Кейс "Марс"
материал по физике (9 класс)

Название кейса: Колонизация Марса

Авторство: групповая работа коллектива МОУ СЖСОШ№23 (Городской округ Люберцы)

Брянская Л.Б., Емельянова Е.В., Васенкова А.С.

Основная идея кейса:  гипотетическое создание автономных человеческих поселений вне Земли

Проблема: изучение возможности жизни вне планеты Земля

Материалы:

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%9C%D0%B0%D1%80%D1%81%D0%B0
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%B8%D1%80%D1%83%D0%B5%D0%BC%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%91%D1%82_%D0%BD%D0%B0_%D0%9C%D0%B0%D1%80%D1%81

Класс: 9

Ребята, вы рассмотрите ситуации, в которых вам понадобятся знания различных научных областей. Надеемся что, выполнив предложенные задания, вы поймёте: главное – это уметь использовать то, что вы получили на уроках, в самых разных жизненных ситуациях, применять смекалку и логику, доводить решения до конца.  

Колонизация Марса

На сегодняшний день Марс является наиболее привлекательным объектом для потенциальной колонизации. Стоит начать с того, что это ближайшая планета к Земле (не считая Венеры). Несмотря на то, что человек не может находиться на поверхности Марса без защитного снаряжения, условия планеты очень похожи на земные.

Цели:

1. Создание постоянной базы для научных исследований Марса, его спутников, пояса астероидов (в том числе добычи полезных ископаемых на них) и дальних планет Солнечной Системы.
2. Промышленная добыча ценных полезных ископаемых. Необходимо учитывать, что на текущий момент стоимость доставки грузов и организации добычи очень велика.
3. Решение демографических проблем Земли.
4. Создание «Колыбели Человечества» на случай глобального катаклизма на Земле.

Таким образом, очевидно, что на текущий момент и ближайшее будущее актуальна только первая цель.

Факторы, упрощающие колонизацию

• Марсианские сутки составляют 24 часа 39 минут 35,244 секунды.
• Наклон оси Марса к плоскости эклиптики составляет 25,19°, а земной — 23,44°. В результате этого на Марсе есть смена времён года, хотя она и происходит гораздо дольше, поскольку марсианский год длится 687 дней.
• У Марса есть атмосфера, плотность которой составляет всего 0,7 % земной, она даёт некоторую защиту от солнечной и космической радиации, а также облегчает аэродинамическое торможение космического летательного аппарата.
• На Марсе имеется вода в виде значительных и непосредственно доступных залежей водяного льда.
• Параметры марсианского грунта близки к земным.
• Химический состав распространённых на Марсе минералов разнообразнее, чем у других небесных тел поблизости от Земли.
• У Марса есть два естественных спутника, Фобос и Деймос. Эти спутники могут оказаться полезными при проверке средств колонизации астероидов.

Факторы, усложняющие колонизацию

• Сила тяжести на Марсе составляет порядка 3,71 м/c2.
• В силу того, что Марс находится дальше от Солнца, количество достигающей его поверхности солнечной энергии составляет всего 43 % от этой величины для Земли.
• Температура поверхности Марса гораздо ниже земной.

• Орбита Марса и Земли.
• Атмосферное давление на Марсе составляет менее 1 % земного, что слишком мало, чтобы люди могли выжить без пневмокостюма.

Состав атмосферы Марса

• Радиационный фон на Марсе

Сравнение дозы облучения, получаемой экипажем

будущей марсианской экспедиции,

с другими различными источниками на Земле

• Вода в чистом виде не может существовать на поверхности Марса в жидком состоянии и даже при температуре выше 0 °C вследствие низкого давления сублимируется, то есть переходит из твёрдого состояния напрямую в газообразное. А жидкость, обнаруженная на Марсе, представляет собой концентрированный солевой раствор, так что высокое содержание перхлоратов в грунте ставит под сомнение возможность выращивания в марсианской почве земных растений без дополнительных экспериментов либо без искусственного грунта.
• Магнитное поле Марса не способно защитить живые организмы от космической радиации, а атмосферу (при условии её искусственного восстановления) — от рассеивания солнечным ветром.

Перелёт на Марс

Время полёта с Земли до Марса (при нынешних технологиях) составляет 6-8 месяцев. В принципе, доставка на Марс необходимого минимума снаряжения и припасов на начальный период существования небольшой колонии не выходит за пределы возможностей современной космической техники, с учётом перспективных разработок, срок реализации которых оценивается в одно-два десятилетия. На текущий момент принципиальной нерешённой проблемой остаётся защита от излучений во время перелёта; в случае её решения сам перелёт (в особенности, если он будет производиться «в одну сторону») вполне реален, хотя и требует вложения огромных финансовых средств и решения целого ряда научных и технических вопросов различного масштаба.

Терраформирование Марса

Основные задачи:

1. Повышение давления атмосферы до уровня, при котором вода могла бы существовать в жидком виде.
2. Повышение температуры в экваториальной части планеты до +10° — +20°С.
3. Создание аналога озонового слоя для защиты от ультрафиолетового излучения.
4. Создание биосферы.
5. Создание полноценного магнитного поля планеты.

