Тема 11. ДОСЛІДЖЕННЯ КОСМОСУ

матеріал 4

214. Дослідження космічного простору. Частина 2.

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок №214. Дослідження космічного простору. Частина 2.

Очікувані результати навчання:

формулює самостійно або у співпраці з іншими проблему дослідження [12 ПРО 1.1.1]
здійснює самостійно або у співпраці з іншими дослідження, фіксує результати [12 ПРО 1.4.2]
виявляє ціннісне ставлення до набутих дослідницьких навичок для пізнання природи [12ПРО 1.6.3]
планує, здійснює пошук, опрацьовує, порівнює, аналізує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими надійність джерел і достовірність інформації для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 2.1.1]
установлює та обґрунтовує самостійно або у співпраці з іншими взаємозв’язки між природними, техногенними об’єктами, закономірності явищ природи [12 ПРО 3.3.1]
розробляє самостійно або у співпраці з іншими стратегії ефективного розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 4.3.1]

Мета уроку:

ознайомити учнів із Міжнародною космічною станцією (МКС) як прикладом одного з наймасштабніший науково-технічного проєкту людства;
сформувати в учнів уявлення про будову, принципи функціонування, виклики та значення МКС у дослідженні космосу.

Цілі сталого розвитку:

Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:

ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
ЦСР 12: Відповідальне споживання та виробництво
ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку

Ключові слова: МКС, орбіта, модуль, сонячні панелі, космічне сміття, мікрогравітація.

План уроку:

Мотивація
Міжнародна космічна станція (МКС)
Практичний блок
Попрактикуй самостійно
Рефлексія

Очікувані результати для учнівства:

розуміє значення міжнародної співпраці у створенні та роботі орбітальної станції
навчиться працювати з інтерактивними ресурсами, застосовуючи їх для отримання інформації
встановлює зв’язки між фізичними явищами та технічними рішеннями на борту МКС
наводить приклади труднощів, із якими стикаються астронавти в умовах космосу
спостерігає за візуалізацією польоту МКС у реальному часі та і модулями станції

Очікувані результати для вчителя:

учні розуміють значення міжнародної співпраці у створенні та роботі орбітальної станції
учні навчаться працювати з інтерактивними ресурсами, застосовуючи їх для отримання інформації
учні встановлюють зв’язки між фізичними явищами та технічними рішеннями на борту МКС
учні наводять приклади труднощів, із якими стикаються астронавти в умовах космосу
учні спостерігають за візуалізацією польоту МКС у реальному часі та і модулями станції

1. Мотивація (проблемне питання):

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 3 хв.

Чи присутня гравітація на МКС?
Чи можна посилити гравітацію на МКС?

Посилання на відео джерела:

Відео

2. Міжнародна космічна станція (МКС)

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 15 хв.

Акцентуйте на труднощах і компромісах.
Проєкт МКС — це історія постійного пошуку рішень: технічні проблеми, політичні бар’єри, трагедії.

Виділіть ідею міжнародної співпраці.
МКС стала унікальним проєктом об’єднання колишніх геополітичних конкурентів.

Використайте аналогії: “модулі — це як елементи LEGO”;

Час від часу на нічному небі можна побачити яскраву, швидкорухливу зірку, блиск якої можна порівняти з Венерою. Це МКС – найбільший об’єкт, коли-небудь побудований у космосі (рис.2).

Рис.2 МКС , фотографія , зроблена 8 листопада 2023 року учасниками місії Crew-2 . Джерело: NASA

Ми звикли сприймати це як належне, зовсім не замислюючись над тим, що саме існування орбітального комплексу є явним свідченням тріумфу людського розуму. МКС – найскладніша та найдорожча споруда сучасності, яка давно заслужила звання восьмого дива світу.

Перші ідеї створення постійної орбітальної бази виникли ще в 1970-х роках, коли NASA розробляло багаторазові шатли. Спочатку таку роль повинна була відігравати станція «Скайлеб», яка припинила існування у 1979 році (рис.3).

Рис.3 Орбітальна станція «Скайлеб». Джерело: https://universemagazine.com/

У 1984 році було оголошено про створення станції «Свобода», яка мала мати чотири модулі, коштувати $18 млрд і потребувати 21 запуск шатлів (рис.4).

Рис.4 Прототип станції. Джерело: https://universemagazine.com/

Але проект виявився занадто складним і дорогим. Після катастрофи «Челленджера» (1986) NASA змушене було внести серйозні зміни в конструкцію та стандарти безпеки, що збільшило кількість запусків до 30.
Щоб зменшити витрати, США залучили міжнародних партнерів: Європу (ESA), Японію (JAXA) та Канаду (CSA), які погодилися розробити лабораторні модулі та роботизовану руку.
Так проєкт «Свобода» став міжнародним.
У 1988 NASA дало старт будівництву, але бюджетні скорочення змусили зменшити станцію в розмірах і скоротити екіпаж до 4 осіб. Запуск відклався до 1995 року. А у 1993 році Конгрес США майже скасував проект — його врятував лише один голос.

Перехід до МКС:
У 1993 році США та Росія домовилися об’єднати свої програми — американську «Свободу» і російську «Мир-2» (рис.5). До станції увійшли модулі «Зоря» і «Зірка», а проект отримав нову назву — Міжнародна космічна станція (МКС). Це стало і політичним кроком: США побоювалися, що російські інженери, залишившись без роботи, можуть працювати на країни-суперники. Звичайно, тоді ніхто не знав, що в майбутньому сама Росія знову стане ворожою країною та агресором у всьому світі.

Рис.5 Джерело: https://universemagazine.com/

Збірка та запуск МКС
20 листопада 1998 — запуск модуля «Зоря» ракетою «Протон-К»
Грудень 1998 — шатл «Індевор» доставляє модуль «Юніті», станцію вперше відвідують астронавти.
Липень 2000 — приєднання модуля «Зірка», поява умов для постійного екіпажу
2 листопада 2000 — МКС стає постійно заселеною

Надалі станція постійно поповнювалась новими модулями та обладнанням, більшість з яких доставляли багаторазові шатли. У 2003 році катастрофа шатла «Колумбія» поставила під сумнів долю МКС, але NASA вирішило завершити будівництво за допомогою шатлів, перед їх виведенням з експлуатації (рис.6).

Рис.6 Джерело: https://universemagazine.com/

Завершення будівництва:
У травні 2011 року, під час останнього візиту шатла «Індевор», було завершено основний етап складання МКС.

Станція тоді мала:
14 герметичних модулів
Довжину — 72 м, ширину — 108 м
Об’єм — 930 м³, маса — ~420 тонн
36 запусків шатлів і десятки запусків ракет
МКС — приклад глобальної наукової співпраці. Вона працює безперервно вже понад два десятиліття, слугуючи лабораторією на орбіті та символом людського прагнення до дослідження Всесвіту.

Чому саме МКС називають восьмим дивом світу?
Відповідь: МКС — наймасштабніша споруда, яку коли-небудь створювало людство у космосі. Вона об’єднала понад 15 країн, важить понад 400 тонн, літає зі швидкістю 28 000 км/год і постійно забезпечує життя екіпажу в умовах мікрогравітації. Така технічна, наукова й організаційна складність робить її унікальною — справжнім досягненням людського розуму.
МКС будується вже понад 25 років. Чи можна вважати її «незавершеною»?
Чи це — ознака гнучкого розвитку?
Відповідь: МКС дійсно змінюється й розширюється вже понад чверть століття. Але це не ознака незавершеності — радше свідчення гнучкості проєкту. Вона розвивається відповідно до наукових потреб, технологічних можливостей і партнерських угод. У цьому — її сила, а не недолік.
Які труднощі найбільше впливали на процес створення МКС — технічні, фінансові чи політичні? Обґрунтуй.
Відповідь: Всі три типи труднощів були суттєвими.
- Технічні — створити модулі, які могли б функціонувати в умовах мікрогравітації, стикуватися, підтримувати життя — надзвичайно складно.
- Фінансові — станція коштувала понад $100 млрд, і це вимагало постійної політичної підтримки.
- Політичні — були періоди напружень (наприклад, після катастрофи «Челленджера» або падіння СРСР), але саме політична воля зробила проєкт міжнародним і життєздатним.
Чому не можна просто «якорити» МКС у космосі? Чому вона повинна постійно рухатись орбітою?
Відповідь: У космосі немає точки, де можна «прив’язати» об’єкт. Щоб залишатися на орбіті, МКС мусить постійно рухатись із великою швидкістю, щоб центробіжне прискорення компенсувало силу тяжіння. Це як постійне «падіння» навколо Землі — саме тому екіпаж перебуває в невагомості.
Чому міжнародна співпраця у космосі виявилася успішнішою, ніж у багатьох інших сферах?
Відповідь: Космос вимагає колосальних ресурсів, знань і досвіду — жодна країна не може реалізувати такі проєкти самотужки. Співпраця дозволяє об’єднати зусилля, розподілити витрати і відповідальність. Крім того, космос — нейтральна зона, де немає меж, тож конкуренція частіше поступається кооперації.
Чому МКС досі не має постійного доступу до Інтернету так, як ми звикли на Землі?
Відповідь: Інтернет на МКС працює через супутникові системи, які передають сигнал до Землі через ретранслятори. Це створює затримки і не дозволяє забезпечити «безперервний» інтернет. До того ж, технічні обмеження та пріоритет критичних каналів зв’язку (навігація, телеметрія, медичні дані) не дають змоги підключити звичайний високошвидкісний інтернет, як удома.

3. Практичний блок:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 15 хв.

Завдання №1

Перейди за посиланням https://www.heavens-above.com/ISS_3D.aspx?utm_source . (рис.7)

Чи освітлена станція Сонцем (день чи ніч)?
Відповідь: МКС видна, коли вона знаходиться у сонячному світлі, а спостерігач перебуває в темряві (після заходу або до сходу Сонця). Саме в цей момент вона світиться надзвичайно яскраво — через відображення світла на її сонячних панелях чи корпусі
Над якою частиною Землі зараз пролітає МКС?
Відповідь: У момент спостереження онлайн-модель показує, над якою географічною широтою і довготою перебуває станція. Це може бути океан або континент, залежно від орбіти. Зазвичай вона пролітає над різноманітними регіонами: океанами, материками, країнами в межах 51° пн/пд широти.
Які географічні об’єкти видно під станцією (океан, континент, країна)?
Відповідь: Темніші географічні області можуть вказувати на океани, світліші — на материки або великі міста. Під час прольоту можна розрізнити:
- Великий водяний простір → океан
- Суцільні або світлі ділянки → континент або населені країни/регіони.
Визнач, у якому напрямку рухається станція: з заходу на схід чи навпаки?
Відповідь: МКС рухається у проградному напрямку — зі заходу на схід. Така орієнтація обрана для економії пального (додавання обертального імпульсу Землі) та для стабільного освітлення сонячних панелей.
МКС робить один повний оберт навколо Землі приблизно за 90 хвилин.
Скільки сходів та заходів Сонця бачать астронавти за добу?
Відповідь: Орбітальний період МКС — близько 92–93 хвилини, тобто ≈ 15,5 обертів навколо Землі за добу. Отже, астронавти бачать приблизно 15–16 сходів і 15–16 заходів Сонця на добу.
Як ти думаєш, чи впливає така часта зміна дня й ночі на біологічний ритм астронавтів?
Відповідь: Так, значно. Часті зміни освітленості порушують циркадні ритми — спати та прокидатися складніше. Тому на станції використовують лінійний час, фіксований графік, LED-освітлення, щоб імітувати звичний земний цикл і підтримувати здоров’я екіпажу
Астронавти на Міжнародній космічній станції користуються всесвітнімкоординованим часом (UTC).UTC не прив’язаний до жодної країни.
Чому вирішено саме так?
Відповідь: UTC — нейтральний для всіх країн, що входять до програми.
- Це забезпечує уніфікацію графіків польоту, наукових експериментів, стикувань, незалежно від часових поясів країн партнерів .
- Це також спрощує співпрацю між центрами керування щодо всіх технічних операцій.

Завдання №2

Познайомтеся з основними елементами станції та прогуляйтеся нею. Для цього скористуйтеся https://www.nasa.gov/feature/iss-virtual-tour/?utm_source або додатком ISS Explorer (рис.8).

Що було б найскладнішим для тебе (якщо б ти перебував на МКС) — ізоляція, відсутність гравітації чи замкнений простір?
Відповідь: Найскладнішою була б ізоляція: тривале перебування без фізичного контакту з рідними та друзями може спричинити психологічний дискомфорт.
Водночас відсутність гравітації — це цікаво, хоч і непросто.
Як ти думаєш, що найскладніше у повсякденному житті на МКС — сон, їжа, гігієна, спілкування з родиною, щось інше?
Відповідь: Найбільше труднощів викликає сон — адже на орбіті 16 разів на добу змінюється день і ніч. Також гігієна у невагомості вимагає спеціального обладнання, бо вода не тече, а зависає краплями.
Які якості (особисті й професійні) найважливіші для того, хто живе і працює на станції?
Відповідь: Важливі: стриманість, уважність, витривалість, уміння працювати в команді, а також багатопрофільна підготовка (фізика, медицина, інженерія, мови).
Побудова МКС обійшлася у понад 100 мільярдів доларів. Як ти вважаєш, чи виправдані ці витрати?
Відповідь: Так, бо МКС стала унікальною лабораторією, де відбуваються дослідження, які неможливі на Землі — з медицини, фізики, біології, матеріалознавства.
Вона також є символом міжнародної співпраці.
Чому на МКС немає “зайвих” речей?
Що було б для тебе найважливішим особистим предметом у польоті?
Відповідь: На станції важливий кожен кілограм і кожен літр об’єму, тому беруть лише найнеобхідніше. Особисто я взяв би фото родини, блокнот і навушники з музикою.
Який модуль МКС здається тобі найважливішим і чому (рис.9)?
Відповідь: Наприклад, модуль «Дестіні» (американська лабораторія) — у ньому проводять експерименти, що допомагають розуміти, як жити в космосі, і розвивати медицину.
Або «Зірка», бо забезпечує життєдіяльність екіпажу.
Як ти думаєш, чому модулі мають здебільшого циліндричну форму?
Відповідь: Циліндрична форма забезпечує рівномірний розподіл тиску, спрощує стикування, зменшує маси стінок при тій же міцності, а також її легше запустити всередині ракети.

Завдання №3

Однією з найбільших загроз для МКС, ймовірно, є космічне сміття.

Які елементи МКС найбільше страждають від космічного сміття?
Відповідь: Найбільше страждають зовнішні поверхні станції:
- панелі сонячних батарей
- захисні екрани
- зовнішня оболонка модулів
- ілюмінатори (вікна).
  Ці елементи постійно піддаються впливу мікрометеоритів і фрагментів сміття, що летять на високих швидкостях.
Чому навіть дуже дрібні частинки можуть становити небезпеку для станції?
Відповідь: Навіть частинка розміром з піщинку може мати швидкість понад 7 км/с, що відповідає кулі з гармати. Через високу кінетичну енергію, навіть мікроскопічні уламки можуть пробити корпус або пошкодити чутливу апаратуру, особливо сонячні панелі.
Якою могла бути швидкість об’єкта, що залишив цю вм’ятину на склі (рис.10)?
Відповідь: Типова швидкість орбітального сміття на низькій навколоземній орбіті — 7–15 км/с. Якщо врахувати зустрічний рух, максимальна відносна швидкість може досягати понад 20 км/с.
Дізнайтеся приблизну масу космічного сміття, що міг залишити таке пошкодження та розрахуйте його кінетичну енергію.
Відповідь:
Які заходи вживає екіпаж МКС, коли уламки наближаються до станції?
Відповідь:
- Зміна орбіти (маневр ухилення) — заздалегідь планується за даними відстеження NORAD.
- Перехід до рятувального корабля — у разі ризику зіткнення екіпаж евакуюється до капсули (наприклад, Dragon або Soyuz), щоб мати змогу швидко повернутися на Землю.
- Захисні екрани (наприклад, багатошарові Whipple Shield) — поглинають енергію дрібних об’єктів

Рис.10 Джерело: https://universemagazine.com/

Завдання №4

МКС використовує аміак як теплоносій у системі охолодження зовнішніх модулів (особливо сонячних панелей та електроніки) (рис.11).
У травні 2013 року екіпаж помітив білу “хмару” аміаку, що виходила з одного з каналів. Протягом 48 годин було організовано екстрений вихід у відкритий космос — один із найшвидших в історії. Астронавти Крістофер Кессіді та Томас Маршберн замінили насос і труби.

Чому аміак використовується як теплоносій, а не вода?
Відповідь: Аміак має нижчу температуру кипіння (≈ –33 °C) і кращу теплопровідність, ніж вода. У космосі, де температура навколишнього середовища може опускатися до –100 °C і нижче, вода замерзла б, а аміак залишається рідким і ефективно передає тепло.
Крім того, аміак не потребує високого тиску для роботи в рідкому стані при таких температурах.
Що могло би трапитися, якби екіпаж не виявив витік вчасно?
Відповідь: Перегрів електронного обладнання або вихід із ладу сонячних батарей, які підключені до охолоджувальної системи. Це могло б спричинити вимкнення частини систем життєзабезпечення та втрату управління певними модулями. У найгіршому випадку — евакуація екіпажу через неможливість підтримувати потрібну температуру.
Які фізичні властивості аміаку (точка кипіння, летючість, токсичність) роблять його небезпечним у космосі?
Відповідь:
- Низька точка кипіння (–33,3 °C): у вакуумі аміак миттєво випаровується й утворює отруйну пару.
- Висока летючість: аміак легко переходить у газоподібний стан навіть при низьких температурах.
- Сильна токсичність: навіть у малих концентраціях він небезпечний для здоров’я, викликає подразнення очей, дихальних шляхів і може пошкодити органи.
- Корозійність: він може пошкодити електроніку, якщо потрапить усередину модуля.

4. Попрактикуймо самостійно

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 10 хв.

10 речей “Що є на МКС”:

1. Життєзабезпечувальні системи : Кисень, вода, тиск — усе життєво необхідне

3. Їжа та установка для салату : Харчування + рослинні досліди (LADA, Veggie)

5. Гігієна без води : Серветки, паста без полоскань, сухий шампунь

7. Спальні мішки на стінах : Вони кріпляться для уникнення «плавання

9. Наукові модулі : Модулі Destiny, Kibo, Columbus

10. Вакуумний туалет : Без води, але ефективний

14. Планшети та 3D-принтер: Є й використовуються на практиці

16. Психологічна підтримка: Фільми, відеозв’язок, музика — це критично

17. ISSpresso : Італійський апарат для кави існує

22. Лампи для біоритмів : Використовуються для імітації добового циклу

15 речей, яких “немає на МКС”:

Душова кабіна

Кухня з плитою

Холодильник

Природне світло

Пральна машина

Домашні тварини

Ґрунтові клумби

Скляні вікна

Стрімінг Wi-Fi

Робот-пилосос

Ванна кімната

Розпилювачі ароматів

Паперова бібліотека

Магазин запасів

Голографічне вікно

Прочитай уважно 25 пунктів. Серед них — 10 реальних речей, які дійсно є на МКС, і 15, яких насправді там немає (але деякі звучать дуже правдоподібно).
Залиш 10 реальних об’єктів та речей, які є на МКС та поясни свій вибір

Список:

Життєзабезпечувальні системи для очищення повітря й води
Душова кабіна з гарячою проточною водою
Їжа в тюбиках і сублімати, установка для вирощування салату
Звичайна кухня з духовкою та електроплитою
Гігієна на основі серветок, шампуню без змивання
Повноцінний холодильник для продуктів
Спальні мішки, закріплені до стіни модуля
Природне сонячне світло, що освітлює модулі станції
Модулі для наукових досліджень з мікроскопами
Туалет із вакуумним всмоктуванням
Пральна машина для астронавтів
Тварини-компаньйони (кіт або собака)
Ґрунтові клумби для вирощування овочів
Робочі планшети та 3D-принтер
Скляні вікна, як у літаках, із прямим видом на Землю
Психологічна підтримка: фільми, музика, відеозв’язок із сім’єю
Справжній Wi-Fi з YouTube та TikTok у реальному часі
Робот для прибирання, схожий на домашній пилосос
Еспресо-машина ISSpresso для кави в тюбиках
Стаціонарна ванна кімната з умивальником
Розпилювачі ароматів для покращення настрою екіпажу
Лампи з режимом «схід–захід» для регуляції біоритмів
Бібліотека з паперовими книжками
Магазин із запасами одягу та їжі на будь-який смак
Голографічна система для проєкції «віртуального вікна»

Рівень А: від 1 до 4 правильних відповідей
Рівень В: від 5 до 8 правильних відповідей
Рівень С: від 9 правильних відповідей.

Рефлексія:

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 2 хв.

Придумай назву до нової космічної станції. Обґрунтуй свій вибір.
Уяви що ти відправляєшся на МКС терміном на 6 місяців.
Ти можеш взяти з собою якусь особисту річ. Що це буде? Чому?