Budowa bazy kosmicznej w klasie Teach article

Author(s): Erin Tranfield

Tłumaczenie Agnieszka Jarochowicz. Czego człowiek potrzebuje, aby móc zamieszkać na Księżycu czy na Marsie? Erin Tranfield proponuje interdyscyplinarne zajęcia szkolne mające na celu skłonienie uczniów do przemyśleń na ten temat przy jednoczesnej sporej dawce nauk ścisłych.

Artystyczna wizja kolonii
przyszłych misji na Marsie.
Kliknij na obrazek aby
powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości
NASA

Planeta Ziemia może zapewnić podstawowe warunki do życia dla trylionów organizmów, w tym ludzi. Tlen, którego potrzebujemy znajduje się w powietrzu dookoła, atmosfera ziemska chroni nas przed promieniowaniem, woda pitna jest w rzekach i jeziorach, a jedzenie można znaleźć bez trudu niemal wszędzie.

Na Ziemi zachodzą procesy cykliczne, gdzie produkty uboczne jednego gatunku są wykorzystywane przez inny, w taki sposób, że odpady nie nagromadzają się w dużych ilościach: przykładem tego jest obieg węgla w przyrodziew1, gdzie tlen i dwutlenek węgla są na przemian wytwarzane i zużywane przez rośliny i zwierzęta.

Przepływ zasobów nadających się do przetworzenia na pokładzie MSK
Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA

Jednak w kosmosie żaden z tych warunków nie jest spełniony. Zatem aby tam żyć i pracować musimy zabrać ze sobą wszystko, czego potrzebujemy i musimy opracować sposoby przetwarzania i usuwania odpadów, które wytwarzamy. Należy to zrobić przy jednoczesnym ograniczeniu wagi materiału zabieranego w kosmos i składającego się na sprzęt zapasowy (redukcja).

Ciężar należy ograniczyć, gdyż transport w kosmos jest niezmiernie drogi. Obecnie przewiezienie 1 kg na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS) kosztuje około 17 tyś. dolarów amerykańskich (gdzie średni koszt wyniesienia na orbitę wynosi 450 milionów dolarów, a promy kosmiczne przewożą średnio 26 tysięcy kilogramów towaru wraz z astronautami). Koszt przewiezienia 1 kg na Księżyc czy na Marsa będzie znacznie wyższy.

Zdjęcie Ziemi wykonane
przez Andre Kuipers
astronauty z ESA z okna
kapsuły Soyuz
Zdjęcie dzięki uprzejmości ESA

Przy tak wysokich nakładach finansowych i trudnościach związanych z każą misją kosmiczną każdy kilogram musi być uzasadniony. Ponadto, sprzęt zapasowy jest konieczny w przypadku każdego systemu podtrzymującego życie w kosmosie. Obecnie na ISS są trzy poziomy takiej redukcji na wypadek gdyby podstawowy system zawiódł i zapasowy okazał się potrzebny.

Zaangażowanie uczniów w projekt bazy na Księżycu lub Marsie może być dobrym sposobem na skłonienie ich do przemyślenia wyzwań związanych z życiem i pracą w kosmosie jak również na zilustrowanie decydującej roli, jaką odgrywają cykle na Ziemi dla przetrwania wszystkich organizmów. To ćwiczenie jest odpowiednie dla uczniów w każdym wieku (zobacz propozycje dla różnych grup wiekowych, poniżej).

Wprowadzenie do ćwiczenia zajmie około 2 godzin, co najmniej 2 kolejne godziny będą potrzebne na zaprojektowanie bazy kosmicznej w zależności od stopnia trudności samego projektu. Budowa bazy może zająć 5 do 15 godzin, co będzie zależało od liczby zaangażowanych studentów i złożoności projektu. Jeśli studenci są pełni entuzjazmu w związku z projektem, mogą chcieć przeznaczyć na to więcej czasu.

