исследовательская работа "Проект лунных поселений"

Министерство образования и науки РФ

Всероссийский конкурс научно-технических

и художественных проектов по космонавтике

«Звездная эстафета»

Проект  

Лунное поселение

Выполнил: Кузьмин Иван  Владимирович, 15 лет

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №47 г.Улан-Удэ», адрес: 670042, Республика Бурятия, г.Улан-Удэ, ул.Калашникова, 12

Тел.-факс: 8 (3012)450232, e-mail: school47@inbox.ru

 Руководитель: Гармаева Елена Сергеевна

2012

Аннотация

В проекте «Лунное поселение» рассматриваются возможности полета космических кораблей на Луну с целью организации на ней поселения и добычи полезных ископаемых, в т.ч. альтернативного источника энергии Гелия-3.  Рассматриваются вопросы исследования Луны,  работа роботов-вездеходов на её поверхности, строительства лунного поселения под поверхностью Луны, переработки лунного грунта для получения гелия-3.

В проекте  лунных поселений  использованы материалы научно-популярной литературы, а также мои собственные идеи.

В работе 26 страниц и 14 иллюстраций.

Литература

1. Первушин «Битва за Луну», Амфора, СПб 2007 г.

2.Сверхтекучий гелий-3 – нобелевская  лекция Э.Дж. Леггетта

3.Б. Черток  «Лунная гонка», Машиностроение, 1999г.

4.Л.Мартиндэйл  «Как это было на самом деле», Ридерз Дайджест, 2008г.

5.Ресурсы INTERNET.

Оглавление

1.Введение

2.Основная часть

1. Исследования Луны

1.2 Использование космических кораблей

1.3 Высадка роботов-вездеходов на Луну

1.4 Лунное поселение

1.5 Гелий-3

 3. Заключение

Введение

Вокруг многих планет вращаются маленькие планеты – спутники.  У Земли один спутник - Луна.

С первых шагов человеческой истории это небесное тело фигурировало в мифологии, религии, поэзии. Как возникла Луна? Одна из версий: 4 млрд лет назад с Землей столкнулось гигантское космическое тело - планетезималь.  После столкновения обломки планетезималя и часть земного вещества отбросило в космос. Этот всплеск представлял расплавленную породу, которая начала вращаться вокруг Земли, постепенно остывая, затем сжалась и превратилась в Луну.

Людей с древних времен интересовало, что же там на Луне? В прошлом веке на Луне работал первый луноход, американцы высаживались на поверхность Луны, брали грунт для изучения.

В современном мире Луна - это продолжение развития земной экономики. Один из примеров - гелий-3, тысячи тонн которого можно добыть на Луне и затем использовать в качестве топлива для гипотетического термоядерного реактора. Из высказывания Росарио Лунара, геолога мадридского университета Complutense: “Лунных запасов гелия-3 хватит на то, чтобы обеспечить Землю электроэнергией более чем на 1000 лет” (см.Приложение 1).

Проблема: как создать поселение на Луне. Цель: изучить вопросы построения лунного поселения для добычи гелия-3 и других полезных  ископаемых.  Необходимость и актуальность такого дорогостоящего проекта можно обосновать  решением научных и практических задач, среди которых ученые видят следующие:

• геологические,  научно-технические исследования Луны с целью открытия природных ресурсов и возможности использования этих ресурсов;
• создание лунного поселения  полностью  пригодного  для постоянного проживания  людей, т.е. воздух, вода, пища, и т.д.;
• создание  производств, эффективных в лунных условиях  для добычи полезных ископаемых, в том числе гелия-3(реголент гелия-3 составляет 1грамм на 100 тонн лунного грунта).

Можно выделить следующие задачи проекта:

- научно-техническое исследование Луны с целью создания лунного поселения на Луне;

-создание космического полигона для отработки космической техники;

- выведение космических спутников на орбиту Луны с использованием уже имеющихся такие как «Союз»ТМ-12, ТМ-10, ТМ-11, создание ракетоносителя  «Ангара» и т.д.

