Интегрированный урок географии и астрономии "Нетрадиционный источник энергии и освоение Луны"

Цель нашего исследования на уроке - установить наиболее перспективный источник энергии, способный заменить углеводородное топливо и спасти цивилизацию от энергетического кризиса

Средства обучения: презентация, ТСО, географическая карта мира

1. Изучить альтернативные источники энергии.
2. Установить преимущества и недостатки альтернативных источников.
3. Выбрать наиболее перспективный источник энергии и обосновать свой выбор.
4. Показать пути реализации программы по замещению углеводородных источников топлива в мировом энергобалансе.

Для достижения поставленной цели мы использовали методы анализа, сравнения и обобщения литературных источников, материалов из средств массовой информации и электронных ресурсов.

Еще около 10 лет назад ученые начали бить тревогу: ориентация на ископаемые источники углеводородов не имеет долговременной перспективы. Ожидается, что мировое производство нефти уже в следующем десятилетии достигнет пиковых показателей, а затем начнет снижаться. Нефть и газ сегодня занимают 60-80% в мировом энергобалансе. Существуют разные оценки, но в любом случае углеводородное топливо при современных объемах потребления будет исчерпано до конца этого века. Умеренные оценки предсказывают истощение запасов через 40-50 лет. Энергопотребление на планете неизбежно будет возрастать, так как к 2050 году ожидается увеличение населения Земли вдвое. Развивающиеся страны резко наращивают экономический потенциал, в особенности Китай и Индия. Если потребление энергии в этих странах на душу населения приблизится к энергопотреблению в США, Европе и Японии, то мировое энергопотребление может возрасти в 5-8 раз. Нефтяные и газовые месторождения (и в меньшей степени - угольные) сосредоточены лишь в отдельных регионах земного шара, в силу чего бесперебойное поступление этих видов топлива в другие районы само по себе требует значительных усилий и затрат даже в условиях политической и военной стабильности, которая отнюдь не гарантирована.

Одновременно с истощением ископаемых источников углеводородов назревает и другая проблема - их утилизация. Уже сейчас в атмосферу ежегодно выбрасывается 25 млрд. т двуокиси углерода (углекислый газ) - побочного и крайне вредного для здоровья живых существ остатка при сжигании углеводородного топлива. Это служит основной причиной парникового эффекта, вызывающего всемирное потепление. Совокупность двух этих проблем уже привела к тому, что призывы искать альтернативное топливо стали раздаваться не только со стороны ученых-экологов, но и со стороны политиков самого высшего уровня. Не случайно в своем последнем обращении к конгрессу президент США Джордж Буш пообещал уже к 2025 г. покончить с нефтезависимостью своего государства и перейти на другие источники энергии.

Существует немало альтернативных источников энергии - солнечные батареи, геотермальные станции, станции, использующие энергию ветра. Однако даже в совокупности альтернативные источники не способны обеспечить полное замещение углеводородного топлива. Главный недостаток большинства из них в том, что они рассчитаны на потребление рассеянной энергии с малой удельной мощностью. Поэтому даже при теоретически больших ресурсах реальная возможность использования этих источников энергии ограниченна. Последнее время обсуждается еще один вариант замены ископаемых углеводородов. Речь идет об энергии биомассы. Биомассой принято обозначать все органические вещества как растительного, так и животного происхождения, источником которых служит ныне существующая биосфера нашей планеты. Биомасса уже давно используется в качестве сырья для производства различного вида топлива, например, горючего газа и этанола (этиловый спирт). Таким сырьем служат мусор, пищевые и бытовые отходы, опилки и другие отходы лесной и лесоперерабатывающей индустрии, экскременты сельскохозяйственных животных, солома, излишки зерна и т.п. Биомасса может считаться практически идеальным видом топлива с точки зрения производителей сельскохозяйственной продукции, экологов и потребителей. Ее использование наносит минимальный вред окружающей среде. Этот источник энергии - возобновляемый.

Какое бы место ни занимали в будущем альтернативные источники энергии, принципиальное разрешение энергетической проблемы может дать только использование ядерной энергии. Но развитие атомной энергетики сдерживается ее страшным недостатком: производством радиоактивных отходов. Человечество уже сегодня знакомо с последствиями развития ядерных технологий: устрашающими объемами накопленных радиоактивных отходов, необходимостью захоронения атомных реакторов и конструкционных материалов. Массовое развитие атомной энергетики в ее современном варианте неизбежно имело бы катастрофические последствия для экологии.

