Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Лицей №2
Ступинского муниципального района
142800, Московская область 8-495-64-4-25-30
г. Ступино, ул. Тимирязева д.50 8-495-64-4-25-27
«Изучение земных аналогов лунного грунта»
Авторы работы
Морозова Елена 9 «А» класс
Смирнова Елизавета 10 «А» класс
Руководитель проекта
,
учитель химии МБОУ Лицей №2
2016 год
Содержание
I. Аннотация.............................................................................................................3
II. Введение...........................................................................................................3-4
III. Основная часть...............................................................................................4-7
а) Информационный поиск.....................................................................................5
б) Доказательство.................................................................................................5-7
в) Исследование поведения базальта при нагреве............................................7-8
IV. Вывод..................................................................................................................8
Список литературы..................................................................................................9
Приложения......................................................................................................10-21
(Приложение ) "Строение Луны"..................................................................10
(Приложение ) "Состав лунного реголита"...................................................11
(Приложение ) "Дифрактометр ДРОН - 3,0"................................................12
(Приложение ) "Рентгенофазовый анализ базальта"....................................12
(Приложение ) "Определение зернового состава полученных
порошков"..............................................................................................................13
(Приложение ) "Зерновой состав первого порошка"...................................14
(Приложение ) "Зерновой состав второго порошка"....................................14
(Приложение ) "Эквивалентный диаметр частиц первого порошка";
"Эквивалентный диаметр частиц второго порошка".........................................15
(Приложение ) "Дириватограф".....................................................................16
(Приложение ) "Дифференциально-термического анализа".....................17
(Приложение ) " Дилатометр"......................................................................18
(Приложение ) «Подготовка образцов».................................................19-20
(Приложение ) "Дилатометрический анализ".............................................21
Введение
На протяжении многих веков Луна, единственный спутник Земли, притягивала к себе большое внимания людей. В последние годы интерес к ней возрастает все больше и больше. Стремительное развитие космической техники и наличие на Луне большого количества ресурсов позволяет говорить о возможной колонизации. В рамках развития российской космической программы до 2040 года предусмотрено освоение луны (2025-2030 годы) и полеты на Марс (2035-2040 годы). Для добычи и рационального использования энергетических и минеральных ресурсов нужны лунные базы. Поэтому современная задача освоения Луны для России — это, прежде всего, постройка лунной базы. Но ее осуществлению мешает ряд проблем, одной из которых, достаточно существенной, является доставка панелей для строительства и их установка. Нас заинтересовал вопрос, может ли лунный грунт - реголит послужить материалом для создания панелей прямо на Луне? Для ответа на этот вопрос мы решили изучить лунный грунт на примере земных аналогов. И мы определили гипотезы.
Гипотезы:
1. На Земле можно найти грунт аналогичный лунному.
2. Лунный грунт (реголит) можно использовать в качестве строительного материала для создания лунных перерабатывающих баз.
И поставили перед собой цель.
Цель исследования:
Изучение земного аналога реголита, как материала для строительства лунных баз.
Задачи исследования:
1. Обобщить сведения о химическом, фазовом и зерновом составе лунных грунтов-реголитов.
2. Выбрать земной аналог реголита.
3. Доказать, что выбранный аналог достаточно близко подходит для моделирования свойств лунного грунта.
4. Изучить поведение аналога реголита при нагреве.
Основная часть
Свое исследование мы решили начать с изучения научной литературы. Мы узнали, что Луна состоит из коры, верхней мантии, нижней мантии (астеносферы) и ядра (Приложение ). Поверхность Луны покрыта так называемым реголитом — смесью тонкой пыли и скалистых обломков. Они образуются в результате столкновений метеоритов с лунной поверхностью. Ударно-взрывные процессы, сопровождающие метеоритную бомбардировку, способствуют взрыхлению и перемешиванию грунта, одновременно спекая и уплотняя частицы грунта. Толщина слоя реголита составляет от долей метра до десятков метров. В состав лунного реголита входят такие элементы, как : кальций, магний, железо, алюминий, титан, кремний, кислород, сера, калий и натрий (Приложение ). Также мы узнали, что в ходе длительных исследований ученых было определено, что основными лунными породами являются:
1. Морские базальты, более или менее богатые железом и титаном;
2. Материковые базальты богаты фосфором;
3. Алюминиевые материковые базальты – возможный результат ударного плавления;
Из этого мы сделали вывод: базальтовые породы могут рассматриваться, как аналоги реголита, и именно их изучение приблизит нас к познанию лунного грунта – реголита.
