Tłumaczenie Agnieszka Jarochowicz

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

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. 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 przyrodzie^w1, 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.

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).

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

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.

Projektowanie bazy kosmicznej

Zdjęcie dzięki uprzejmości Luc Viatour; źródło: Wikimedia Commons

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

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?

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. 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.

Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA/JPL-Caltech

4. 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

Ćwiczenie dla uczniów w wieku 14 – 19 lat

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)

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. 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.

Referencje

Hartevelt-Velani S, Walker C (2008)Międzynarodowa Stacja Kosmiczna: przyczółek w kosmosie. Science in School 9: 62-65. www.scienceinschool.org/2008/issue9/iss/polish

Hartevelt-Velani S, Walker C, Elmann-Larsen B (2008)Międzynarodowa Stacja Kosmiczna: przebywanie w kosmosie. Science in School 10: 76-81. www.scienceinschool.org/2008/issue10/iss/polish

Zasoby w Internecie

w1 – Więcej na temat obiegu węgla w przyrodzie na stronie Windows to the Universe: www.windows2universe.org/earth/Water/co2_cycle.html

w2 – Europejska Agencja Kosmiczna (ang. European Space Agency, ESA) jest dla Europy bramą do kosmosu. Jest członkiem EIROforum, wydawcą Science in School. Więcej informacji na stronie: www.esa.int

w3 – Nauczyciele mogą ściągnąć podstawowe informacje potrzebne do zorganizowania zajęć w formacie PDF lub dokumentu Word.

w4 – Szczegółowe informacje na temat Układu Słonecznego na stronie: http://solarsystem.nasa.gov

w5 – Strona internetowa Worldflower Garden Domes oferuje wskazówki jak zbudować papierową kopułę odwołując się do budowy fullerenu. Zobacz: www.gardendome.com/GD1.htm

w6 – Więcej wskazówek dotyczących budowy kopuły geodezyjnej na stronie Geo-Dome: www.geo-dome.co.uk/article.asp?uname=modelbuild

w7 – Lista darmowych programów do projektowania CAD na stronie: www.freebyte.com/cad/cad.htm

w8 – Więcej informacji na temat zastosowania reakcji Sabatiera podczas misji na Marsa można uzyskać z następujących źródeł:

Richardson JT (2000) Improved Sabatier reactors for in situ resource utilization on Mars. In Institute for Space Systems Operations - 1999-2000 Annual Report. Pp 84-86. Houston, Texas, USA: University of Houston. www.isso.uh.edu/publications/A9900/mini-richardson.htm

w9 – W 2010, system Sabatiera dostarczono na MSK i poddano testom. Komunikat prasowy NASA na stronie www.nasaspaceflight.com lub bezpośredni link: http://tinyurl.com/3su8p26

w10 – Interaktywny model obiegu przetwarzania wody na pokładzie MSK na stronie: http://esamultimedia.esa.int/docs/issedukit/en/html/t030505t1.html

w11 – Więcej informacji na temat obiegu zasobów przetwarzanych na pokładzie MSK, w szczególności powietrza na stronie: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa
/2000/ast13nov_1

w12 – Zestawienie planet i ich satelit na stronie: http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/planetfact.html

w13 – Więcej informacji o systemach podtrzymywaniu życia oraz przetwarzania, w tym francuskie materiały dydaktyczne z projektu MELISSA na stronie: http://ecls.esa.int/ecls

w14 – Więcej informacji jak NASA (Narodowa Agencja ds. Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej) obniża ryzyko biologicznego zanieczyszczenia krzyżowego na stronie: http://planetaryprotection.nasa.gov

w15 – Więcej informacji o badaniu Mars 500 przeprowadzonym w celu zrozumienia wpływu długotrwałej izolacji na fizjologię i psychikę człowieka oraz dynamikę załogi na stronie: www.esa.int/esaMI/Mars500

w16 – Raport Luna Gaia – a closed loop habitat for the moon można ściągnąć z www.isunet.edu^w17 lub korzystając z bezpośredniego linku: http://tinyurl.com/69bjugb

w17 – Więcej na temat Międzynarodowego Uniwersytetu Kosmicznego (ang. International Space University) na stronie: www.isunet.edu

Zasoby

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

Warmbein B (2007) Down to Earth: interview with Thomas Reiter. Science in School 5: 19-23. www.scienceinschool.org/2007/issue5/thomasreiter

Wegener A-L (2008) Laboratorium w przestrzeni kosmicznej: wywiad z Bernardo Patti. Science in School 8: 8-12. www.scienceinschool.org/2008/issue8/bernardopatti/polish

Williams A (2008) Zautomatyzowany statek transportowy – wspieranie Europy w kosmosie. Science in School 8: 14-20. www.scienceinschool.org/2008/issue8/atv/polish

Pełna lista artykułów związanych z ESA na stronie: www.scienceinschool.org/esa

Aby przeglądnąć artykuły na temat kosmosu na Science in School proszę wejść na stronę: www.scienceinschool.org/space

Podziękowania

Autor pragnie podziękować Scottowi Hovlandowi z Europejskiej Agencji Kosmicznej za cenne uwagi i rady.

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 moon^w16 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).

Przegląd

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

---

Zalecenia recenzenta: Wszystkie nauki ścisłe Wiek 7 – 19 lat