Этапы терраформирования Марса

Ученые полагают, что для того чтобы, в частности, воздух стал пригодным для дыхания на Марсе, потребуется при нынешних технологиях от 300 лет до целого тысячелетия, а по менее оптимистичным оценкам, это займёт миллионы лет.

Основные сложности

Крайне высокая стоимость доставки колонистов и грузов на Марс является основным ограничивающим фактором проекта колонизации. Одной из главных проблем является защита космонавтов от потоков частиц солнечной радиации. Поэтому космические корабли, отправляющиеся к Марсу, должны обладать особыми «убежищами» или другими средствами защиты от облучения, либо необходимо сокращать время полёта.

Также следует отметить высочайшую сложность посадки на поверхность, включающую в себя как минимум четыре обязательных стадии

• торможение двигателями до входа в атмосферу
• торможение об атмосферу
• торможение двигателями в атмосфере
• посадка на огромные сложные подушки безопасности или с помощью уникального крана.

«Стартовое окно» для полёта между планетами открывается один раз в 26 месяцев. С учётом времени перелёта даже в самых идеальных условиях (удачное расположение планет и наличие транспортной системы в состоянии готовности) ясно, что, в отличие от околоземных станций или лунной базы, марсианская колония в принципе не будет иметь возможности получить оперативную помощь с Земли или эвакуироваться на Землю в случае возникновения нештатной ситуации, с которой невозможно справиться своими силами. Таким образом, просто для выживания на Марсе колония должна иметь гарантированный срок автономии не менее трёх земных лет. С учётом возможности возникновения в течение этого срока самых различных нештатных ситуаций, аварий оборудования, природных катаклизмов ясно, что для обеспечения выживаемости колония должна иметь значительный резерв оборудования, производственных мощностей во всех отраслях собственной промышленности и, что на первых порах самое главное — энергогенерирующих мощностей, так как и всё производство, и вся сфера жизнеобеспечения колонии будет остро зависеть от наличия электроэнергии в достаточных количествах.

С целью исследования возможных проблем при перелёте на Марс и нахождении на планете проводились различные исследования: строились т. н. аналоговые станции, ставились эксперименты, моделирующие условия пилотируемой миссии на Марс.

Можно выделить следующие основные проблемы, связанные с условиями пребывания на Марсе:

• Высокий уровень космической радиации.
• Сильные сезонные и суточные колебания температуры.
• Метеоритная опасность.
• Низкое атмосферное давление.
• Пыль с высоким содержанием перхлоратов и гипса. Её частицы слишком малы, чтобы полностью изолироваться от них, а электростатические свойства (в результате трения) способны вывести из строя технику.
• Марсианские песчаные бури, которые до сих пор до конца не изучены и которые пока не представляется возможным предсказывать с помощью метеорологического спутника.
• Малый ресурс ключевых элементов, необходимых для жизни (таких как азот, углерод).

Возможные физиологические проблемы для экипажа марсианской экспедиции

• Отрицательные эффекты от воздействия космической радиации.
• Адаптация к марсианской гравитации.
• Длительная невесомость.
• Слабое магнитное поле на Марсе также оказывает пагубное воздействие на организм, в результате чего у человека нарушается работа вегетативной нервной системы. Поэтому при посадке на Марс в лагере космонавтов необходимо будет создать искусственное магнитное поле. Данный вопрос также изучен не до конца.
• Неполноценное питание. Нарушается работа пищеварительной системы, обмен веществ.
• Нарушения сна, снижение работоспособности, изменения метаболизма.
• Психологический аспект длительного пребывания в замкнутом пространстве: когнитивные и поведенческие расстройства, сложности с взаимодействием в команде.
• Удалённость от цивилизации влечёт отсутствие адекватной медицинской помощи, кроме того, непредсказуемое действие лечения из-за длительного хранения лекарств в условиях невесомости и радиации, а также возможных изменений их распределения и утилизации в организме.

Колония на Марсе

Конструкция будущей Марсианской колонии предполагает обязательную защиту от радиации

Первоочередные задачи при освоении Марса

• Производство энергии.
• Построение укрытий. Жилые и рабочие помещения
• Добыча воды изо льда в приповерхностном слое и полярных шапок.
• Синтез кислорода для дыхания.
• Производство продуктов питания
• Производство топлива.
• Организация связи как на Марсе, так и с Землей. Для общения с колониями может использоваться радиосвязь, которая имеет задержку 3—4 мин в каждом направлении во время максимального сближения планет (которое повторяется каждые 780 дней) и около 20 мин при максимальном удалении планет.

Прогноз дальнейшего развития

При успешном выполнении первоочередных задач по развёртыванию автономной полноценно функционирующей колонии, представляющими собой наиболее сложный этап, по оптимистичным оценкам число желающих мигрировать на Марс (при условии возможности возвращения) может возрастать в геометрической прогрессии.