Для доказательства того, что выбранный аналог достаточно близко подходит для моделирования свойств лунного грунта, мы решили провести исследования, подтверждающие нашу первую гипотезу.
Изучая научную литературу, мы выяснили, что реголит содержит кристаллические включения, которые называются плагиоклазы. И мы решили узнать, содержатся ли такие включения у выбранного нами аналога-базальта. Для этого мы изучили фазовый состав базальта способом рентгенофазового анализа. Рентгенофазовый анализ исследуемых материалов проводили с использованием рентгенограмм, снятых на дифрактометре ДРОН - 3,0 согласно принятой для поликристаллических материалов методике (Приложение ). Изучая получившуюся рентгенограмму, мы выяснили, что базальт, действительно, содержит плагиоклазы (Приложение ). Для изучения состава плагиоклазов мы обратились к петрографическому справочнику и узнали, что плагиоклазы имеют состав лабрадора или андезина. Выделяются в виде бесцветных призматических кристаллов или сферолитовых агрегатов.
Далее мы решили сравнить зерновой состав базальта и лунного грунта. Изучая литературу, мы узнали, что зерновой состав реголита различный. Размер его частиц варьируется от 30 мкм до 150 мкм. Для того чтобы определить сходства и различия между зерновыми составами, мы решили изготовить два порошка и измерить размер их частиц. Изначально мы раскололи на мелкие кусочки ограненную плитку базальта. Полученные кусочки измельчили до порошков в две стадии. Первый образец измельчали только в ступке Абиха, а второй образец измельчали в два этапа – в ступке Абиха и на лабораторной щековой дробилке. Порошок для первого образца мы просеяли через сито до 0,2 мм (размер частиц менее 200 мкм), для второго - до 0,063 мм (размер частиц менее 63 мкм). Под оптическим микроскопом "Carlzelss Jena" мы изучили зерновой состав (дисперсность) порошков (Приложение ). Цена деления при первом увеличении была равна 17,5 мкм. Мы высыпали на предметное стекло первый порошок и измеряли размер 100 частиц. В результате измерений мы определили распределение частиц по размерам. Наши исследования показали, что больший процент всех частиц приходится на частицы размером от 0 до 100 мкм (Приложение ). Точно так же мы измерили 100 частиц второго порошка, используя цену деления при увеличении 52,6 мкм. Мы выяснили, что больший процент всех частиц приходится на частицы размером от 40 до 60 мкм (Приложение ). Исходя из всего вышесказанного, мы убедились, что зерновой состав базальта близок к зерновому составу реголита.
Для описания формы частиц базальта и сравнения их с частицами реголита мы определили отклонение частиц порошков от изотропной формы (формы шара). Для этого мы измерили 50 частиц двух порошков базальта. По формуле: D= (l+b)/2 ( l-Длина частицы, b-Ширина частицы ) мы рассчитали эквивалентный диаметр частиц. (Приложение ). В первом порошке больший процент приходится на частицы, эквивалентный диаметр которых равен 4,5 мкм. А во втором порошке больший процент приходится на частицы, эквивалентный диаметр которых равен 8 мкм. Изучая справочник "Микроскопические методы определения размеров частиц дисперсных материалов" мы узнали, что частицы, диаметр которых варьируется от 3 мкм до 9 мкм имеют изометричную и удлиненную форму. Изучив научную литературу по этому вопросу, мы узнали, что форма индивидуальных частиц реголита изменяется от сферической до сильно вытянутой. Это является еще одним доказательством того, что наша первая гипотеза верна и земной аналог реголита (базальт) достаточно близко подходит для моделирования свойств лунного грунта.
Доказав сходство между реголитом и базальтом мы решили приступить к цели нашего исследования: " Изучение земного аналога реголита, как материала для строительства лунных баз ".
Мы решили изучить поведение базальта при нагреве методами дифференциально-термического анализа (ДТА) и дилатометрического анализа.
Для изучения процесса термического разложения и синтеза различных соединений, а также выявления температур фазовых переходов мы применяли метод дифференциально-термического анализа, для этого использовали Дериватограф (Приложение ). В результате определения мы установили, что в ходе нагрева наш материал испытывает отрицательный термический эффект (с поглощением тепла) в районе температур 120 - 150 0С, сопровождаемый относительно резкой потерей массы (общая потеря массы при нагреве до 1000 0 С составила 3,2 %).Эндотермические (с поглощением тепла) эффекты также наблюдали при температурах 420 и 450 0С. Начиная с температуры от 800 0С, в материале начинались процессы образования жидкой фазы, нарастающие после 950 0С (Приложение ).