Po zakończeniu projektu, proszę przesłać zdjęcia bazy kosmicznej na adres editor@scienceinschool.org, a my opublikujemy wybrane zdjęcia na stronie internetowej Science in School.

Zdjęcie dzięki uprzejmości Luc
Viatour; źródło: Wikimedia
Commons

Projektowanie bazy kosmicznej

Begin by asking your students to consider what humans need to stay alive and work efficiently on Earth. How could we meet these needs in space? And how can we build space facilities with the highest efficiency, lightest weight and longest durability? Zobacz tabele poniżej z wieloma pomysłami, linkami do materiałów w tym z Europejskiej Agencji Kosmicznej (ang. European Space Agency, ESA)w2. Więcej informacji można ściągnąć w formacie PDF lub dokumentu Wordw3.

Teraz uczniowie mogą rozpocząć pracę nad projektem, a nawet zbudować swoją własną bazę kosmiczną. Wcześniej będą musieli zdecydować czy chcą wybudować swoją bazę na Marsie czy Księżycu, gdyż wymagania będą się różniływ4.

Uczniowie powinni mieć na uwadze, że choć Księżyc znajduje się bliżej Ziemi są tam większe zmiany temperatury i nie ma ochronnej atmosfery. Na Marsie zmiany temperatury są łagodne i jest atmosfera, ale znajduje się dużo dalej od Ziemi, zatem baza na tej planecie będzie musiała być bardziej niezależna.

Nadmuchiwany model bazy kosmicznej o średnicy 16 metrów mógłby pomieścić kilkunastu astronautów, żyjących i pracujących na powierzchni Księżyca. Na ilustracji astronauci wykonujący ćwiczenia, centrum operacyjne bazy, księżycowy łazik Lunar Rover, małe „clean room”, w pełni wyposażone laboratorium naukowe, lądownik księżycowy, badanie księżyca (geologia Księżyca), ogrody hydroponiczne, prywatne pomieszczenia załogi, urządzenia usuwające pył do pracy na powierzchni Księżyca oraz śluza powietrzna
Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA

Ćwiczenie dla uczniów w wieku 7 – 10 lat

Zdjęcie dzięki uprzejmości
NASA/JPL-Caltech
  1. Lekcję rozpocznij dyskusją na temat niezbędnych potrzeb życiowych ludzi na Ziemi, a następnie wspólnie stwórzcie listę, czego człowiek może potrzebować w kosmosie. Co jest niezbędne do przetrwania w kosmosie i co można zostawić, aby zredukować wagę i koszty?
  1. Omów jak ważne jest branie pod uwagę potrzeb człowieka w procesie projektowania i budowy. Wybierzcie dwa warunki, które baza musi spełnić (lista w tabeli poniżej) i uwzględnijcie je w projekcie bazy planetarnej dla co najmniej dwóch osób.
  2. Zbudujcie model bazy z kartonu i mocnej taśmy klejącej. Projekt może być rozmiaru pokoju lub blatu stołu. Pomocne przy projekcie mogą być strony internetowe Worldflower Garden Domew5 oraz GeoDomew6. Ozdóbcie kolonię, aby uczynić z niej przyjazne miejsce do życia dodając okna i kolory.
  3. Przedyskutuj z grupą, co każdy z uczniów wziąłby ze sobą, jeśli mógłby zabrać tylko jedną rzecz (np. zdjęcie rodzinne, nagranie muzyczne lub książkę).