- создание роботов-вездеходов;

-создание посадочных модулей для доставки роботов на Луну;

-создание производства для строительства лунных поселений;

-создание производства для добычи полезных ископаемых, в том числе гелия-3.                                                        

Техническое требование

 Требуются: роботы-вездеходы,  управляемые людьми и способные проходить кратеры, ракетоносители имеющие большую грузоподъемность, способные поднять части лунного поселения и бур(ракетоноситель «Ангара»), космические станции, спутники способные поддерживать связь с поселением (СоюзТМ-12,ТМ-10,ТМ-11). бульдозер для добычи ископаемых (лёгковесный бульдозер lancer), разгонный блок, достаточный для разгона всех частей и дополнительного оборудования (разгонный блок Фрегат), буровой вездеход способный перевозить людей по поверхности Луны.      

Техническое задание

Основная задача проекта - добыча гелия-3 и других ископаемых, исследование Луны для получения полных сведений о ней, постройка лунного поселения под поверхностью Луны.

Основная часть

 На Луну гелий-3 попадает с солнечным ветром. Так называют поток газа, выбрасываемый во время вспышек на Солнце. Солнечный ветер долетает и до Земли тоже, но тут его задерживают верхние слои атмосферы, и мы обнаруживаем его только по полярным сияниям, а на Луне атмосферы нет. Частицы газа, прилетевшие с солнечным ветром, поглощаются лунным грунтом и накапливаются в нем. Когда советские луноходы добыли образцы лунного грунта и привезли их на Землю, то среди твердых веществ в них обнаружили и частицы газов водорода и гелия.

Если подсчитать, сколько же всего гелия-3 содержится в лунном грунте, получится замечательная цифра — один миллион тонн. Этого хватит для выработки энергии на Земле на тысячи лет.

Характеристика Гелия-3

Название - Гелий-3, символ - 3He

Нейтронов        1

Протонов        2

Свойства нуклида

Атомная масса        3,0160293191(26)[1] а.е.м.

Избыток массы        14 931,2148(24)[1] кэВ

Удельная энергия связи (на нуклон)        2 572,681(1)[1] кэВ

Изотопная распространённость        0,000137(3)[2] %

Период полураспада        стабильный[2]

Родительские изотопы        3H (β−)

Спин и чётность ядра        1/2+[2]

 Гелий-3 самый легкий из изотопов гелия, один из двух его стабильных изотопов. Ядро гелия состоит из двух протонов и одного нейрона, природная изотопная распространенность гелия-3 составляет  0,000137%. Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается в 35000 тонн. На Земле гелий-3 растворен в мантии и постепенно поступает в атмосферу  (через вулканы и разломы) оценивается в несколько килограммов в год.

В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливается в течение  миллиарда лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного  грунта содержит 0,01 гр. Гелия-3, это изотопное соотношение  значительно выше, чем в земной атмосфере. Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце. Гелия-3 на Луне  до  млн. тонн. При термоядерном синтезе когда в реакцию  тоннами дейтерия высвобождается энергия эквивалентная сгоранию тонны гелия  с  0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн. тонн нефти.

Академик Российской академии наук, член бюро Совета по космосу РАН Эрик Галимов считает, что нужно немедленно начать подготовку к добыче лунного топлива, сообщает ИТАР-ТАСС. Добычу гелия-3 на Луне и вывоз его оттуда космическими кораблями, по его мнению, можно будет начать через 15-20 лет

 "Чтобы обеспечить на год все человечество энергией, необходимо лишь два-три полета космических кораблей грузоподъемностью в 10 тонн, которые доставят гелий-3 с Луны... Затраты на межпланетную доставку будут в десятки раз меньше, чем стоимость вырабатываемой сейчас электроэнергии на атомных электростанциях", - сказал Галимов.

Буровой вездеход, разработанный для исследований полярных зон Луны - это легковесный бульдозер lance может использоваться для подготовки участков, для размещения лунных станций, для работы с лунным грунтом. Разработан бульдозер и буровой вездеход  NASA (см.приложение 3).