Для определения изменения размеров образца под действием нагрева проводили дилатометрический анализ, используя прибор Дилатометр (Приложение ). Для проведения этого анализа нам понадобилось изготовление образца из нашего ранее приготовленного порошка. В качестве временной технологической связки для придания формовочной массе пластичности вводили добавку 10-процентного водного раствора поливинилового спирта (ПВС) в образец. Количество добавки составило примерно 10 %. Первый порошок смешали со связкой до однородной массы и просеяли их через сито в 0,2 мм. Из полученной смеси спрессовали образец в виде прямоугольной балочки размером 40х7х7 мм. Прессование осуществляли на гидравлическом прессе ПГ-100, давление прессования составило 233 МПа. (Приложение ). Испытуемый образец мы поместили в корундовую трубку и плотно прижали его к закрытому концу корундовым стержнем, соединенным с ножкой многооборотного индикатора для измерения расширения образца. Температуру образца измеряли платинородиевой термопарой, установленной в средней части образца (Приложение ). Мы выяснили, что частицы базальта начинают деформироваться (образцы испытывают усадку) с температуры 1120 0С. После проведения этого анализа мы сделали вывод: спекать базальт для получения из него керамического строительного материала надо при температурах 1120 – 1150 0С.
Выводы
1. Для последующих изучений лунного реголита можно использовать земной аналог базальт, так как наши исследования показали, что он достаточно близко подходит для моделирования свойств лунного грунта.
2. При температурах 1120 – 1150 0С базальт можно спекать для получения из него керамического строительного материала.
3. Наши исследования приближают человечество к освоению Луны и могут дать людям шанс проводить строительство баз на Лунном грунте для дальнейшего энергетического и минерального обмена между Землей и Луной.
4. Наши исследования имеют высокое практическое значение, что подтверждают научные сотрудники кафедры : заведующий кафедрой общей технологии силикатов доцент …. Российского химико-технологического университета имени .
Список литературы
http:///science/sciencecosmos/40905-yaponcy-zateyali-stroitelstvo-na-lune. html
http://www. proektstroy. ru/publications/view/6168
http://earth-chronicles. ru/news/2013-03-19-40902
http://earth-chronicles. ru/news/2013-03-19-40902
http://dic. academic. ru/dic. nsf/ruwiki/1012068#.D0.9F. D1.80.D0.B0.D0.BA. D1.82.D0.B8.D1.87.D0.B5.D1.81.D0.BA. D0.B8.D0.B5_.D1.88.D0.B0.D0.B3.D0.B8
http://prosto-o-slognom. ru/astronomia/24.html
"Микроскопические методы определения размеров частиц дисперсных материалов" (, , )
"Техническая петрография" (, )
Приложения
(Приложение )
"Строение Луны"
(Приложение )
"Состав лунного реголита"
Элемент | Морской реголит | Материковый реголит | Реголит отдельных бассейнов |
Ca | 7,9 | 10,7 | 7,7 |
Mg | 5,8 | 4,6 | 6,1 |
Fe | 13,2 | 4,9 | 3,7 |
Al | 6,8 | 13,3 | 9,8 |
Ti | 3,1 | 0 | 0 |
Si | 20,4 | 21,0 | 21,8 |
O | 41,3 | 44,6 | 43,3 |
S | 0,1 | 0,072 | 0,076 |
K | 0,1 | 0,073 | 0,24 |
Na | 0,3 | 0,48 | 0,38 |
(Приложение )
"Дифрактометр ДРОН - 3,0"
(Приложение )
"Рентгенофазовый анализ базальта"
(Приложение )
"Определение зернового состава полученных порошков"
(Приложение )
"Зерновой состав первого порошка"
(Приложение )
"Зерновой состав второго порошка"
(Приложение )
"Эквивалентный диаметр частиц первого порошка"
"Эквивалентный диаметр частиц второго порошка"
(Приложение )
"Дириватограф"
(Приложение )
"Дифференциально-термического анализа"
(Приложение )
" Дилатометр"
(Приложение )
«Подготовка образцов»
"10-процентныйводный раствор поливинилового спирта"
"Сита в 0,2 мм и 0,063мм"
"Гидравлический пресс"
"Образцы"
(Приложение )
"Дилатометрический анализ"