Ćwiczenie dla uczniów w wieku 10 – 14 lat

  1. Podobnie jak w poprzedniej grupie, tyle że wybierzcie od czterech do sześciu warunków, jakie musi spełniać baza w kosmosie (patrz tabela poniżej) i uwzględnijcie je w projekcie obiektu dla co najmniej czterech osób.
  2. Poświęć więcej uwagi kwestii wagi bazy oraz związanych z nią kosztów.
Placówka na Księżycu mogłaby wytwarzać księżycowy tlen, prowadzić długie operacje na powierzchni oraz wyjaśnić różne kwestie zanim ludzie zaczną podróżować w celu eksploracji Marsa. Bliskość Księżyca, tylko kilkanaście dni od Ziemi, pozwala na testowanie systemu, dzięki któremu możliwa będzie wielomiesięczna podróż na Marsa
Zdjęcie dzięki uprzejmości Pat Rawlings i Faisal Ali / SAIC
Artystyczna impresja
przedstawiająca księżycowe
obiekty służące do
pozyskiwania tlenu z
wulkanicznej bogatej w
składniki ziemi wschodniego
Morza Jasności (łac. Mare
Serenitatis). Kliknij na
obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości
NASA / Pat Rawlings (SAIC)

Ćwiczenie dla uczniów w wieku 14 – 19 lat

  1. Podobnie jak w przypadku pierwszej grupy wiekowej, ale zamiast budowania modelu z tektury małe grupy uczniów powinny projektować bazę przy pomocy programu do projektowaniaw7 Należy wziąć pod uwagę co najmniej osiem warunków, jakie musi spełniać baza kosmiczna (patrz tabela poniżej) dla czterech osób.
  2. Opisz różne technologie potrzebne w bazie, np. elektrolizer służący do pozyskiwania tlenu z wody lub reaktor Sabatiera pozwalający przekształcić dwutlenek węgla na metan i wodęw8, technologia testowana na MSK (ang. ISS)w9.
  3. W projekcie uwzględnijcie elementy wpływające na dobry nastrój takie jak okna, kolor farby czy miejsca wypoczynku.
  4. Porównaj efekty pracy drużyn i sprawdź czy wszystkim podobają się projekty. Prawdopodobnie opinie uczniów będą się różnić w kwestii atrakcyjności modeli. Porozmawiaj z uczniami jak zaprojektować osiedle wielokulturowe.
 

Rozważania na temat projektowania bazy kosmicznej

Warunki na Ziemi

Czego oczekujemy w naszym codziennym życiu na Ziemi?

  • Schronienie przed pogodą – dom i ubrania
  • Czysta woda pitna oraz czyste środowisko życia
  • Powietrze
  • Pożywne jedzenie
  • Opieka medyczna
  • Odpowiednia ilość snu i czas wolny
  • Kondycja fizyczna

Warunki, które musi spełnić baza kosmiczna

Wiele z warunków, jakie musi spełnić baza będzie podobnych do tych na Ziemi, ale niektóre z nich będą specyficzne dla nowego środowiska.

  • Schronienie przed promieniowaniem, mikrometeorami, pyłem, otaczającą próżnią i środowiskami skrajnych temperatur
  • Znaczne ograniczenie użycia standardowej wody, zwiększone odzyskiwanie i przetwarzanie wodyw10. To obejmuje urządzenia higieny, które zużywają niewielką ilość wody –możliwość umycia się i wyprania ubrań przez astronautów oraz toaleta
  • Powietrze do oddychania – sposób na przetwarzanie starego powietrza (zapasy tlenu, usuwanie dwutlenku węgla oraz substancji zanieczyszczających) lub dostarczanie nowego powietrzaw11
  • Pożywne jedzenie – może być przywożone, magazynowane lub produkowane w bazie
  • Dostęp do opieki medycznej przy mniej poważnych problemach takich jak skaleczenia, wysypki, infekcje, ból zęba oraz choroba lokomocyjna, a także przy poważniejszych problemach takich jak złamania kości, kamienie nerkowe czy atak serca
  • Pomieszczenia sypialne
  • Sprzęt do ćwiczeń pozwalający na utrzymanie prawidłowego krążenia oraz dobrej kondycji mięśni i kości
  • Systemy regulacji temperatury równoważące skrajne temperatury. Temperatura na Księżycu przy powierzchni w stale zacienionych kraterach na biegunach może spadać do – 270 °C, a w pełnym słońcu na równiku może przekraczać 121 °Cw12
  • Systemy komunikacji (kontakt z kontrolą misji jak również z rodziną i przyjaciółmi na Ziemi)
  • Przetwarzanie lub usuwanie płynnych odpadów (mocz) i stałych odpadów (zwykłe śmieci, kał)w10, w11, w13. To należy robić zgodnie z wytycznymi ochrony planetarnejw14
  • Systemy monitoringu dla urządzeń podtrzymujących życie (monitorowanie jakości powietrza oraz wody, pomiar promieniowania)
  • Przygotowanie jedzenia oraz pomieszczenie do spożywania posiłków
  • Stanowiska pracy do eksperymentów badawczych (geologia, biologia, chemia, itd.). Ten wymóg jest istotny w przypadku długotrwałej eksploracji kosmosWiele z tych czynników było istotnych podczas projektowania MSK. Więcej szczegółów w Hartevelt-Velani & Walker (2008).

Możliwe rozwinięcie tematu: psychologia

Każda załoga w czasie długiej misji, na przykład na Marsie, będzie z dala od ukochanych osób, zamknięta na małej przestrzeni z innymi członkami załogi. Szkolenie z zakresu zarządzania kryzysowego jest niezbędne w równym stopniu jak nasze zrozumienie reakcji ludzi w sytuacjach stresowych, którzy przebywają w zamkniętym statku przez dłuższy okres czasuw15.

Stan psychiczny każdej osoby jest niezwykle istotny, gdyż wpłynie na stan psychiczny grupy, a ostatecznie nawet całkowity sukces misji. Zatem ważne jest zapewnienie dobrego psychologicznego wsparcia załodze.

Na Ziemi, człowiek, aby być szczęśliwym i wydajnym potrzebuje dobrego samopoczucia psychicznego w tym kontaktów z ludźmi. Aby to osiągnąć, poza punktami wymienionymi powyżej, baza musi zapewnić:

  • Prywatność dla każdego członka załogi nawet, jeśli przestrzeń jest niewielka
  • Wspólne miejsce spotkań i rozrywki
  • Kolor w bazie, wybrany przez każdą załogę przed wylotem
  • Organizmy żywe, np. rośliny lub ryby. Czy mogą wystąpić problemy etyczne?
  • Okna. Możliwość patrzenia przez okno jest bardzo ważnym psychologicznym czynnikiem. Dojrzenie Ziemi z Marsa będzie trudniejsze niż z Księżyca, gdyż będzie ona wyglądała jak jedna z małych gwiazd na niebie.Więcej na temat życia na pokładzie MSK, gdzie wymienione warunki są istotne, można znaleźć w Hartevelt-Velani et al. (2008).

Ograniczenia projektu

Baza kosmiczna powinna być:

  • Bezpieczna – to najważniejszy warunek
  • Solidna – silna, niezawodna, trwała, łatwa w utrzymaniu
  • Lekka – przeciętna lodówka waży 100 kg i zdecydowanie nie jest dobrym rozwiązaniem dla bazy
  • Możliwa do wyniesienia na orbitę – różne elementy muszą pasować do każdej rakiety w zakresie wagi, kształtu oraz zasilania
  • Wydajna – musi spełniać funkcje, dla których została zaprojektowana
  • Niedroga – eksploracja kosmosu jest kosztowna, zatem należy podjąć wszelkie kroki w kierunku obniżenia kosztów bez uszczerbku dla funkcjonalności i bezpieczeństwa bazy.

