Физика и химия в космосе

Методы исследования. Наблюдение, опрос, интервьюирование, эксперимент.

Введение. Космос – это увлекательная, но и чрезвычайно сложная среда, в которой химия играет ключевую роль для поддержания жизни и безопасности космонавтов. От обработки воды до производства топлива, химические процессы и вещества являются неотъемлемой частью космических миссий, не просто помогая космонавтам успешно выполнять свои задачи, но и выжить. Данная статья погрузит вас в захватывающий мир химии за пределами нашей планеты, раскрывая, как наука о веществах помогает космонавтам дышать, питаться и проводить исследования в суровых условиях космоса.

Теоретическая часть

• Роль химии в космических исследованиях

А что химия? Она помогает не только изучать состав и свойства небесных тел, но и обеспечивает функционирование космических кораблей и пребывание космонавтов в космической среде.

Химический анализ образцов, собранных на Луне или других планетах, дает важную информацию о происхождении и эволюции Солнечной системы. Сложные химические реакции используются для получения топлива, жизненно необходимых ресурсов, таких как вода и кислород, а также для переработки отходов в космосе. Кроме того, химия применяется при создании высокотехнологичных материалов для космических скафандров и других систем.

Без глубоких знаний химии было бы невозможно осуществлять современные космические миссии и исследовать неизведанные уголки Вселенной. Химия стала неотъемлемой частью космической науки, открывая новые горизонты для человечества.

• Химические реакции для поддержания жизни в космосе

Одна из ключевых задач в космосе — получение кислорода для дыхания. Это достигается с помощью электролиза воды, когда под действием электрического тока молекулы воды разлагаются на кислород и водород.

Другим, не менее важным процессом, является регенерация воды из мочи и выдыхаемого углекислого газа с помощью фотокаталитических реакций. Также в космических кораблях используются химические методы для очистки воздуха от вредных примесей и переработки отходов жизнедеятельности.

Одним из самых критических химических процессов в космосе является производство топлива для ракетных двигателей. Обычно используется сжиженный кислород в сочетании с жидким водородом или другими горючими компонентами. Эти реагенты вступают в экзотермические реакции, выделяя огромное количество энергии для преодоления земного притяжения. Соблюдение точных пропорций и контроль за химическими реакциями является жизненно важным для безопасности космических полетов.

• Использование химических веществ для производства ракетного топлива

Химия важна при разработке и производстве высокоэффективных ракетных топлив, которые необходимы для космических полетов. Ученые-химики тщательно подбирают и изучают различные химические соединения, чтобы создать оптимальные виды топлива, обладающие высокой энергетической плотностью и низким удельным весом. Эти топлива должны быть стабильными, безопасными в обращении и способными обеспечить мощный и контролируемый выброс газов, необходимый для ускорения ракет.

Одним из распространенных видов ракетного топлива являются жидкие ракетные топлива, состоящие из окислителя, такого как жидкий кислород, и горючего компонента, например, керосина или жидкого водорода. Химики разрабатывают эффективные способы хранения, перекачки и впрыска этих токсичных и криогенных веществ в камеры сгорания ракетных двигателей. Другой подход - использование твердых ракетных топлив, которые представляют собой смесь окислителя и горючего, сформированную в виде твердого блока. Тщательный подбор химического состава таких топлив позволяет обеспечить необходимые характеристики по тяге, стабильности и безопасности.

•  Химические анализы для исследования космических объектов

Химические анализы играют ключевую роль в изучении космических объектов, таких как планеты, астероиды и кометы. С помощью передовых аналитических методов ученые могут определять химический состав и свойства этих небесных тел, что дает им важную информацию о происхождении и эволюции Солнечной системы.

Одним из ключевых инструментов является спектроскопия, которая позволяет изучать спектры электромагнитного излучения, испускаемого космическими объектами. По характеристикам этого излучения можно судить о наличии и концентрации различных химических элементов. Другие методы, такие как масс-спектрометрия и рентгеновская дифрактометрия, также широко используются для детального химического анализа.

Полученные данные о химическом составе дают ценную информацию о процессах, протекающих в недрах планет и астероидов, о возможности существования жизни и т.д. Эти знания помогают ученым строить более точные модели эволюции Вселенной и планировать будущие космические миссии.

•  Применение химии в скафандре космонавтов

Скафандры космонавтов представляют собой сложные технические системы, где химия играет ключевую роль. Для поддержания жизни космонавта в открытом космосе, где отсутствует атмосфера, необходимо создавать искусственную среду внутри скафандра. Это достигается благодаря использованию различных химических технологий и материалов.

Например, в системе жизнеобеспечения скафандра используются химические реакции для очистки воздуха от углекислого газа и генерации кислорода. Также в скафандре установлены системы регулирования температуры и влажности с помощью специальных химических веществ. Для защиты космонавта от радиации и метеоритной пыли применяются особые химические соединения в конструкции скафандра.

Кроме того, в скафандрах используются самоклеящиеся химические мембраны, которые позволяют космонавту совершать сложные движения без потери герметичности. Таким образом, химия лежит в основе многих технологий, обеспечивающих жизнедеятельность человека в экстремальных условиях космоса.

• Несколько интересных фактов о космонавтах в скафандрах

1. Первый космонавт в истории человечества Юрий Гагарин был одет в скафандр с оранжевыми вставками. Этот цвет был выбран для лучшей видимости в случае аварийного посадки.
2. Вес скафандра, который надевают космонавты при выходе в открытый космос, составляет около 120 кг на Земле. Однако благодаря невесомости в космосе этот вес не ощущается.
3. В скафандре космонавт должен самостоятельно контролировать свою температуру тела, так как в условиях космоса нет возможности регулировать температуру окружающей среды.
4. В скафандре есть специальный мешочек для сброса отходов, который называется "Maximum Absorbency Garment" (MAG). Это предотвращает необходимость возвращаться обратно в космический корабль во время долгих выходов в открытый космос.
5. Для космических прогулок в открытом космосе космонавтам необходимо тренироваться специальными упражнениями для поддержания физической формы и маневрирования в условиях пониженной гравитации.

• Химические технологии для переработки отходов в космосе

В космических миссиях вопрос утилизации и переработки отходов является критически важным. Химические технологии играют ключевую роль в решении этой проблемы. На борту космических кораблей и станций используются специальные системы рециркуляции, которые с помощью химических процессов преобразуют различные виды отходов во вторичное сырье и воду. Например, установки для обработки отходов могут использовать высокие температуры, ультрафиолетовое излучение и каталитические реакции для расщепления органических веществ на более простые соединения. Затем эти вещества могут быть повторно использованы для производства воды, кислорода и даже пищевых продуктов. Такие замкнутые циклы позволяют значительно сократить объемы вывозимого мусора и снизить затраты на обеспечение жизнедеятельности экипажа.

• Будущее химии в космических исследованиях

Химия играет ключевую роль в исследовании космоса, и ее значение будет только расти в будущем. Ученые предвидят множество захватывающих достижений в области космической химии, которые позволят расширить наши возможности по освоению и изучению Вселенной.

Разработка новых химических материалов для космических кораблей, позволяющих повысить их прочность, легкость и устойчивость к экстремальным условиям.

Создание замкнутых экологических систем для жизнеобеспечения космонавтов, которые будут эффективно перерабатывать отходы и возвращать в оборот жизненно важные ресурсы.

Применение химического синтеза для производства ракетного топлива, лекарств и других важных соединений непосредственно в космосе, без необходимости доставки с Земли.

Разработка новых технологий химического анализа, которые позволят детально исследовать химический состав планет, астероидов и других космических объектов.

Химия будет играть ключевую роль в реализации амбициозных космических проектов будущего, таких как колонизация Марса, добыча ресурсов на Луне и астероидах, а также полеты к отдаленным уголкам Солнечной системы. Ожидается, что химические инновации станут мощным двигателем прогресса в космических исследованиях.

Практическая часть  «Шесть шляп мышления»

Данный материал может быть полезен учителям предметов естественнонаучного блока, поэтому он был внедрен в подготовку студентов профилей подготовки «Химия», «Физика». С этой целью был опробован метод   «шести шляп», разработанный известным мальтийским психологом Эдвардом де Боно. Он включает в себя шесть разных ролей или шляп, каждая из которых обозначает определённое направление мышления: Белая шляпа символизирует объективные факты и информацию. Красная шляпа отвечает за эмоции и интуицию. Чёрная шляпа представляет собой выражение негативного мышления. Жёлтая шляпа отвечает за позитивное мышление. Зелёная шляпа символизирует творчество и новаторство. Синяя шляпа отвечает за управление процессом мышления.

Рисунок 1. Метод «Шесть шляп»

Метод шести шляп мышления позволяет активировать различные аспекты мышления, расширять границы принятия решений и получать более качественные и объективные результаты.

