Луна как важнейший энергетический источник доклад
Обновлено: 18.05.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Кузьменко С.С.,
учитель географии
МАОУ СОШ № 71
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
Объяснение нового материала:
Задачи исследования
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.
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
Как сообщает РИА "Новый Регион от 25.01.2006года г лава Ракетно-космической корпорации (РКК) "Энергия" Николай Севастьянов на открывшихся в среду 30-х Королевских чтениях, которые ежегодно проходят в университете им. Баумана, сказал: "Постоянную станцию на Луне мы планируем создать уже к 2015 году, а с 2020 года может начаться
промышленная добыча на спутнике Земли редкого изотопа - гелия-3".
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.
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.
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.
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.
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.
Будущее нашей планеты тоже зависит от Луны и вот почему:
По прогнозам некоторых ученых, к концу XXI века на земле могут закончиться нефть и газ. На луне есть уникальный источник энергии – гелий-три, который находится в верхних слоях лунного грунта. Одна тонна гелия заменяет по своим энергетическим возможностям 15 миллионов тонн нефти.
Гелий-три – экологически чистое сырье. Тонна гелия, с учетом добычи и транспортировки на землю, обошлась бы нам в 4 миллиарда долларов. 20 тонн лунного топлива обеспечило бы энергией всех жителей земли на целый год. Кроме гелия на нашем спутнике есть и другие полезные ископаемые – титан, железо, кремний. Ракеты в далекий космос удобнее всего запускать с Луны, на которой сила тяжести в шесть раз меньше, чем на земле. Строительство лунных баз, рудников и космодромов может начаться уже в XXI веке. При этом людям не придется вести запасы воды и кислорода с земли. На Луне есть вода, скрытая в верхних слоях грунта. Некоторые ученые даже называют Луну седьмым континентом…
А для чего вообще покорять Луну? Что полезного можно получить от этого мертвого каменного шара?
2. Гиперболоид на Луне
Есть еще один план, связанный с энергетикой — покрыть Луну, которая из-за отсутствия атмосферы сильно нагревается Солнцем, целыми полями солнечных батарей. Они будут вырабатывать электричество. Вопрос: как его передавать на Землю? Ответ: с помощью сфокусированного лазерного луча с длиной волны 10-12 см (такой луч не рассеивается при прохождении через атмосферу, стало быть, потери энергии будут минимальны). На Земле его принимают и преобразуют в электричество (например, посредством обычных пароустановок, которые стоят на каждой теплоэлектростанции). Тут главное не попасть под этот луч…
Кликабельно 4000 рх
4. Когда нечем дышать.
Отсутствие мешающей наблюдениям атмосферы дает астрономам уникальный шанс для основания на Луне крупных обсерваторий. А стерильность и низкая гравитация позволит построить предприятия по выработке сверхчистых веществ, применяемых в фармацевтике и электронике.
Сотрудники Политехнического университета Каталонии совместно с несколькими другими научными институтами разработали принципиально новый экологичный способ добычи энергии. Ученые предлагают использовать сильные стороны лунного дня, чтобы обеспечить энергией луноходы во время лунной ночи.
При помощи системы зеркал, переработанного лунного грунта и теплового двигателя во время лунной ночи можно будет обеспечивать в полной мере энергетические потребности как космических аппаратов, так и их экипажей, – утверждают ученые. Открытие позволит отказаться от использования ядерных двигателей или батарей, которые традиционно устанавливаются на луноходах.
Во время лунной ночи, продолжительность которой достигает двух недель, температура на поверхности Луны падает ниже нуля до отметки – 150 градусов Цельсия. Подобные температурные аномалии значительно затрудняют функционирование космических аппаратов, работающих на лунной поверхности. Единственным выходом была доставка тяжелых батарей с Земли или, как в случае с китайским луноходом, использовании ядерной энергии.
Совместная разработка испанских и американских ученых позволит аккумулировать электроэнергию на поверхности Луны в течение дня для того, чтобы потом ее использовать в ночное время. Подробней с деталями научной работы можно ознакомиться в издании Acta Astronautica.
Для получения энергии могут быть задействованы две системы. Первая будет изменять куски лунного грунта, соединяя его с алюминием. В процессе изменения будет образовываться так называемая термическая масса. Солнечные лучи, отражаясь в системе зеркал, нагреют полученную термомассу. Таким образом она будет аккумулировать тепло, которое затем во время лунной ночи станет отдавать космическим аппаратам, поддерживая их работоспособность.
Вторая система схожа с первой, отличие только в более сложной системе зеркал и наличии теплового двигателя. Отражающие зеркала выполнены в виде линз Френеля, аналогичные им используют в солнечных электростанциях на нашей планете. Линзы аккумулируют солнечные лучи в направленный пучок, который устремляется на сосуд с жидкостью. Сосуд нагревается, что заставляет превращаться жидкость в газ. И именно газ будет разогревать термическую массу. А во время лунной ночи тепло будет подаваться в тепловой двигатель, чтобы он смог вырабатывать необходимое количество электроэнергии.
На фоне общей заинтересованности стран в пилотируемых полетах на Луну данное открытие выглядит более чем актуально.