Исследования Луны

Исследования Луны с помощью космических аппаратов начались 14 сентября 1959 года  - это  исследования советской станции  Луна2. Обратная сторона Луны была сфотографирована станцией Луна3. Станция Луна9 первая совершила мягкую посадку на поверхность нашего естественного спутника. После посадки Луна9 передала первые фотографии поверхности Луны. В результате посадки Луны9 было доказана возможность безопасной посадки на Луну. Это было особенно важно, поскольку до этого момента считалось, что поверхность Луны состоит из слоя пыли, который может составлять в толщину несколько метров и любой объект просто бы «утонул» в этом слое пыли. Первым искусственным спутником Луны также была советская станция Луна 10, запущенная 31 марта 1966 года.

 Американская программа по пилотированному исследованию Луны называлась Аполлон. Первый практический результат она принесла 24 декабря 1968 года с облета космическим кораблем Аполлон 8 Луны. Человечество впервые ступило на поверхность Луны 20 июля 1969 года. Первым человеком, оставившим свой след на Луне был Нейл Армстронг, командир корабля Аполлон 11. Первым автоматическим роботом на поверхности Луны стал советский Луноход 1, который прилунился 17 ноября 1970 года. Последний человек побывал на Луне в 1972 году.

 Образцы лунной породы были доставлены на Землю в рамках советской программы автоматическими станциями Луна 16, 20 и 24. Также образцы лунной породы были доставлены на Землю астронавтами миссии Аполлон.

 С середины 1960-х годов до середины 1970-х 65 рукотворных объектов достигли поверхности Луны. Но после станции Луна 26 исследования Луны фактически прекратились. (см.Приложение  ).

Использование  космических  кораблей

На околоземную орбиту Земли вывести три космических корабля:

А) Разгонные блок «Фрегат»

Б) Ракетоноситель «Протон – М» с горючим.

В) Ракетоноситель «Ангара» с окислителем.

На орбите последовательно эти корабли стыкуются, после завершения стыковки образуется один корабль. С Земли стартует корабль с космонавтами, после стыковки образует облетный корабль и переводится на траекторию орбиты Луны. Позже будут выводиться  транспортные корабли, которые будут брать груз  от 1,5 до 30тонн.

В лунной программе России заложена программа создания лунных аппаратов  «Луна-Глоб», «Луна-Ресурс», которые отправятся на южные и северные полюса Луны для проведения исследований и получения сведений о внутреннем строении  Луны.

Высадка роботов-вездеходов на Луну.

Построить базу под поверхностью на глубине двух метров с помощью бура и установка там базы в виде отдельных, но соединенных частей, так как на такой глубине будет снижено  действие радиации, тепловых изменений, метеоритов. Пробурить буром на такую глубину будет несложно, так как гравитация на Луне в 6 раз меньше и на глубине раздробленная порода. На посадочных модулях нужно высадить роботов – вездеходов, руководить работой роботов будут космонавты на космическом корабле.

А) Роботы-вездеходы создают фотоэлементы, состоящие из лунной пыли:

Двуокись кремния – 50%

Алюминий, магний, железо- 50%

Роботы расплавляют и обогащают, и  создают солнечные батареи которые в последствие питает бур и роботов.

Б) Земной базальт очень схожий с породой лунных морей, может быть переработан в волокно, подобно стекловолокну, с помощью простого оборудования. Затем использовать  как конструкционный материал для строительства «подземной» лунной базы.

В) Лунную пыль смешивать с эпоксидной смолой для получения бетона. Все это пойдет на строительство «подземного» лунного поселения.

Лунное поселение

 Выбор места лунной базы определяется несколькими основными факторами.

А) Район базирования должен удовлетворять требованиям максимального содержания интересующих нас сырьевых ресурсов и наименьших затрат, включая обустройство.        

Б) Координаты этого района должны обеспечивать минимум затрат на транспортные космические операции с учетом требований максимальной безопасности персонала базы, когда ее инфраструктура еще недостаточно развита и степень самообеспечения низка.

В) В районе базирования рельеф должен быть удобен для размещения комплексов базы и иметь профиль, безопасный с точки зрения подлета и посадки лунных транспортных кораблей.

Г) В районе базирования и бурения не должно быть вулканических труб, образованных деятельностью вулканов(приложение№12)

 Этим требованиям отвечают расположенные в приэкваториальной зоне видимой стороны Луны морские районы, и в частности, западная область Океана Бурь, где предполагаются большие запасы лунной породы ильменита, наиболее богатой кислородом. Размещение лунного поселения на видимой стороне Луны дает возможность постоянной прямой радиосвязи с Землей, с космическими аппаратами.

 Приэкваториальная зона позволяет обеспечить транспортные операции между лунным поселением  и окололунной орбитальной станцией (станция как МКС) с возможностью стартов на каждом витке орбитальной станции вокруг Луны и с минимальными топливно-энергетическими затратами.

 Лунное поселение  разбить на ряд объектов.

А)  Главным объектом является основное сооружение, в котором есть всё для жизнедеятельности человека в максимальной степени воспроизводятся все привычные для человека условия жизни. Сооружение монтируется из отдельных модулей.

Б) В состав лунного поселения входят также энергетический центр.

В) Комплекс научного оборудования и сооружений, передвижные средства для проведения исследовательских экспедиций по Луне.

Лунное поселение создать на основе средних капсул на 5-10 человек, оснащенных всем: начиная от замкнутой биологической системы растительности, водоемами, установить за счет компьютеров климат, продолжительность дня для растений и человека для помещений для быта, досуга людей.

После основных капсул жизнедеятельности отправить капсулы по исследованию геологии местности для нахождения источника Гелия-3, что-бы покрыть расходы за кратчайший период времени. После капсул исследования нужно задействовать технику для добычи Гелия-3.

На первом этапе конструкции доставлять с Земли транспортными кораблями.  Потом непосредственно строить на Луне из железобетона, стекловолокна под землёй изготовленными на Луне роботами-вездеходами.

Продолжать исследования на Луне по  поиску воды. Поверхность Луны подвергалась бомбардировкам комет, а как известно ядра многих из них состоят из  льда, часть этого льда могла остаться на поверхности Луны. В полярных районах Луны, обнаружены кратеры которые находятся в тени. В них возможно содержится лед, из которого роботы получат воду и кислород. Другой способ: если подогреть лунную пыль до 1000 градусов можно получить водород, а из него воду. В исследованиях  по поиску воды помогут российские аппараты “Луна-Глоб “, “Луна-Ресурс”.

После строительства лунного поселения, когда люди обустроят быт,  привыкнут к новому месту жительства, начнется промышленная добыча гелия-3.

Заключение

Освоение космоса неизбежно, и в ближайшей перспективе та страна, которая будет контролировать перевозки на Луну, будет контролировать и экономику планеты. Так же как это было в прошлом: кто контролировал море, тот контролировал международную торговлю и колонии. Но верно и противоположное: та страна, которая сегодня не будет активно участвовать в проектах освоения космического пространства, рискует тем, что в будущем упоминаний о ней не останется даже в школьных учебниках истории.

Но одной стране будет трудно реализовать подобный  проект.

Исчисляться  стоимость проекта будет до 900 миллиардов долларов, срок освоения составит  15-20 лет, прежде чем люди смогут работать и жить в этих поселениях.

Поэтому в этом проекте должны быть задействованы многие страны, те, кто стремятся к освоению космоса и нашей ближайшей соседки Луны.

Может среди этих людей буду и я.

Приложения

Приложение 1. Луна.

Приложение 2. Лунный грунт.

Приложение 3. Буровой вездеход

Приложение 4. Космический аппарат “Луна-9”.

Приложение 5. Луноход

Приложение 6. Спускаемый аппарат «Аполлон»

Приложение 7. Разгонный блок «Фрегат»

Приложение 8. Космический аппарат  “Луна-ресурс”

Приложение 9. Космический аппарат «Луна-глоб»

Приложение 10.  Карта полярных районов  Луны,

где в кратерах возможен лед.

Приложение 11. Лунное поселение

Приложение 12.