 км
Для пополнения запасов еды планируется строительство комплексов, по функциям сходных с земными фермами. Для защиты от вредного излучения теплицы будут скрыты под слоями защитных материалов
Несмотря на вышеупомянутые преимущества, есть также довольно серьезные проблемы колонизации Красной планеты. Начнем с вопроса о средней температуре поверхности, которая совсем не гостеприимна. В то время как температура вокруг экватора в полдень может достигать температуры 20 ° C, ночная температура опускается до -80 градусов по Цельсию. Гравитация на Марсе также составляет всего лишь около 40% от того, что мы испытываем на Земле, что затруднило бы приспособление к нему. Марс также не имеет глобального магнитного поля, сравнимого с геомагнитным полем Земли. В сочетании с тонкой атмосферой это означает, что значительное количество ионизирующего излучения способно достичь поверхности Марса.
Учитывая все многочисленные преимущества, большие перспективы для преобразования окружающей среды, сравнительно благоприятные условия среды, не требующие радикальных мер для адаптации человека, а также темпы развития науки и технологий, можно сделать вывод, что полноценное освоения Марса совместными усилиями всего человечества может начаться в ближайшем будущем.
Перспективы освоения Цереры
Одним из главных кандидатов на освоение среди тел Главного пояса астероидов является карликовая планета Церера. Из-за ее важного местоположения и других преимуществ, которыми обладает эта карликовая планета, существуют предложения создать колонию на Церере. Это могло бы послужить базой для предприятий по разработке полезных ископаемых астероидов, а также форпостом человеческой цивилизации, которая могла бы способствовать расширению человечества дальше в Солнечную систему.
Колонизация Цереры будет включать в себя многие из тех же методов, которые могут быть использоваы для создания колоний на Луне, Меркурии и спутниках Юпитера и Сатурна. Они могут быть установлены внутри ударных кратеров, которые затем могут быть закрыты с помощью купола. Реголит, добытый из пояса астероидов, можно затем использовать для 3D-печати базового слоя рядом со льдом, а затем распечатывать структуры. Лед и органические молекулы можно собирать на месте, чтобы обеспечить водой и питательными веществами, которые в сочетании с реголитом обеспечат необходимую почву для выращивания пищи.
С другой стороны, колония могла быть установлена в ледяной коре планеты. Это было бы наиболее полезно, если бы инженеры попытались ускорить вращение Цереры (хотя это само по себе представляет серьезную проблему). С вертикальной осью колоний, направленной к центру Цереры, это вращение создаст центробежную силу, которая обеспечит искусственную гравитацию.
Благодаря наличию на местах водяного льда, минералов, кремнезема и других видов сырья со временем может быть достигнута самообеспеченность. Как уже отмечалось, тот факт, что Церера является самым крупным телом в поясе астероидов, делает его хорошим местом для потенциальной колонии. Она может действовать как основная база и транспортный узел для добычи астероидов, что позволит транспортировать добытые из пояса ресурсы обратно на Марс и / или Землю. Это также может быть пункт остановки и дозаправки для миссий, направляющихся во внешнюю Солнечную систему.
Колонизация астероидов – очень непростая задача, и технологии нынешнего столетия не позволяют серьезно обсуждать такую перспективу. Но, учитывая развитие науки и технологий, мы можем надеяться, что однажды мы сможем покорить даже астероиды, сделав их важнейшим источников полезных ресурсов и ценных научных знаний.
Перспективы освоения спутников Юпитера
Создание колоний на Галилеевых спутниках имеет много потенциальных выгод для человечества. С одной стороны, система Юпитера невероятно богата летучими веществами, которые включают воду, диоксид углерода и аммиачный лед, а также органическими молекулами. Кроме того, считается, что спутники Юпитера также содержат огромное количество жидкой воды. Например, оценки объема, сделанные во внутреннем океане Европы, предполагают, что он может содержать три квадриллиона кубических метров воды.
По оценкам НАСА, стать первым из колонизированных спутников Юпитера может Каллисто. Это возможно благодаря тому, что Каллисто геологически стабилен и находится вне зоны действия радиационного пояса Юпитера. Этот спутник может стать центром дальнейших исследований окрестностей Юпитера, в частности, Европы.
Колонии, основанные на Европе и Ганимеде, также позволят установить несколько разведочных миссий во внутренних океанах, которые, как полагают, имеют эти луны. Учитывая, что эти океаны также считаются одними из наиболее вероятных мест для внеземной жизни в нашей Солнечной системе, возможность их изучения вблизи имела бы большую ценность для астробиологических исследований.
Учитывая рассмотренные выше неоспоримые преимущества и недостатки, связанные с освоением системы Юпитера, можно прийти к заключению, что, хотя колонизаторские и исследовательские миссии к спутникам Юпитера встретят на своем пути огромное множество препятствий, как финансовых, так и технических, колонизация юпитерских лун проложит нам путь к полноценному освоению межпланетного пространства и предоставит не только массу полезных научных данных, но и множество ценных ресурсов и технических возможностей.
Перспективы освоения спутников Сатурна
В своей книге «Вступление в космос: создание космической цивилизации» Роберт Зубрин выступил за колонизацию внешней Солнечной системы, план, который включал в себя разработку атмосферы внешних планет и создание колоний на их спутниках. Сатурн был определен как один из крупнейших источников дейтерия и гелия-3, который может быть использован для создания термоядерных реакторов на Земле и по всей Солнечной системе. Зубрин утверждал, что Титан является главным кандидатом для колонизации, потому что это единственная луна в Солнечной системе, которая имеет плотную атмосферу и богата углероводородными соединениями, которые могут быть использованы для получения энергии.
Энцелад имеет более высокую плотность, чем многие спутники Сатурна, что указывает на то, что он имеет большее среднее силикатное ядро. Все эти ресурсы оказались бы очень полезными для строительства колонии и обеспечения основных операций. Кроме того, существование подповерхностного океана обеспечит возможность добывать на Энцеладе воду для создания топлива и питья.
Колонии на спутниках Сатурна могут также служить базой для сбора дейтерия и гелия-3 из атмосферы Сатурна. Обильные источники водяного льда на этих лунах также могут быть использованы для производства ракетного топлива, таким образом служа в качестве точек остановки и заправки. Таким образом, колонизирующая система Сатурн может питать экономику Земли и способствовать более глубокому исследованию внешней Солнечной системы.
Система Сатурна чрезвычайно богата интересными и удивительными мирами, такими как Титан и Энцелад. Более того, эти миры изобилуют множеством полезных ресурсов – от воды и жидких углеводородов до гелия-3. Научное сообщество предложило множество перспективных и технически осуществимых возможностей освоения этой системы, и в отдаленном будущем – возможно, в ближайшие 200-300 лет, - заселение спутников Сатурна будет неизбежным.
Практическая часть
В ходе работы над проектом я сделал вывод, что Марс является одним из самых благоприятных мест для освоения и колонизации, поэтому я решил создать макет автономной станции на Марсе, в котором я постарался учесть особенности марсианских условий и отобразить свое собственное видение колонии на Марсе.
В своем макете марсианской колонии я представил следующие элементы, которые будут необходимы с учетом особенности этой планеты:
Научно-исследовательский комплекс, в котором проводится анализ полученных в ходе экспедиций данных и осуществляется связь с земными учеными. (см. приложение 1,2)
Система солнечных батарей, необходимых для получения электрической энергии. (см. приложение 1,2)
Специальное помещение, где выращиваются растения для питания и получения кислорода – своеобразная марсианская теплица. (см. приложение 1,2)
Место старта и посадки космического корабля, который доставляет полезные грузы и новых колонистов. (см. приложение 1,2)
Передвижная исследовательская станция, с помощью которой колонисты будут отправляться в экспедиции в другие регионы. (см. приложение 1,2)
Место хранения углекислого газа, собранного с полярных шапок и необходимого для жизнедеятельности растений и терраформации планеты. (см. приложение 1,2)
Место хранения воды, собранной с полярных шапок и необходимой как для колонистов, так и для растений и животных. (см. приложение 1,2)
В практической части моей работы я также применил важнейший астрономический метод – наблюдение; использовав мой зеркальный телескоп Celestron AstroMaster 130 EQ, летом 2019 года я в течение нескольких недель наблюдал за Луной, Марсом, Венерой, а также Юпитером и четырьмя его спутниками (Ио, Каллисто, Ганимед и Европа). Астрономические наблюдения за планетами и спутниками Солнечной системы помогли мне сформировать собственное представление о них, а также побудили задаться вопросом, насколько возможным представляется их освоение и колонизация.
Заключение
В ходе моей работы я рассмотрел планеты, спутники, малые тела Солнечной системы, изучил их химические и физические свойства, выяснил предлагаемые учеными пути колонизации этих миров и определил, какие из них имеют наибольшие перспективы для заселения в будущем.
Так, с учетом всех – как позитивных, так и негативных – аспектов я пришел к выводу, что наиболее благоприятные для колонизации миры – это Луна и Марс. Я с большой долей уверенности могу сказать, что именно с них начнется эпоха освоения космических просторов.
В практической части своего проекта я представил один из возможных вариантов того, как могла бы выглядеть автономная колония на Марсе. Созданная в результате модель может быть применена практически и служить ориентиром для проектов по созданию колоний. Также я проводил астрономические наблюдения за некоторыми планетами и спутниками Солнечной системы, что послужило изначальной мотивацией исследовать вопрос об их колонизации. Кроме того, моя работа была опубликована на сайте «Инфоурок».
Освоение Солнечной системы – это чрезвычайно сложная задача, и для ее решения потребуются колоссальные усилия всего человечества. Если мы сумеем наладить сотрудничество между странами, меньше ресурсов будем вкладывать в соперничество и больше – во взаимопомощь, то наконец добьемся статуса межпланетной цивилизации.
Список литературы
1. Д. Фишер «Рождение Земли», издательство «Мир», Москва, 1990 г., 264 стр.
2. И.А. Климишин «Астрономия наших дней», издательство «Наука», Москва, 1980 г., 453 стр.
3. К. Саган «Голубая точка», издательство «Альпина нон-фикшн», Москва, 2018 г., 406 стр.
4. М.М. Дагаев, В.М. Чаругин «Астрофизика», издательство «Просвещение, Москва, 1988 г., 207 стр.
5. М.Я. Маров «Планеты Солнечной системы», издательство «Наука», Москва, 1981 г., 253 стр.
6. Ф.Ю. Зигель «Путешествие по недрам планет», издательство «Недра», Москва, 1988 г., 220 стр.
7. Ф.Ю. Зигель «Сокровища звездного неба», издательство «Наука», Москва, 1986 г., 293 стр.
8. https://www.universetoday.com/130109/how-do-we-colonize-mercury/
9. https://www.universetoday.com/130482/how-do-we-colonize-venus/
10. https://www.universetoday.com/143010/how-do-we-colonize-the-moon/
11. https://www.universetoday.com/14883/mars-colonizing/
12. https://www.universetoday.com/143011/how-do-we-colonize-ceres/
13. https://www.universetoday.com/130637/colonize-jupiters-moons/
14. https://www.universetoday.com/132413/colonize-saturns-moons/
15. https://ru.wikipedia.org/wiki/Колонизация_Титана
Приложение
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3