Самособирающиеся солнечные панели с лазерными пушками
Самое интересное, что, согласно некоторым исследованиям, наш спутник действительно может помочь решить эту проблему. На Луне невероятное количество бесплатной энергии, гигантским потоком изливающейся из Солнца.
Самособирающиеся солнечные панели
Каждый квадратный метр пространства на орбите Земли получает 1.36 кВт/ч энергии. Если бы мы могли использовать весь этот объём, то полностью бы удовлетворили все свои проблемы, но тут всё не так просто. К тому времени,когда солнечный свет проходит сквозь атмосферу и попадает на поверхность, он теряет до 75% свой энергии. Более того, большинство солнечный батарей,имеющихся сегодня, способны превратить в электричество лишь 20% из доходящих до них 340 ватт. И, естественно, всё это работает лишь в течение светового дня.
Большую часть этих препятствий можно обойти, отправив панели батарей в космос, где они смогут получать 100% солнечного потока круглосуточно и круглогодично. Но, даже если использовать для этой цели многоразовые ракеты,это всё равно будет дорого — слишком большую массу нужно поднять. С Луной в этом плане проще.
Любая точка поверхности нашего спутника находится в тени в течение половины месяца, поэтому размещать непосредственно на ней солнечные электростанции нецелесообразно. Однако можно, как предлагают некоторые учёные,построить на Луне роботизированный завод по производству солнечных панелей. Он может добывать все необходимые материалы, вроде того же реголита, на поверхности. После этого его продукция будет отправляться в космос, а с Луны,где гравитация гораздо слабее, это делать удобнее и дешевле, чем с Земли. После этого полученную энергию можно передавать на планету посредством микроволн. Всё- миссия выполнена. Все довольны, мир спасён. Беда лишь в том, что самособирающиеся солнечные панели с лазерными пушками — это пока чистая научная фантастика.
Гелий-3 для термоядерных реакторов
К счастью, Солнце не обязательно должно быть источником энергии. Оно может послужить и моделью её генерирования. На нашем светиле происходит ядерный синтез — процесс создания тяжёлых элементов из более лёгких, при котором происходит высвобождение огромного количества энергии. Использование термоядерных реакторов, работающих по тому же принципу, обещает нам практически неограниченное количество чистой электроэнергии, но, как оказалось, это в высшей степени сложная задача.
Гелий-3 как источник для термоядерных реакторов
Ещё в начале 50-х годов прошлого века физики-ядерщики считали, что атомные станции этого типа покроют планету максимум через пару десятилетий. Но, как оказалось, несложную концепцию ядерного синтеза почти невозможно реализовать на практике. Мы умеем получать контролируемую термоядерную реакцию,но для её запуска и управления требуется больше энергии, чем даёт она сама.Сами понимаете — источник чего бы то ни было, который берёт больше, чем отдаёт,никому не нужен. Но, если бы нам удалось добиться положительного баланса, а работы в этом направлении продолжаются несмотря ни на что, то для этих реакторов потребовалось бы топливо.
Магнитное поле Земли отводит от нас большую часть звёздного излучения,но на Луне этого защитного механизма нет, поэтому оно постоянно обрабатывает её. В результате гелий-3 скапливается в верхних слоях поверхности. Что это значит? Мы можем наладить добычу этого элемента! Но и тут не всё так гладко.Чтобы получить всего один грамм гелия-3, нужно переработать 150 миллионов тонн лунного грунта. Может быть, это и легче, чем построить полностью автоматический завод по производству солнечных панелей, но явно ненамного.
Приливные электростанции
Отвлечёмся от явной фантастики. Луна уже даёт нам электричество — с помощью приливов. Их природу мы изучаем ещё в школе — та часть Земли, которая находится ближе к нашему спутнику, испытывает большее её притяжение, чем те,что находятся дальше. Это вызывает колебания уровня океана на многих побережьях планеты. Так как воды в нём много, то и энергии, которую можно извлечь, тоже предостаточно.
Приливные электростанции
Конструкторы и инженеры на данный момент времени освоили два хитрых способа её получения. Во-первых, это приливные плотины — своеобразные ворота,через которые прогоняются океанские воды. Они пропускают поток в одном направлении, а потом, когда он начинает идти обратно, ему приходится вращать турбины, генерируя электричество. Некоторые из этих конструкций умудряются получать энергию дважды — при движении воды и в одну, и в другую сторону.Подобные электростанции уже используются в Канаде, Китае, Франции, России и Южной Корее.
Второй способ использует тот же принцип, что и ставшие уже привычными ветрогенераторы. Приливные турбины стоят гораздо дороже сухопутных аналогов, однако они способны давать гораздо больше электричества — по той простой причине, что в воде, которая их вращает, больше энергии, чем в воздухе. Две экспериментальные станции этого типа уже построены в Шотландии и Южной Корее, третья разрабатывается для снабжения электричеством Нью-Йорка. Сами по себе эти электростанции, естественно, не решат проблему изменения климата,но этого не сделает и любой другой отдельно взятый метод получения чистой электроэнергии. Нам надо научиться использовать все их сразу, в комплексе -брать электричество там, где оно есть. И если какую-то его часть будет давать Луна, отказываться не нужно. У нас появится ещё одна причина любить нашу и без того замечательную соседку.
Читайте также: