Разработка и конструирование измерительной системы

Автоматизированной лаборатории

«Арктика».

Автор:

    Яндо Софья

учащаяся 9 «А» класса

Научный руководитель:

Конищев Петр Петрович

учитель физики

МКОУ ТШИ, ЯНАО

2018 г.

Аннотация

В лабораторной работе представлены этапы создания и программирования роботизированной модели исследовательской лаборатории «Арктика». Данная лаборатория способна самостоятельно передвигаться по поверхности, выполнять анализ pH различных водных растворов.

Применение датчика pH Vernier позволило стать роботизированной конструкции естественнонаучной лаборатории для изучения состава pH водных акваторий Арктики.

Для демонстрации работоспособности комплекса мной был проведен лабораторный эксперимент с различными водными составами.

Исследовательская лаборатория «Арктика» способна выполнять исследования в труднодоступных местах опасных для жизни и здоровья человека.

С данной моделью произведена интеграция датчиков Vernier, которая превратила конструкцию в модульную естественнонаучную лабораторию для изучения районов Крайнего Севера и Арктики.

Для демонстрации работоспособности комплекса был проведен лабораторный эксперимент с различными  водными составами. А в процессе выполнения исследования были зафиксированы данные о состоянии окружающей среды.

Для развития и усовершенствования исследовательского комплекса были поставлены дальнейшие задачи для работы и сделаны выводы.

Оглавление:

1. Значимость лабораторной работы……………………………..…….....…....4

2.Разработка и конструирование измерительной системы

исследовательского лабораторного комплекса…........................................13

3. Программирование исследовательской лаборатории…………………..…15

4. Экспериментальная часть …………...……………………………………...17

5. Результаты лабораторного исследования……….…………………………19

6. Выводы лабораторного исследования………….…………………………..20

7. Список литературы, ссылки на первоисточники…………………………..22

Значимость лабораторной работы.

Арктический шельф Российской Федерации стал настоящим открытием. Арктика - одна из самых малозаселенных и труднодоступных территорий России. Так как на данной территории суровые природные условия, поэтому длительное время она не представляла какой-либо практической значимости для людей и невозможно было вести какую-либо экономическую деятельность. Арктика (греч. ἄρκτος - медведь (греч. arktikos - северный, от arctos - медведь (по созвездию Б. Медведица))) - единый физико-географический район Земли, примыкающий к Северному полюсу и включающий окраины материков Евразии и Северной Америки, почти весь Северный Ледовитый океан с островами (кроме прибрежных островов Норвегии), а также прилегающие части Атлантического и Тихого океанов.

В последние несколько лет страна активизировала усилия по освоению обширных запасов углеводородных ресурсов на своём континентальном шельфе в рамках государственных инициатив, направленных на стимулирование добычи нефти и газа на шельфовых месторождениях. Правительство Российской Федерации планирует работу над программой разведки арктического континентального шельфа и разработки его минеральных ресурсов на период с 2012 по 2030 г.

Для того, чтобы освоить арктические зоны необходимы особые технические и технологические решения аналогов, которых в мировой практике не существует, нужны мобильные исследовательские лаборатории и специалисты, умеющие работать с данными лабораториями, с креативным мышлением для успешного решения инженерных проблем нефтегазового комплекса страны в ближайшем столетии.

В 2016 г. году была организована экспедициями учеными из Москвы, чтобы изучить места обитания серных бактерий, которые живут в отделенных от Белого моря водоемах, а также способности микроорганизмов впитывать свет с определенной длиной волн, излучаемый солнцем.

Биологи обнаружили, что вода в пяти разных водоемах состоит из множества отдельных слоев, наподобие бутерброда. Верхний слой воды пресный, на дне слой без кислорода, а промежуточным стал – хемоклин. Более того, исследователи выявили количество разных видов серных бактерий в толще воды и оценили, какая концентрация фотосинтетических пигментов в этих самых бактериях.

Ученые отметили, что при анализе вод на содержание в них зеленых серных бактерий, можно получить информацию об экологическом состоянии планеты. По словам ученых, такие закрытые водоемы, с повышенным содержанием зеленых серных бактерий, появляются в регионах в результате развития индустриальной промышленности и строительства крупных инфраструктурных объектов. В таких местах появляются фототрофные микроорганизмы, а их накопление указывает на неблагоприятную экологическую составляющую водной системы данного района.

В районе Кандалакшского залива было найдено около десяти малых закрытых водоемов. На основании результатов, полученных при их исследовании, отмечают специалисты, можно делать прогнозы о состоянии более крупных природных объектов. Поэтому они намерены продолжить изучение этих «водоемов-бутербродов».

Еще один необычный феномен возник в результате глобального потепления:черные пятна в мерзлотно-тундровых ландшафтах Гыданского полуострова, которые могут резко повлиять на годовой теплооборот и изменить состояние верхних горизонтов мерзлоты.

Этот феномен ученые обнаружили в 2016 году во время экспедиции на Ямал.

«Там есть торфяники, на них началось пучение», – сообщил корреспонденту ИА «Арктика-Инфо» заместитель директора по науке Института криосферы Земли Сибирского отделения РАН Дмитрий Дроздов.

По его словам, из-за таяния ледников протопленный торф в результате мерзлотного пучения поднимается наверх, образуя довольно большие черные пятна. В результате этих процессов в атмосферу выделяется метан и углекислый газ. Также под этими пятнами увеличивается скорость таяния ледников.

«Эти пятна черные, солнце их хорошо прогревает, под ними чуть больше протаивает, чем обычно», – уточнил Дмитрий Дроздов.

Из-за изменения климата на планете в настоящее время наблюдается тенденция повышения уровня кислоты как в мировом океане так и в водных пространствах Ямало-Ненецкого АО, что угрожает нарушить равновесие морской фауны и рыбного промысла, которые являются критическими элементами в жизни коренных народов Ямала.

Также на изменение уровня кислотности pH арктических водных акваторий оказывает такое явление, как кислотный дождь. Оно вызывает у специалистов по охране окружающей среды большое беспокойство, так как приводит к снижению pH речной и озерной воды и, как следствие этого, к вымиранию рыбы. Такой дождь повреждает деревья, растения, обжигая их листву и нарушая доставку питательных веществ. Также он приводит к разрушению каменных сооружений и памятников. Но почему же в одних местах вреда наносится больше, чем в других?

Для ответа на этот вопрос нужно знать, как дождь становится кислотным. В естественном состоянии в воздухе находится углекислый газ (CO₂). Примерно четверть атмосферного углекислого газа поглощается океаном, где он образует угольную кислоту Когда (CO₂) растворяется в каплях дождя, образуется слабая кислота, называемая угольной (H₂CO₃). В связи с увеличением количества углекислого газа вследствие использования человеком ископаемого топлива кислотность океана будет продолжать расти.

В результате дождь естественным образом становится немного кислотным. Дождь со значением    pH от 5 до 6 – это обычное явление, и в большинстве случаев он не наносит никакого вреда. Однако при сжигании органического топлива в воздух выделяются такие газы, как диоксид серы (SO₂). Когда диоксид серы растворяется в каплях дождя, образуется серная кислота (H₂SO₄). Такой дождь может иметь значение pH, характеризующее его кислотность, равное 4. За годы нефтегазового освоения экологическая ситуация на территории округа резко ухудшилась. Наибольшее воздействие на природную среду оказывают нефтедобывающие предприятия, транспорт, жилищно-коммунальные хозяйства. Также остро стоят проблемы разрушения растительного покрова, сокращение оленьих пастбищ, расширение тундроподобных территории, загрязнение Обской и Тазовской губ. Одним территориям кислотный дождь наносит больше вреда, чем другим. Это связано с тем, что одни типы воды оказываются более устойчивыми к изменению pH, чем другие. Вода, не поддающаяся изменению pH, называется буферизованной. В зависимости от буферизирующей способности поверхностной воды одна территория может быть сильно повреждена кислотными дождями, а другая – остаться вообще не поврежденной.

В последнее время ученые проводят исследования экологического состояния арктического региона и последствия загрязнений окружающей среды, пытаются ответить на вопросы о качестве и состоянии рек и озер нашего региона. Ответы на этот вопрос ищут экологи Научного центра изучения Арктики и Тюменского государственного университета.

В рамках совместного проекта они изучают уровень антропогенной нагрузки на исконную среду обитания коренных малочисленных народов Севера и особое внимание уделяют водным ресурсам, поскольку именно они наиболее чувствительны к воздействию человека и промышленному освоению.

– Сейчас мы активно отбираем пробы поверхностных вод из озерных экосистем Надымского, Пуровского и Тазовского районов, – рассказывает «КС» Елена Агбалян, главный научный сотрудник НЦИА, доктор биологических наук. – После этого начнутся кропотливые лабораторные исследования, которые и позволят ответить на вопрос, какие процессы происходят на водосборных территориях и внутри самих водоемов и как влияют на качество вод.

Виталий Хорошавин, директор Института наук о Земле Тюменского гос-университета, кандидат географических наук, делится первыми выводами.

– Уже сегодня мы можем сказать, что поверхностные воды ЯНАО уязвимы к техногенному закислению. Сульфаты и соединения азота, свидетельствующие об этом, найдены в каждом втором озере округа! Но ведь при критических значениях этих показателей страдает озерная фауна, а популяции рыб и вовсе исчезают, – поясняет эксперт.

При этом подчеркивается, что закисление природной среды свойственно не только Ямалу, это одна из глобальных экологических проблем всего современного мира. Наиболее типичными загрязнителями атмосферного воздуха являются углекислый, угарный и сернистый газы, оксиды азота.

Сернистый газ и оксиды азота, соединяясь с водяными парами атмосферы, образуют серную и азотную кислоты, а затем выпадают на землю в виде кислотных дождей. Эти осадки меняют химический состав почв и вод, ускоряют процессы выветривания горных пород.

– Для нашего региона одна из наиболее актуальных проблем – сжигание попутного нефтяного газа, – констатирует Елена Васильевна. – Ежегодно на нефтепромыслах в открытых факелах сжигаются миллиарды его кубометров. Так, например, в 2010 году добыча попутного нефтяного газа составила 7,8 миллиарда кубометров, 1,9 миллиарда было сожжено на факелах.

Закисление природных сред ведет к уничтожению некоторых видов растений и животных.

– Еще в 50-х годах прошлого века, – замечает Виталий Юрьевич, – в Швеции и Норвегии начали замечать исчезновение рыбы из рек и озер. Причина оказалась в закислении воды. Именно из-за него прекращают существование некоторые виды растений и животных. Кстати, наиболее чувствительны к нему рыбы, грибы, водные беспозвоночные животные.

Закисление обедняет минеральный состав почв, повышает миграционную активность тяжелых металлов, угнетает деятельность бактерий, фиксирующих азот. В результате растения получают меньше питательных веществ, а общая продуктивность лесов снижается.

– Естественно, влияет оно и на здоровье людей, – говорит Елена Васильевна, – ведь загрязнители (при дыхании) попадают в бронхолегочную систему. Кроме того, при увеличении подвижности тяжелых металлов в кислой среде возрастает риск их попадания в продукты питания и воду через пищевые цепи.

Вместе с тем ученые уверены, что решить перечисленные проблемы можно. Для нашего региона актуальны эффективное использование попутного нефтяного газа, изъятие серы и ее соединений из угля и углеводородного сырья, установка каталитических нейтрализаторов на автотранспорт, специальных фильтров на электростанции, расширение использования возобновляемых и неисчерпаемых источников энергии.

Также учеными рассмотрен эффект закисления озер с учетом локального и глобального уровня загрязнения атмосферы, кислотных выпадений и переноса воздушных масс из западных, северо-западных промышленно развитых территорий севера Европы и Европейской территории России. Установлена взаимосвязь индекса интенсивности загрязнения природных сред с закисленностью озер исследуемой территории. На основе данных гидрохимических исследований 11 озер в пределах криолитозоны Западной Сибири оценена кислотонейтрализующая способность местных озерных экосистем, выявлено преобладание низких показателей этого свойства. На основе анализа анионного состава природных поверхностных вод выявлена низкая естественная устойчивость озер к кислотным выпадениям. Это связано с физико-географическими факторами формирования химического состава поверхностных вод в условиях криолитозоны, в частности, с низкой минерализацией вод, преобладанием атмосферного водного питания, мономинеральностью песчаных горных пород, значительной природной закисленностью озерных вод из-за значительной заболоченности водосборов и биохимических особенностей растительности. Установлена повышенная степень загрязнения вод исследованных озер свинцом и зависимость содержания свинца от степени сульфатного закисления озера. Организация USGS проводит исследовательские экспедиции в различных водных бассейнах Западного полушария для создания сравнительной базы данных о том, как повышение кислотности влияет на тропическую, умеренную и полярную среду. В этом году на Ямал отправятся две научные экспедиции. Первая будет изучать уникальные геологические четвертичные комплексы в Красноселькупском районе. Это поможет ученым детализировать историю формирования мерзлых толщ.

Вторая экспедиция отправится на Марре-Сале. Специалисты традиционно проведут там мониторинговые исследования отклика криолитозоны типичной тундры на климатические изменения.

Однако, если  бы на территории Ямала существовали автономные исследовательские лаборатории, которые бы периодически без помощи человека проводили заборы для анализа и обрабатывали эти данные, то такие мониторинговые исследования позволили бы  лучше понять существующие модели подкисления водной акватории Ямала и таким образом внесли бы значительный вклад в усилия общества в области изучения, прогнозирования и потенциального смягчения его воздействия на экосистемы Арктики и ее многочисленные глобально значимые ресурсы». Данные лаборатории позволили бы создать единое информационное пространство экологического состояния водного пространства Ямала.

Данные изменения происходят из-за глобального потепления и ученым необходимо постоянно проводить мониторинговые исследования в окружающей среде арктических территорий. Экспедиции с участием ученых опасны для здоровья и жизни человека и также экономически затраты. Необходимо применять мобильные автономные робототехнические системы без участия человека для мониторинга окружающей среды арктических территорий.

В России в каждом регионе существуют экологические проблемы. ЯНАО не является исключением. Более высокое содержание кислоты в воде может ослаблять способность морских животных к формированию раковин и скелетов, которые позволяют им выживать в окружающей среде. Данное повышение кислотности в полярных широтах может дойти как от микроскопических организмов так и до российской экономики, так как подверженные риску организмы составляют основу пищевой цепи в ряде наиболее продуктивных рыбопромысловых районов России».

Гипотеза

Возможно ли разработать и применить передвижную исследовательскую лабораторию для мониторинга уровня кислотности водных ресурсов Арктики. Реально ли практическое применение данной лаборатории, если внедрить датчик Vernier в конструкцию и создать условия подобные реальным путем проведения эксперимента с различными водными растворами..

Цель лабораторной работы:создать исследовательскую робототехническую лабораторию  робота, которая сможет анализировать уровень кислотности в водных растворах. Предполагается, что исследовательская лаборатория работает в местах труднодоступных для человека, опасных для здоровья и жизни человека.

Для этого необходимо выполнение следующих задач:

1. Cоздать робота на базе конструктора Lego Mindstorms NXT, который должен найти емкость с жидкостью и опустить в неѐ датчик;

2. Определить значение pH жидкости с помощью блока NXT;

3. Воспроизвести звук на основании данных датчика.

Объектом лабораторного исследования является процесс освоения Крайнего Севера и Арктики с помощью роботизированной исследовательской лаборатории.

Предмет лабораторного исследования – это модель исследовательской робототехнической лаборатории, которая сможет анализировать уровень кислотности, участвующая в местах труднодоступных для человека, опасных для здоровья и жизни человека.

Актуальность

Актуальность проведения данной лабораторной работы заключается в том, что на данный момент роботы используются практически во всех сферах деятельности человека. Они выполняют задачи, которые могут быть опасны для людей. Например, работа с взрывчатыми веществами, проникновение в труднодоступные места, использование роботов при исследованиях космических тел и регистрации данных без участия человека.

Новизна лабораторной работы состоит в том, что существует возможность превращения Lego-робота фактически в цифровую естественнонаучную лабораторию. Это становиться возможным благодаря использованию адаптера, предназначенного для сопряжения интеллектуального блока робота Minstorms NXT с датчиком pH Vernier, и соответствующего программного обеспечения. Использование такой робототехнической лаборатории открывает новые возможности и позволяет использовать как интеллектуальный блок NXT, так и самого Lego - робота для проведения многочисленных экспериментов в самых разных областях.

В процессе выполнения лабораторной  работы были использованы следующие методы исследования:

1. Теоретические (анализ фактов из литературных и Интернет - источников, обобщение материала, формулирование проблемы, гипотезы).

2. Экспериментальные (проектирование модели исследовательской лаборатории для анализа pH состава пробы воды, взятые из разных источников. Проведение с помощью роботизированной лаборатории исследовательских экспериментов и анализирование полученных результатов).

Разработка и конструирование измерительной системы