Projektowanie funkcjonalnej bazy

Jak można, przy nałożonych ograniczeniach, spełnić wszystkie warunki budując bazę? Można to zrobić poprzez:

  • Zastosowanie systemu budownictwa modułowego, zaczynając od niezbędnych obiektów i dodając pokoje według potrzeb (np. na badania czy przestrzeń dla większej załogi)
  • Rozwijanie technologii w celu wykorzystania zasobów Księżyca czy Marsa, np. produkowanie księżycowych cegieł lub cementu czy wykorzystując jaskinie na Marsie na bazy
  • Przetwarzanie (powietrze, woda, odpady, części lądujących statków do celów budowlanych, tlen i wodór z dodatkowego paliwa rakietowego do produkcji wody)
  • Miniaturyzacja tak wielu rzeczy jak to tylko możliwe, standaryzacja narzędzi, wtyczek, itd.
  • Wielofunkcyjność pomieszczeń, np. stół w jadalni można złożyć, co pozwala na wykorzystanie przestrzeni do innych celów.

Acknowledgement

The author would like to thank Scott Hovland from the European Space Agency for valuable comments and advice.

References

Web References

Resources

  • NASA rozwinął moduł nauki poprzez rozwiązywanie problemów w temacie kolonii kosmicznej. Począwszy od ćwiczenia wprowadzającego „szczelnie zamknięty pokój” poprzez cztery bloki tematyczne takie jak „życie w szczelnie zamkniętym kontenerze”, „ prozdrowotne wybory”, „powietrze i woda”, „śmieci lub skarby”, uczniowie zgłębiają wiedzę o ekosystemach, ludzkim żywieniu i dbaniu o kondycję, przetwarzaniu powietrza i wody oraz usuwaniu odpadów. Zobacz: www.nasa.gov/audience/foreducators/son/habitat
  • W ramach projektu CoReflect, finansowanego z funduszu UE, stworzono zajęcia dydaktyczne dla dzieci w wieku 10-12 lat dotyczące projektowania bazy kosmicznej na Księżycu. Dostępne w języku angielskim i holenderskim na stronie: www.coreflect.org/nqcontent.cfm?a_id=15089
  • Więcej informacji na temat potencjalnej misji załogowej na Marsa na stronie: http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/mars/mars_crew.html
  • Zestawy edukacyjne dla uczniów szkół podstawowych oraz gimnazjów są dostępne nieodpłatnie w językach wszystkich państw należących do ESA. W ofercie znajdują się zajęcia szkolne, notatki dla nauczycieli i uczniów i wiele więcej.
    • Zestaw edukacyjny MSK dla szkół podstawowych zawiera ćwiczenia takie jak budowanie modelu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej z domowych materiałów, planowanie ilości wody i wagi innych materiałów zabieranych na misję kosmiczną lub tworzenie jadłospisu astronauty. Zobacz: www.esa.int/SPECIALS/Education/SEMN3A5KXMF_0.html
    • Zestaw MSK przeznaczony dla uczniów gimnazjum zawiera filmy video, teksty oraz materiały interaktywne na temat budowania MSK, życia i pracy na pokładzie jak również ćwiczenia w postaci badania i filtrowania lokalnej wody, projektowania łazienki na stacji kosmicznej, badania wpływu środowiska na materiały lub projektowania i budowania komory rękawicowej takiej jak ta używana na MSK do przeprowadzania eksperymentów. Zobacz: www.esa.int/SPECIALS/Education/SEMTBS4KXMF_0.html
  • Filmy DVD o MSK dla uczniów w wieku 12-18 lat, wyjaśniające podstawowe pojęcia takie jak wpływ nieważkości na ludzkie ciało z prostą demonstracją, wyprodukowano z pomocą europejskich astronautów podczas ich misji na pokładzie MSK. Nieodpłatne materiały można ściągnąć z Internetu lub zamówić DVD. Zobacz: www.esa.int/esaHS/SEMZTFYO4HD_education_0.html
  • Materiały dydaktyczne Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) na temat MSK zawierają również trójwymiarowe narzędzie naukowe „Spaceflight challenge I” dla uczniów szkół średnich, które może służyć jako gra przygodowa z podziałem na role lub zestaw ćwiczeń interaktywnych. Omówiono tematy z zakresu programu nauczania nauk ścisłych w krajach europejskich z naukowymi wyjaśnieniami i podstawowymi informacjami. Aby ściągnąć program lub zamówić jego darmową kopię, proszę wejść na stronę: www.esa.int/esaHS/SEM3TFYO4HD_education_0.html
  • „Lekcje online” Europejskiej Agencji Kosmicznej (ang. ESA) przeznaczone dla uczniów szkół podstawowych i średnich oraz nauczycieli obejmują teksty, krótkie filmy video i ilustracje. Wśród omówionych tematów są „życie w kosmosie”, „promieniowanie”, „grawitacja i nieważkość” oraz „wirusy w kosmosie”. Zobacz: www.esa.int/SPECIALS/Lessons_online
  • Symulacja lotu nad powierzchnią Marsa na Google Mars: www.google.com/mars
  • Wybór artykułów o tematyce związanej z kosmosem opublikowanych na stronie Science in School