Остается термоядерная энергия. Впервые идея термоядерного ТОКАМАКа была высказана в СССР еще в середине 1950-х годов. Сегодня все мировые авторитеты едины в том, что именно термоядерная энергия способна вырвать цивилизацию из лап энергетического голода. Термояд это неистощимый источник энергии, по существу, второе Солнце.

Термоядерная реакция дает жизнь всему живому на Земле. Но установок, в которых удалось бы осуществить управляемый термоядерный синтез, не создано. Единственное исключение - водородная бомба, но от нее польза сомнительная. Насколько водородная бомба, где происходит синтез ядер, сильнее атомной, построенной на принципе деления ядер урана, настолько же термоядерный реактор выгоднее привычного атомного.

Как отмечают специалисты, именно две страны - США и Россия - будут основными поставщиками энергоносителей будущего. Причем США видят будущее энергетики в водороде, а Россия - в термоядерном синтезе на основе редкого изотопа - гелия-3. У обоих этих источников есть как сильные, так и слабые стороны.

Главное преимущество водорода состоит в том, что он полностью сгорает в кислороде, выделяя большое количество энергии и оставляя после себя только водяной пар. Его легко транспортировать по трубопроводам практически на любые расстояния, тем более что он не ядовит (хотя и взрывоопасен) и не обладает коррозирующим действием.

Запасы водорода (как компонента воды) практически неограниченны и более или менее равномерно распределены по всем континентам. Водород представляется идеальным горючим для относительно маломощных и в то же время многочисленных силовых установок, размещенных на подвижных платформах, - прежде всего для автомобильных и авиационных двигателей.Однако при всех этих несомненных преимуществах водорода его массовое использование в качестве топлива будет сопряжено с множеством сложнейших проблем. Их решение потребует очень крупных средств, которые придется затратить как на разработку высокоэффективных технологий получения и утилизации водорода, так и на создание инфраструктуры для его промышленного производства, доставки, хранения и распределения. А вот надежда России - гелий-3 и вовсе требует невиданных до этого капиталовложений. Дело в том, что гелий-3 в количестве, достаточном для промышленного производства идеального экологического топлива для термоядерного синтеза, находится только на Луне (в недрах нашей планеты гелия-3 не более нескольких сотен килограммов). Тем не менее, по расчетам российских специалистов, затраты на межпланетную доставку в десятки раз меньше, чем стоимость вырабатываемой сейчас электроэнергии на атомных электростанциях.

Перспективная термоядерная энергетика, использующая в качестве основы реакцию синтеза дейтерий-тритий, хотя и более безопасна, чем энергетика деления ядра атома, которая используется на современных АЭС, все же имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, при этой реакции выделяется куда большее (на порядок!) число высокоэнергетичных нейтронов. Столь интенсивного нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать свыше шести лет - при том, что имеет смысл делать реактор с ресурсом как минимум в 30 лет. Следовательно, первую стенку тритиевого термоядерного реактора будет необходимо заменять - а это очень сложная и дорогостоящая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок.

Во-вторых, многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок в специально созданных для этого хранилищах.

В случае же использования в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо трития большинство проблем удается решить. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз - соответственно, можно без труда обеспечить срок службы в 30-40 лет. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно захоронить буквально на городской свалке, слегка присыпав землей. В чем же проблема? Почему мы до сих пор не используем такое выгодное термоядерное топливо? Прежде, чем ответить на этот вопрос, следует более подробно остановиться на строении и свойствах гелия.

Запасы гелия на Земле оцениваются в 5·10¹⁴ м³; судя же по вычислениям, его образовалось в земной коре за 2 млрд лет в десятки раз больше. Такое расхождение теории с практикой вполне объяснимо. Гелий - легкий газ и, подобно водороду (хотя и медленнее), не улетучивается из атмосферы в мировое пространство. Вероятно, за время существования Земли гелий нашей планеты неоднократно обновлялся - старый улетучивался в космос, а вместо него в атмосферу поступал свежий - "выдыхаемый" Землей.

В литосфере гелия по меньшей мере в 200 тыс. раз больше, чем в атмосфере; еще больше потенциального гелия хранится в "утробе" Земли - в альфа активных элементах. Но общее содержание этого элемента в Земле и атмосфере невелико. Гелий - редкий и рассеянный газ. На 1 кг земного материала приходится всего 0,003 мг гелия, а содержание его в воздухе - 0,00052 объемного процента. Столь малая концентрация не позволяет пока экономично извлекать гелий из воздуха.

Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только 1%! Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе.

