Проекты

К вопросу о локализации нефтяных пятен

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Идея» среди работ учащихся 8−9 классов

Направление работы: Робототехника, Экология
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1210
Предметы: Физика, Математика, Информатика, Экология
Классы: 9 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» 2020 года

Актуальность

Аварийные разливы нефти наносят огромный вред экосистемам. Несмотря на то, что в последнее время проводится политика предупреждения аварийных разливов нефти, данная проблема остается актуальной.

Цель

Усовершенствование конструкции оградительного бона робота-локализатора (разработанного нами в прошлом году)  для: повышения эффективности удержания нефтяного пятна при волнении на воде;  возможность  отпугивания птиц.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Базовый набор LEGO Mindstorm EV3 (Детали, датчики и мини-компьютер для создания прототипа робота-локализатора, мини-компьютер, датчики цвета, провода, ПК с ПО LEGO Mindstorm EV3).

Описание

Авторы решили попытаться разработать робота, который сможет локализовать нефтяные пятна.

Сначала разработали принцип его действия и конструкцию прототипа.

Действующая модель и программа для нее созданы на базе конструктора LEGO Mindstorm EV3. Это легкая конструкция, способная выдержать миникомпьютер, двигатели, датчики цвета, винты и буй.

В последнее время авторы занимались доработкой нашего проекта. Было изучено взаимодействие жидкости с твердыми телами, и, ребята пришли к выводу, что оградительный бон должен быть изготовлен из разных материалов. Внутренняя сторона – должна отталкивать и нефть и воду, такими свойствами обладает материал, из которого изготовлены спасательные жилеты для самолетов. Внешняя сторона – наоборот, должна впитывать нефть, может быть даже притягивать ее, но в тоже время, отталкивать воду. Нужными характеристиками обладает изобретенный в США материал из нанонитей, для робота Seaswarm.

Расчет оптимальных параметров оградительного бона.

В условиях ограждения нефти в воде, огороженная маслянистая жидкость будет стремиться занять на поверхности воды форму круга. Таким образом,  для расчетов рассматривалась объемная фигура – цилиндр.

Необходимо было рассчитать длину окружности основания цилиндра, объем которого займет вытекшая при аварии нефть, учитывая характеристики оградительного бона. Напомним, что авторы решили использовать оградительный бон, с возможностью удержания слоя нефти в 1 м.

Рассмотрели судно с наименьшим объемом перевозимой нефти. Объем нефти не более 600 м3, т.о. максимальный объем вытекшей нефти составит не более 300 м3.

(где V – объем цилиндра, S -  площадь основания цилиндра, h – высота цилиндра = высота слоя, удерживаемого оградительным боном, L – длина окружности основания цилиндра = необходимая длина оградительного бона).

=>

Следующим шагом был проведен расчет для самого вместительного судна. Объем перевозимой нефти не более 320 000 м3, т.о. расчеты производились исходя из того, что объем вытекшей нефти составит 160 000 м3:

Но всем понятно, что настоящая жизнь очень далека от идеальных условий. Именно поэтому авторами рассчитан необходимый размер оградительного бона для случаев, когда пробоина затронет 75% или 100% перевозимого груза. Эти случаи были названы «эффектом Титаника».

Пробоина с истечением 75% нефти:

Пробоина с истечением 100% нефти:

Рассчитав необходимую длину оградительного бона для разных судов, а также для случаев, которые названы «эффектом Титаника» авторы пришли к выводу,  что все танкеры с объемом перевозимой нефти менее 320 000 м3 необходимо оснастить роботом - локализатором с длиной оградительного бона 1 420м. Суда же с объемом перевозимой нефти 320 000 м3 или более необходимо оснастить двумя такими роботами.

Кроме всего прочего, авторы рассмотрели вопрос защиты птиц. Ведь птицы с высоты своего полета могут принять локализованное нефтяное пятно за остров. Для того, что бы избежать таких ситуаций было решено взять некоторые методы, используемые аэропортами всего мира. Наиболее подходящими для данного случая оказались биоакустические мини-установки или ультразвуковые отпугиватели птиц. Которые могут размещаться по периметру пятна на оградительном боне.

Итак, авторы убедились, что современная жизнь невозможна без нефти. Поэтому, необходимо принять все возможные меры по охране окружающей среды от разливов нефти.

  • С этой целью авторами был разработан принцип автоматической локализации нефтяных пятен, а также разработан и сконструирован прототип робота-локализатора.
  • Авторы также проработали модель оградительного бона, для повышения эффективности удержания нефтяного пятна при волнении на море и защиты птиц.

Оптимальным решением, по задумке авторов, является оснащение подобным роботом каждого танкера и нефтяной платформы. В этом случае, при аварии, локализация нефтяного пятна начнется автоматически и немедленно.

Правильная и своевременная локализация нефтяного пятна поможет существенно сократить площадь загрязнения, а значит спасти множество животных и растений, спасти нашу природу!

Результаты работы/выводы

Итак, мы убедились, что современная жизнь невозможна без нефти. Поэтому, нам необходимо принять все возможные меры по охране окружающей среды от разливов нефти.

  1. С этой целью нами был разработан принцип автоматической локализации нефтяных пятен, а также разработан и сконструирован прототип робота-локализатора.
  2. Мы также проработали модель оградительного бона, для повышения эффективности удержания нефтяного пятна при волнении на море и защиты птиц.

Оптимальным решением, как нам кажется, является оснащение подобным роботом каждого танкера и нефтяной платформы. В этом случае, при аварии, локализация нефтяного пятна начнется автоматически и немедленно.

Перспективы использования результатов работы

Оптимальным решением, как нам кажется, является оснащение подобным роботом каждого танкера и нефтяной платформы. В этом случае, при аварии, локализация нефтяного пятна начнется автоматически и немедленно. Кроме того, возможно использование в условиях Арктики.

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

  1. Ресурсосбережение: инновации и таланты. 2019 – призер.
  2. Ресурсосбережение: инновации и таланты. 2020 – победитель.
  3. МГК 2019. Научно-технологическое направление – призер.
  4. МГК 2020. Научно-технологическое направление – финалист.
  5. Конференция в МЭИ «Энергосбережение – дело каждого» 2019 – победитель.
  6. Конференция в МЭИ «Энергосбережение» 2020 – победитель.
  7. Всероссийский фестиваль #ВместеЯрче 2019 – победитель регионального этапа.
  8. Всероссийский фестиваль #ВместеЯрче 2020 – победитель регионального этапа. (17-19 место Федеральный этап).
  9. Форум молодых исследователей в рамках фестиваля наук 2019 (публикация в сборнике).
  10. Конференция «Биохимическая физика» при поддержке РАН – победитель.
  11. II Конференция-Конкурс «Школьная Идея» при поддержке совета молодых ученых РАН – победитель.
  12. Экологический форум. Конкурс социально значимых проектов (МДЮЦ ЭКТ) 2019-2020 – победитель.

Мнение автора

«Наша идея имеет практическую ценность и не имеет аналогов. Она может быть внедрена в технологический процесс при транспортировке нефти водными видами транспорта, а также при добыче нефти на воде для обеспечения экологической безопасности нашей планеты.

Курчатовский проект и конференция дает возможность школьникам показать свои идеи на самом высоком уровне. Это помогает нам определить актуальные мировые проблемы и предложить свой собственный взгляд на их решение»