Author(s)

Erin Tranfield ukończyła studia doktoranckie w maju 2007 roku na Wydziale Patologii Uniwersytetu British Columbia w Vancouver (Kanada). Następnie spędziła dwa lata w Centrum Badań Ames NASA w Moffett Field, w Kalifornii (USA) badając wpływ pyłu księżycowego na ludzką fizjologię i patologię. Obecnie Erin pracuje nad trójwymiarową rekonstrukcją wrzeciona mitotycznego przy pomocy tomografu elektronowego z wysoką rozdzielczością w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu (Niemcy).

Erin jest autorką studenckiego raportu badawczego Luna Gaia – a closed loop habitat for the moonw16 napisanego na Międzynarodowym Uniwersytecie Kosmicznym (ang. ISU)w17 w 2006 roku. Obecnie, jest adiunktem i obejmie kierownictwo nad Wydziałem Nauk o Życiu w Kosmosie na Międzynarodowym Uniwersytecie Kosmicznym w czasie dwumiesięcznego programu studiów o kosmosie w lecie 2011 w Graz (Austria).

Review

Dwa wyzwania, jakim nauczyciele nauk przyrodniczych muszą stawić czoła to przedstawienie nauki, jako użytecznej dla studentów i podejście do nauki w sposób zintegrowany. To ćwiczenie jest odpowiedzią na oba wyzwania.

W celu stworzenia bazy w kosmosie, uczniowie muszą zastanowić się nad swoimi potrzebami i wymogami, ocenić ich znaczenie, a następnie znaleźć możliwe rozwiązania na podstawie wiedzy z zakresu różnych nauk przyrodniczych (podejście zintegrowane). Innowacyjność ćwiczenia wzbudzi zainteresowani i entuzjazm uczniów. To niewątpliwie stanowi jego zaletę, ale oznacza konieczność starannego kierowania pracą uczniów w celu zakończenia ćwiczenia w rozsądnym czasie.

Ćwiczenia można wykorzystać w ramach zintegrowanego nauczania przedmiotów ścisłych lub połączyć różne naukowe tematy. Jeśli nie wszyscy uczniowie mieli kontakt z każdym rodzajem nauk ścisłych, można utworzyć grupy w skład, których będą wchodzili uczniowie reprezentujący wiedzę z różnych dziedzin. Mimo że głównym tematem zajęć są podstawowe warunki życia, to można dodatkowo omówić aspekty kulturowe i zachowania w przypadku wspólnego mieszkania na niewielkiej przestrzeni.

Ćwiczenie może zostać przekształcone w długoterminowy projekt realizowany poza klasą. To może być konkurs, w którym załogi muszą zastosować kryteria takie jak maksymalna waga i rozmiar bazy, liczba osób oraz długość misji. Pozostali studenci mogą ocenić, który projekt najlepiej spełnia wymogi.

Paul Xuereb, Malta

License

CC-BY-NC-SA