По оценке специалистов, запасы гелия-3 в верхних слоях поверхности Луны достигают примерно 500 млн т, что может полностью обеспечить земную энергетику на 1000 с лишним лет. "Чтобы обеспечить на год все человечество энергией, необходимо лишь два-три полета космических кораблей грузоподъемностью 10 т, которые доставят гелий-3 с Луны", - заявил академик Российской академии наук (РАН), член бюро Совета по космосу РАН Эрик Галимов.

ПРОГРАММЫ ОСВОЕНИЯ ЛУНЫ

Программа России

РКК "Энергия" была основана в 1946 году как ОКБ-1 (в дальнейшем называлась также ЦБКЭМ и НПО "Энергия"). У истоков создания предприятия стоял Сергей Королев. "Энергия" - разработчик первого искусственного спутника Земли, автоматических станций для полетов к Луне, Венере, Марсу, пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций.

Важную роль в создании лунной базы, по мнению Н. Севастьянова, будет играть МКС (Рис.7,8), которая к 2009г. должна "разрастись" до 12 отсеков и превратиться в международный космопорт. Экипаж станции к тому времени будет состоять из 6 человек, которым и предстоит монтировать на орбите конструкции будущей базы. Доставлять космонавтов и грузы на орбиту будет новый многоразовый корабль "Клипер", чей ввод в эксплуатацию намечен на 2015 г. Пилотируемый "Клипер"(Рис.9,10,11) и разработанный в "Энергии" межорбитальный буксир "Паром" образуют единый многоразовый транспортно-грузовой космический комплекс, который будет обслуживать промышленное освоение Луны. Благодаря новой транспортной системе Россия сможет также оказывать коммерческие услуги по доставке в космос различных, в том числе и крупногабаритных грузов."Первый пилотируемый облет Луны на модернизированном корабле "Союз" РКК "Энергия" планирует осуществить уже в 2012 году", - сообщил ранее в интервью РИА "Новости" глава корпорации Николай Севастьянов. "Программу промышленного освоения Луны мы предлагаем осуществить в три этапа. На первом из них предусмотрен облет и высадка на Луну с применением уже хорошо отработанных технологий на серийно выпускаемых ракетах-носителях, а также модернизированных космических кораблях типа "Союз", - сказал Севастьянов. По его словам, в рамках первого этапа намечен облет Луны экипажем из трех человек. "Сначала модернизированный "Союз" на промежуточном этапе полета будет пристыкован к МКС, где космонавты подготовятся к выполнению миссии. Затем на тяжелом носителе "Протон" на околоземную орбиту будет выведен разгонный блок "ДМ", серийно производимый РКК "Энергия", с пристыкованным к нему бытовым отсеком от корабля "Союз". Этот разгонный блок и придаст "Союзу" импульс, необходимый для перехода на вторую космическую скорость, чтобы можно было выйти на лунную орбиту", - отметил глава корпорации. После облета Луны экипаж вернется на Землю в усовершенствованном спускаемом аппарате с улучшенной термозащитой. При подлете необходимо погасить вторую космическую скорость - 11,2 километра в секунду - и перейти на первую - 7,9 километра в секунду. При достижении первой космической скорости корабль, перейдя "под контроль" гравитационного поля Земли, становится ее спутником с круговой траекторией вращения на орбите, поэтому экипаж может без резкого торможения войти на "Союзе" в плотные слои атмосферы и без проблем осуществить посадку. После модернизации российский космический корабль "Союз" сможет находиться на орбите до года, летать к Луне и на обратном пути беспрепятственно входить с экипажем в атмосферу Земли на второй космической скорости - 11,2 километра в секунду. "Обновленный с помощью передовых технологий "Союз" станет универсальным космическим кораблем.

Программа освоения Луны США

Не только Россия рассчитывает воспользоваться лунными полезными ископаемыми. США еще раньше наших космических специалистов заявляли о строительстве своей собственной лунной базы.

Джеральд Кульцински и Джон Сантариус из Университета Висконсина утверждают, что гелий-3 - это будущее американской энергетики. В нем содержится вся энергия, которая может понадобится США в следующем тысячелетии, пишет The USA Today.

"Если бы мы могли посадить на Луне шатл, загрузить его гелием-3 и вернуть шаттл на землю, мы бы обеспечили всю Америку необходимой энергией на целый год", - говорит Кульцински. Он подчеркнул, что идея президента Буша создать на Луне "перевалочную базу" вселяет в него надежду на то, что правительство обратит внимание на экономический потенциал гелия-3

По предположениям США, лунные исследования начнутся в 2018 году с высадки астронавтов на Луну. А к 2020 планируется построить базу у южного полюса Луны, где больше кислорода, а возможно, и водяного льда.NASA затратит на это строительство 100 млрд. долларов в ближайшие 12 лет. Напомним, что в январе 2004 года президент Джордж Буш призвал США вернуться на Луну к 2020 году. Причина - все тот же изотоп гелия-3, практически совершенное топливо. Один шатл, учитывая его загрузку в 30 тонн, может обеспечить все потребности США в энергии на год. Кроме того, гелий-3 не взрывается, он очень стабилен, на его основе можно создать экологически чистые генераторы.

20 января 2004 года в своей речи, посвященной новой космической программе США, президент Буш объявил, что на Луне нужно создать постоянную базу, которая станет первым шагом на пути к дальнейшему освоению космоса человеком. Он также сказал, что лунный грунт можно перерабатывать для получения ракетного топлива и пригодного для дыхания воздуха. Буш привел в качестве примера два способа переработки лунного грунта, но, вообще-то, список лунных полезных ископаемых довольно длинный... Имеющийся в лунном грунте кремний можно использовать для изготовления солнечных панелей, железо - для разных металлических конструкций, алюминий, титан и магний - для создания корабля, который отправится в космос подальше от Земли. Ну и, конечно же, на Луне собираются добывать изотоп гелий-3, который очень редок на Земле, а производство его в земных условиях очень дорого.

Вывод

После великих географических открытий прошлых веков Луна - это следующий объект приложения изыскательского духа, свойственного человечеству. По последствиям для развития цивилизации освоение Луны аналогично освоению новых континентов. Луна и есть - новый континент, отделенный от Земли океаном космического пространства, который сегодня, однако, легче пересечь, чем Атлантический океан во времена Колумба.

Луна - самый экономичный космодром, который сделает доступным крупномасштабное исследование Солнечной системы. На Луне могут и должны быть развернуты системы контроля астероидной опасности, мониторинга и раннего предупреждения катастрофических явлений и событий на Земле, исследования дальнего космоса и многое другое, что сейчас даже трудно представить. Человечество должно осознать, что нехватка энергии в ближайшие десятилетия - это реальная проблема для всех жителей Земли, от которой не спрятаться, не уйти. по-видимому, единственным тотальным и долговременным решением ее, одновременно удовлетворяющим условиям энергетической эффективности и экологической безопасности, является термоядерный синтез на основе использования гелия-3, а освоение этого источника энергии - это не очередной проект, который можно решать между делом. Речь идет о гигантской промышленной революции, полное осуществление которой займет, может быть,целое столетие. Стали уже привычными слова, что наукоемкие отрасли (ядерная, космическая и др.) являются локомотивом экономики. Случай с гелием-3 - тот самый случай. Этот способ, который позволит решить энергетическую проблему на достаточно длительное время, в случае, если найдутся возможности изыскать средства для его реализации, сможет стать шансом на прогресс российских наукоемких отраслей: как космонавтики, так и термоядерной техники.

Свое исследование мне хочется закончить словами одного из ведущих мировых селенологов, директора Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, академика, члена президиума РАН Э. Галимова:.

"У России есть уникальные шансы. Мы имеем космическую индустрию и опыт освоения Луны автоматическими космическими аппаратами. Мы имеем развитую ядерную физику и атомную энергетику. За счет добычи нефти и газа страна получила огромные деньги, которые без риска дестабилизировать финансовую ситуацию можно вложить только в наукоемкие высокие технологии. Разумно направить эти деньги на проект, имеющий целью замещение их источника".

Домашнее задание: учащимся предлагается предоставить информацию "Программа освоение Луны Китаем".

1. Астрономия. Энциклопедия для детей. М., Аванта, 2005,445 с.
2. Болсун А.И., Рапанович Е.Н. Словарь физических и астрономических терминов. Мн.: Народная асвета, 1986, 223 с.
3. Лесков С.Гелий-3 заменит нефть. Известия.2004. 17 января.
4. Еськов Ю.Н.За чистым топливом на Уран. Российская газета.2002.11апреля.
5. Малышкина В. Занимательная химия. СПб: Тригон, 2001, 463 с.
6. Программа "Цивилизация". Канал ОРТ,10 апреля 2006.
7. Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга для домашнего чтения. М.: Химия, 1995, 400 с.
8. Физика и химия: Универсальная энциклопедия школьника . Сост. Воротников А.А. Мн.: ТОО Харвест, 1995, 544 с.
9. Энциклопедический словарь юного физика / Сост. Чуянов В.А. М.: Педагогика, 1991, 334 с.

Приложение.