Вместе с учащимися школ студенты   обсуждали тему колонизации Венеры. Учащиеся, используя разные подходы к анализу, выработали ряд идей относительно переселения на другую планету.

Белая шляпа, символизирующая факты, выявила необходимость разработки новых технологий для создания космических кораблей, способных преодолевать сложные атмосферные условия Венеры. Студенты отметили потребность в увеличении мощности двигателей и использовании альтернативных источников энергии, здесь  необходимы были знания из астрофизики и астрохимии. 

Рисунок 2.  Планетарий. Летим на Венеру

Красная шляпа позволила оценить эмоциональные аспекты колонизации. Учащиеся выразили страх и восхищение перед возможностью жизни на другой планете, обсудив человеческие чувства в условиях незнакомой среды.

Черная шляпа акцентировала внимание на возможных рисках: высокая температура, давление и токсичность атмосферы Венеры делают её непригодной для жизни без серьезных мер предосторожности.

Желтая шляпа дала надежду: студенты предположили, что использование каркасных конструкций или колоний в облаках выше плотной атмосферы может стать решением.

Зеленая шляпа содействовала генерации идей по созданию самоподдерживающихся экосистем, в то время как синяя шляпа организовала процесс обсуждения, предлагая сохранять фокус на нуждах человечества в новых условиях.

Участники обсудили важность междисциплинарного подхода к колонизации Венеры, рассматривая сочетание науки, инженерии и искусства для создания комфортных жилых условий. Синяя шляпа подчеркнула, что необходимо разрабатывать стратегии для формирования команды специалистов, которые смогут работать в экстремальных условиях и эффективно решать возникающие проблемы.

Также студенты сделали акцент на понятии «невесомость», что стало важной частью их исследования на занятии. Они обсудили, как отсутствие веса  влияет на объекты в космосе и как это явление можно наблюдать при свободном падении. 

Рисунок 3. Измерение ускорения свободного падения с помощью математического маятника

Исследуя физические законы, учащиеся решили применить теорию на практике. С помощью подвешенного шарика они провели эксперимент, который позволил им рассчитать скорость свободного падения на Венере.  Благодаря полученному опыту, студенты не только укрепили свои знания о свободном падении, но и научились работать с экспериментальными данными. Они поняли, как различные факторы, такие как плотность атмосферы и гравитация, влияют на движение объектов в различных условиях. Эти выводы позволили им глубже осознать, что невесомость — это не просто теория, а реальный феномен, которым можно управлять и исследовать.

Выводы по статье

Теоретический анализ проблемы освоения космоса с помощью метапредметных связей физики и химии позволит сформировать интерес обучающихся к изучению сложных вопросов, касающихся изучения астрономии  и позволит  интегрировать полученные знания в учебный процесс.

1. Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос». Официальный сайт. — URL: https://www.roscosmos.ru/ (дата обращения: 22.06.2024).
2. Вестник Московского университета. Версия 3: Физика  Астрономия — URL: https://nauch-journal.ru/journal/vestnik-moskovskogo-universiteta-seriya-3-fizika-astronomiya/ (дата обращения: 23.06.2024).
3. «Химия космоса»: Что мы знаем о появлении элементов во вселенной. — URL: https://entermedia.io/people/himiya-kosmosa-chto-my-znaem-o-poyavlenii-elementov-vo-vselennoj/ (дата обращения: 23.06.2024).
4. Space.com: NASA, Space Exploration and Astronomy News. — URL: https://www.space.com/ (дата обращения: 26.06.2024).
5. Новые перспективы в астрохимии и первые шаги к пониманию химии космоса. — URL: https://www.ixbt.com/news/2023/10/25/novye-perspektivy-v-astrohimii-i-pervye-shagi-k-ponimaniju-himii-kosmosa.html?ysclid=lxyknog7l9650064082 (дата обращения: 28.06.2024).
6. Как устроен космический корабль. Поделки своими руками. — URL: https://dzen.ru/a/ZOTbvo0RQGjoD341 (дата обращения: 28.06.2024).
7. Ракетное топливо — Википедия. — URL: https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Ракетное_топливо (дата обращения: 28.06.2024).
8. Метод шести шляп мышления Эдварда де Боно: суть техники, как ее использовать для решения бизнес-задач. — URL: https://secrets.tinkoff.ru/knigi-dlya-biznesa/6-shlyap/ (дата обращения: 09.09.2024).