Про глобальні проблеми

Проект «Маловитратний спосіб зрошення прибережних пустель» – © Венчковська Анастасія (9 клас), 2018 рр.

Дослідження великої кількості супутникових фото і відеоматеріалів однозначно вказують на формування в атмосфері     доволі умовного, але разом з тим й відчутного бар’єру між повітряними масами над сушею і масами повітря над морями та океанами. Тому вода, що випаровується з поверхні моря і потім випадає у вигляді дощу, в основному повертається знову у море і дуже рідко потрапляє на територію пустелі.

Завдання проекту. Розробка способу затягування вологого атмосферного повітря         з моря на сушу, де пізніше надлишкова волога зможе випадати у вигляді дощу. Подальший аналіз супутникових    і наземних фотографій показав, що над усіма поодинокими островами дуже часто формуються хмари. Також виявилося, що півострови, у випадках, коли їх альбедо менше ніж альбедо узбережжя, стають своєрідними генераторами хмар.

         Зрош-1  Зрош-2  Зрош-3

Гіпотеза і спосіб вирішення проблеми. Якщо локально зруйнувати бар’єр між сухим повітрям над пустелею і вологою над морем, то можна буде забезпечити надходження вологого повітря на територію пустелі, що у подальшому спричинить випадання вологи у вигляді дощу чи туману.

Для   руйнування рівноважного стану між атмосферними фронтами моря і суші пропонується періодично насипати  на пляжах темні плями розміром у кілька квадратних кілометрів. Розмір такої плями орієнтовно має бути співрозмірним з висотою нижньої межі конденсації в атмосфері. Матеріалом для темних плям слугуватимуть будь-які гірські породи, чиє альбедо є меншим, ніж альбедо піску.

Над поверхнею чорної плями повітря буде швидше і більше нагріватися, ніж над поверхнею решти пустелі. Нове повітря, що надходитиме на територію чорної плями, буде містити значний відсоток вологого морського повітря і над плямою почне формуватися повноцінна хмара. Вночі, коли сонячне нагрівання земної   поверхні припиниться, хмара опуститься нижче і випаде у вигляді дощу в пустелі. 

Зрош-4 Зрош-5Для перевірки гіпотези було виготовлено експериментальну установку. Атмосферу імітував шар води, який згори прогрівався потужним прожектором. Дно установки було розділене на дві рівні частини з різним альбедо, що імітували різне нагрівання пустелі і моря. Рух води вустановці детектувався впорскуванням мікрокрапель чорнила.

Результати експериментів. У випадку, коли дно установки було просто розділене на дві зони білого і коричневого кольорів, мікрокраплини фарби  розмивались у воді, не детектуючи жодних течій. Потім, на границі між зонами, було обрано дві точки на відстані в 1/3 від стінок і відповідно між собою.

В одній з цих точок була розміщена чорна пляма, а інша пляма була контрольною. Після нетривалого прогрівання у воді почали детектуватися мікротечії біля плями. Особливо це було помітно після повного осідання фарби на дно. В той же час у районі контрольної точки водорозділ лишався таким самим стабільним і незбуреним.

                     Зрош-6   Зрош-7 Зрош-8

Висновки. Гіпотезу підтверджено. Локально збуривши границю повітряних мас над пустелею і морем, можна отримати їх взаємне перемішування,    що         призведе    до     регулярного випадання дощів у визначених територіях пустелі.

Проект «UPGRADED SALTER SINK» – © Біляк Олена (8 клас), 2018 р.

Актуальність завдання. Емпірично встановлено, що урагани в Атлантичному океані та тайфуни у Тихому океані починають формуватися над поверхнею води, коли її температура піднімається вище 26 градусів за Цельсієм. Також відомо, що до такої температури прогрівається лише верхній шар океану товщиною всього у декілька метрів.

                                                      Біляк-1 Біляк-2

Тому у світі давно вже визріла ідея перемішувати шари океанської води для того щоб не допустити зародження ураганів та тайфунів. Британський вчений Стівен Солтер розробив з колегами і запатентував технологію «Salter Sink». Розробка являє собою трубу, що опускається на глибину 100-200 метрів , з поплавком у верхній частині. Поплавок дещо припіднятий над рівнем океану, тому хвилі, які потраплятимуть на поплавок, будуть просто стікати по трубі в глибину. Таким чином тепла вода буде перемішуватися з холодною, а температура поверхні океану так і не перевищить критичні 26 градусів за Цельсієм. Згідно з попередніми підрахунками, для максимальної ефективності необхідно створити систему з кількох сотень таких пристроїв.

Недоліки Salter Sink.  Згідно GSSSD 76-84, кубічний метр океанської води температурою 26оС майже на 4 кілограми є легшим, ніж кубометр води з температурою в 10оС. Відповідно для того, щоб вода опустилась на глибину хоча б у  100 метрів, надлишковий водяний стовп на поплавку має мати 0.4 метри. Це означає, що хвиля повинна мати висоту у 0.5 метра і вище. А для того, щоб нагнати півметрову хвилю, потрібно, згідно з емпіричними даними, щоб вітер мав швидкість не менше 5 м/с і дув не менше доби.

Як наслідок, система Salter Sink розпочне боротися з ураганом тільки тоді, коли стихія вже виникне і навіть частково набиратиме сили.

Тому нами було вирішено розробити  більш ефективний спосіб перемішування поверхневих шарів води в океані, використовуючи для цього енергію течій. Оскільки на відміну від вітру течії діють постійно і стабільно, пропонується розміщувати у верхніх шарах океану конічні циліндри, верхні  (вужчі) кінці яких матимуть поплавки, що трохи підніматимуть ці кінці до поверхні. Натомість нижніми (ширшими) кінцями циліндри будуть до дна.

Довжина якірного троса обирається з розрахунку, щоби дозволити течії відвести циліндр на відстань у кілька раз більшу, ніж сама глибина. А це у свою чергу забезпечило б йому потрібний нахил відносно поверхні океану на 15-20 градусів.

Перевірка гіпотезиВисновки. Можна зменшити температуру верхніх шарів океану, якщо перемішувати їх з нижніми шарами за рахунок енергії океанічних течій. Для перевірки гіпотези було виготовлено експериментальну установку, в якій взаємодія океанічної течії та напрямного конусу імітувалася коловим рухом самого конусу.

         Біляк-3  Біляк-4  Біляк-5  Біляк-6

Досліди показали, що гідравлічного напору течії достатньо для вертикального підйому води. Гіпотеза підтвердилася. Динамічного напору океанічної течії буде цілком достатньо, щоб понизити температуру верхнього шару океану за рахунок її перемішування з нижніми шарами більш холодної води.

Проект «Загальноміська мережа видалення сміття» © Кремінь Тарас (6 клас), 2018 р.

Актуальність проблеми. Вивезення побутових відходів вже давно стало болючою проблемою мало не кожного міста. Повсюдно бракує зручних і компактних контейнерів для сортування за вмістом і тимчасового зберігання сміття. Роздільне збирання і сортування органічних відходів (харчові, господарський папір, рослини, кістки, засоби гігієни, серветки, скатертини, підгузки, одноразові пакети і посуд),  окремих видів пластику (пляшки, посуд, тюбики з-під побутової хімії, надувні кульки, харчова плівка, поліетиленові пакети), змішаних відходів (просмалений і ламінований папір, обгортки, використаний одяг і взуття, розбиті неенергозберігальні лампи, фаянс, фарфор, кераміка, ручки, маркери), скла (пляшки, склобій, скляні банки) дозволяє у подальшому переробити їх та одержати корисну продукцію. Набагато складнішою поки що є ситуація з переробкою інших видів пластику, наприклад,  DVD- I CD-дисків, аудіо- та відеокасет, фотографій і фотоплівок, пластикових контейнерів, предметів інтер’єру, парасольок, пластикових іграшок, килимків, пластикового взуття. Ці відходи не можна скидати у контейнери, на яких навіть є надпис «Пластик», вони складають окрему категорію у структурі процесу утилізації ТПВ. 

                                                 Енвак-1 Енвак-2

Встановлені у житлових зонах контейнери для збирання твердих побутових відходів додають інших проблем. Багато ручної праці забирає навіть механізований процес перекладання відходів на сміттєвози. Зокрема, з міркувань промсанітарії потрібно регулярно очищати від різних налипань, що є виключно ручною працею. Після завантаження сміттєвозів  цими відходами необхідно і також вручну прибрати територію майданчика з контейнерами від залишків сміття, що обов’язково розкидається з переповнених контейнерів при їх перекиданні у приймальний бункер автомобіля. Підвищену пожежну небезпеку для сміття несе літня спека, коли воно спалахує від першого ж недопалка.

   Енвак-3 Енвак-4 Енвак-5

Зволікання ж у теплу пору року, а особливо у літню спеку, з вивезенням побутових відходів на сміттєприймальні пункти для подальшої їх утилізації, а найчастіше просто на звалища (в Україні поки що лише один сміттєспалювальний завод, у Києві),  є дуже небезпечним, оскільки сміття стає сприятливим середовищем і розсадником гризунів, мух, інкубатором інших хвороботворних організмів.

       Енвак-6 Енвак-7 Енвак-8

Працівникам підприємств утилізації побутових відходів мусять також ретельно контролювати вміст баків на наявність у них тари з-під барвників, клеїв, лаків, розчинників, батарейок, люмінесцентних світильників, тому що  наслідки від  випаровування і небезпечних взаємодій залишків їх вмісту можуть бути  аналогічними локальній дії хімічної зброї.

Що ж до  самих сміттєвозів, то ці машини повинні бути малогабаритними і маневреними для можливості заїздів у  різні двори і водночас  мати велику місткість, щоб зменшити число рейсів вулицями, що сьогодні вже перетворилися на  суцільний паркінг автомобілів, і постійними заторами на дорогах і трасах за містом.  Непросто підтримувати чистоту та охайність сміттєвозів, якими вивозять різноманітний непотріб, зокрема й  зріджені від гниття харчові відходи. Хотілося б також, щоби автомобілі для вивезення сміття були якомога економнішими у споживанні паливно-мастильних матеріалів.

     Енвак-9 Енвак-10 Енвак-11

  Розв’язати проблему пробує Envac. Оскільки досягти усіх цих вимог надзвичайно складно, тому у світі впроваджуються принципово інші підходи до вирішення проблеми видалення сміття з великого міста. Зокрема, усе більшої популярності набувають проекти створення загальноміську мережу трубопроводів, через яку сміття потоками повітря витискалося б безпосередньо на пункти сортування сміття, що розташовані за містом. Ідея до певної міри є чимсь проміжним між пневматичною поштою та Гіперлупом від Ілона Маска.

Лідером в розробці проектів транспортування міського сміття за місто потоком повітря по  трубопроводу є шведська фірма Envac (www.envacgroup.com). ЇЇ проекти передбачають будівництво мережі приймальних терміналів, у які  скидається відсортоване сміття.

                  Енвак-12  Енвак-13

Термінали під’єднуються до мережі прокладених під землею труб. Підземні ж труби з’єднують термінали з мережею вакуумних помп з циклонами-сепараторами.

   Енвак-14  Енвак-15

Завантажене у циклони сміття збирається в контейнери та передається безпосередньо на сміттєпереробний завод.

                              Енвак-16 Енвак-17

  Недоліки шведської системи. При всіх своїх перевагах система від  Envac має ряд недоліків, головним з яких є те, що транспортування сміття передбачено здійснювати у пластикових кульках. Але у будь-який момент у сміття можуть потрапити тверді важкі відходи, скажімо, бите скло чи уламки кераміки. І тоді жоден побутовий пластиковий пакет не витримає контакту з гострими краями таких уламків, і вміст розірваного пакету висиплеться на дно труби. Також зрозуміло, що жодна вакуумна помпа не зможе витягнути  з труби шматки кераміки чи металу. Крім цього, залишки харчових продуктів налипатимуть на стінках повітропроводів і слугуватимуть  інкубатором для патогенних мікроорганізмів.

Наша пропозиція. У межах міської каналізації, а саме у верхній, сухій її зоні прокладається мережа сталевих труб діаметром 100 – 200 мм.   За містом труби під’єднуються до системи компресорів, що створюватимуть відповідне розрідження у трубах і циклонних фільтрів, які будуть розділяти потоки повітря та сміття. Фактично йдеться про велетенський пилосос, а точніше сміттєсмок. Через певні відстані труби матимуть обладнані герметичними заслінками відгалуження з виходом на поверхню, де з’єднуються з дробарками сміття. За певним графіком відкриватиметься та чи інша заслінка і відповідна дробарка подаватиме в трубу подрібнене сміття, що накопичилося в зоні її охоплення. Щоби дробарки працювали ефективно і без простоїв, невеличкі електрокари підвозитимуть до них контейнери з сміттям з найближчих пунктів приймання побутових відходів. По закінченню роботи дробарки відгалуження сміттєпроводу, що веде до неї буде перекрите, а в роботу вступить інша дробарка в сусідньому районі. І так, поки не буде відпомповане усе сміття з мережі.

Для того, щоби важкі фракції  сміття (куски металу, каменю) не накопичувалися у сміттєпроводі, пропонується періодично закидати у нього гумові кулі діаметром трішки більшим від діаметра самого сміттєпроводу, що дозволить утримувати цей канал у чистоті та постійному робочому стані. Власне, у цьому й полягає головна сутність ноу-хау цього проекту. На заміських пунктах сортування сміття гумові кулі будуть вилучатися та знову повертатися для повторної подачі у пневматичну мережу. При перепаді тиску в 0,5 бар і при діаметрі трубопроводу 200 мм атмосферний тиск  штовхатиме кулю з силою у 150 кілограмів. Такого зусилля буде цілком достатньо для руху гладкими сталевими трубами будь-яких забруднень.

Якщо ж цього виявиться замало, тоді можна буде на короткий час герметично перекрити усі бокові відгалуження від труб, і додатковий компресор створить у трубах тиск 3-5 бар (стандартний тиск в водопровідній мережі). Відповідно тиск на гумову кулю зросте у десять раз (до 1,5 тони), що дасть змогу гарантовано прочистити будь-який засмічення. Завантаження системи гумовими кулями декілька разів поспіль дозволить повністю очистити сміттєпровід від одного виду сміття і без проблем перейти на транспортування іншого виду сміття.

Таким чином можна буде організувати роздільне збирання сміття за різними категоріями, групами, видами параметрами, навіть організувати приймання використаних новорічних ялинок з подальшою передачею на ТЕЦ в якості додаткового палива. Пункти прийому сміття матимуть по декілька різних циклонів і турбокомпресорів, а наявність мережі керованих розгалужень від трубопроводів і перемикань гарантуватиме роботу системи при виході з ладу одного з турбокомпресорів. Міські пункти подачі сміття у магістральний сміттєпровід – це підземні споруди, що мають по 2-3 подрібнювачі сміття,  пристрій для подачі гумових куль у трубопровід, а також підземний бункер для тимчасового накопичення відходів, що завезені від сусідніх урн і сміттєвих баків.

Під час роботи над темою дослідження було спроектовано і виготовлено макет приймального терміналу сміття з автоматизованим очищенням вакуумного сміттєпроводу мережі гумовими кулями.

      Енвак-18 Енвак-19 Енвак-20 Енвак-21 Енвак-22 Енвак-23

  Висновки. Оснащення приймальних терміналів  автоматизованими пристроями подачі у систему гумових куль забезпечить безаварійну роботу вакуумного сміттєпроводу навіть за наявності сміття значної питомої густини. За рахунок ефекту поршня зменшуються енергозатрати на роботу вакуумної помпи при підвищенні якості її функціонування. Гумові кулі  належно зчищатимуть із стінок труб органічні забруднення.

Науково-дослідницький проект «Регулювання  рівня  води  в  річках»  – © Крокіс Марія (11 клас), 2014 – 2017 рр.

Людство постійно бореться з повенями, споруджуючи різні захисні греблі, хоча такий захист має суттєві недоліки, головним з яких є те, що достатньо паводковій воді прорвати греблю хоча б в одному місці, як уся ця споруда стане показовим прикладом безцільних витрат величезних матеріально-технічних, фінансових і людських ресурсів.

Мета проекту полягала у розробці системи гідротехнічних споруд, що могла би підтримувати стабільний рівень води в річках, а при загрозі паводку превентивно та автоматично  скидати паводкові води ще до того, як вони катастрофічно затоплять суходіл. Ідеальним рішенням було би змонтувати континентальну систему підземних колекторів надвеликої пропускної здатності, через які надлишкова вода стікала б прямо в океан.

        krokis-1   krokis-2   krokis-3   krokis-4

Гіпотеза дослідження. Поглиблення русла наявних річок і облаштування їх керованими перекатами дозволить підтримувати заданий рівень води практично незалежно від кількості атмосферних опадів.

Конструктивне рішення. Побудова континентальної мережі підземних колекторів є надто затратним проектом, тому виникла ідея поглибити русла існуючих річок, а для того ж, щоб  при звичайних умовах рівень води не падав на дні поглибленої річки, монтувати  штучні перекати. При загрозі паводку, штучні перекати згортаються і русло зможе пропустити через себе усю паводкову воду. Потрібно зауважити, що поглиблювати потрібно не все русло, а лише його найбільш пологі ділянки, на яких невеликий підйом рівня води призводитиме до затоплення берегів.

                                krokis-5  krokis-6  krokis-7

Перекати можуть бути повністю автономними та саморегульованими, для чого розкладний перекат анкером кріпиться до материкових порід і він стримує придонний потік води, а його поплавок задаватиме рівень розкриття перекату. Як тільки рівень води почне підвищуватись, разом з ним підніметься поплавок, який через систему важелів згорне перекат. Зробивши зв’язок поплавка і важелів керування перекатом дистанційно керованим, можна керувати рівнем води у річці. Також слід зазначити, що перекати є гідротехнічними спорудами особливого типу, яким не потрібна герметичність. Вони є чимось на зразок «гальмівного парашута», який у нашому випадку стримує течію придонних шарів води.

                                      krokis-8  krokis-9

Екологічна нейтральність проекту. У світі накопичено великий досвід суттєвого поглиблення русел річок за рахунок облаштування у них руслових кар’єрів. В процесі впровадження таких технологій було встановлено, що якщо між  поглибленнями залищати невеличкі перемички, які стримуватимуть потік води, то рівень води в річці залишиться практично стабільним. Фактично пропоновані нами керовані перекати є аналогами перемичок між русловими кар’єрами, що дозволяють зберегти усі гідрологічні та екологічні параметри річки.

                                   krokis-10        krokis-11            krokis-12

Теоретичні засади. Повінь ніколи не розпочинається миттєво, паводок спочатку поступово наростає, а потім так само поступово спадає, а за рахунок нелінійних ефектів при русі води по руслу річки  паводок ніби «розмазується» і стає довшим за часом, але меншим за інтенсивністю. Відповідно до  формули Маннінга  V = (S/L)2/3 * I1/2 / N , при зменшенні ухилу дна у 2 рази, швидкість потоку зменшується приблизно в 1.4 рази. Це чітко ілюструє  той факт, що на рівнинних ділянках річка стає глибшою і ширшою, ніж на більш похилих ділянках, до того  чи після того. А так як у річки висота сухого берега є  практично всюди однакова, то достатньо буде поглибити лише найбільш пологі відрізки дна.

                                          krokis-13       krokis-14

Експериментальна перевірка. Було проведено ряд експериментів на діючих моделях  річок. Спочатку русло моделі річки мало два послідовні фрагменти:  звичайний і поглиблений з системою перекатів. З наростанням потоку вода починає виходити з берегів, затоплюючи як звичайне, так і поглиблене русло з закритими перекатами. Та варто лише розкрити перекати, як в їх зоні вода негайно починає спадати. 

                          krokis-15  krokis-16  krokis-17

Згодом була побудована нова експериментальна модель, на якій була проведена серія експериментів з саморегульованими перекатами, які залишалися закритими при нормальному стані русла та негайно згорталися з початком паводку. Також було перевірено можливість збереження суднохідності річки  при  її обладнанні штучними перекатами, оскільки відстані між перекатами будуть задаватися в основному  потребами суднохідності.

                 krokis-18 krokis-19 krokis-20

Висновки. Гіпотеза повністю підтвердилася.  Поглиблення русла річки та встановлення у ньому системи самокерованих перекатів дозволяє підтримувати відносно стабільний рівень води та ефективно захищатися від паводкових розливів. Проект економічно доцільний.  Разові кошти  на створення інженерної системи превентивного захисту від паводків вже за кілька років повністю окупляться.

    

Спосіб дисипації високоенергетичних потоків – © Савченко Вікторія (9 клас), 2016 р. 

Актуальність проблеми. У штаті Каліфорнія на річці Фетер розташована найвища на території США гребля Оровілль (235 м) і протяжністю 2 110 метрів, будівництво якої було завершено 1968 року. Сильні дощі у лютому 2017 року спричинили стрімке зростання рівня води у водосховищі і швидке руйнування окремих елементів дамби. Незважаючи на активне скидання води, численні уламки конструкції перекрили течію ріки. Довелося евакуювати місцевих жителів, доми яких опинилися перед загрозою затоплення. За приблизними оцінками, від масштабної повені могло постраждати більше 200 тисяч людей. Затрати на ремонтні роботи склали 275,4 млн. доларів. Роздуми над тим, як у майбутньому можна уникати подібних аварій на таких гідротехнічних спорудах,  власне, й обумовили вибір теми цього дослідження.

Оров-6 Оров-01 Оров-8 Оров-10 Оров-9

При роботі над проектом було проаналізовано класичну ситуацію на водоскиді будь-якої греблі. Перепад б’єфів  h обумовлює потенційну енергію водного потоку  E=mgh, яка по мірі руху по водоскиду переходить у кінетичну енергію EmV2.  Вода перетікає через перелив водоскиду, і завдяки турбулентному перемішуванню потоків на нижньому б’єфі відбувається дисипація кінетичної енергії у теплову  енергію QУ звичайному режимі роботи водоскиди належно виконують свої функції, поки паводкові води не  приносять з собою пісок та інші абразиви. При появі у воді принесених повінню різних твердих включень і досягненні потоком певної критичної швидкості руху V=VК  починається абразивне пошкодження монолітних стін з найміцніших сортів бетону, відповідно виникає загроза руйнування усієї греблі, подібно як це сталося на Оровілльській дамбі у лютому 2017 року. А враховуючи нестабільність клімату,  на будь-якій греблі може скластися ситуація, коли за короткий проміжок часу треба буде скинути велику кількість забрудненої води. Можна, звісно, збільшити ухил водоскиду і тим самим зменшити швидкість води, але таке рішення потребуватиме відчуження для дамби значно більших територій.

 Оров-12 Обріз-2-ред Оров-14 Обріз-15-ред Оров-16   

 Завдання дослідження полягало у пошуку способу, як при тому самому куті нахилу водозливу зменшити швидкість води у ньому. Східчасті водоскиди, у яких вода каскадами спадає з більших висот на менші,  хоча трохи зменшують руйнівний ефект, але все ж не до нуля, тому такі споруди потребують постійного ремонту. Коли ж треба забрати енергію у потоку з сильним забрудненням, наприклад при перепадах каналізаційних колекторів, то потік просто вдаряють об стінку, яку потрібно регулярно ремонтувати.

Робоча гіпотеза. Якщо розділити потік паводкової води на два співрозмірні потоки і плавно розвернути їх назустріч один другому, то можна буде одержати безаварійний перехід (розсіювання) кінетичної енергії потоку у теплову енергію. Тоді уся енергія потоку буде розсіюватися у теплову енергію, а швидкість зростання руху води не зможе досягнути критично небезпечної величини. А якщо розвертачі потоку поставити послідовно і достатньо близько один після одного, то можна  буде підтримувати докритичну швидкість води по всій довжині водоскиду. Облаштування ж греблі достатньою кількістю таких гасіїв швидкості потоку захистить споруду від руйнування при виникненні нештатних ситуацій, подібних до аварії в Оровіллі.

           Обріз-4-ред Обріз-5-ред Обріз-6-ред Обріз-7-ред Обріз-8-ред

Експериментальна  перевірка на усіх діючих моделях різних за розмірами і формою конструкцій розвертачів підтвердила правильність обраної гіпотези дослідження.  

     Оров-22 Оров-24 Оров-23 Оров-25 Оров-26 Оров-27

Висновки. Пропонований спосіб розділення потоку на два співрозмірні потоки з їх подальшим зустрічним змішуванням дозволяє забезпечити безаварійний рух води з будь-яким ступенем забрудненості. Цей метод може мати широку сферу застосування без масштабних обмежень: від перепадних каналізаційних колодязів до найбільших гідровузлів. Водоскиди з вмонтованими гасіями водного потоку – це раціональна альтернатива традиційних підходам до зведення таких об’єктів: як спорудженню надто великих водоскидів, що потребують величезних коштів та інших ресурсів, так й будівництву відносно невеликих гідротехнічних з ймовірними ризиками ще більших фінансових (і не тільки!)  втрат під час можливих катастрофічних паводків.

Проект «Спосіб зменшення площі водосховища при будівництві ГЕС на рівнинах» © Стасюк Віталій (9 клас), 2016 р. 

ГЕС-5 Актуальність проблеми. Для забезпечення ефективної роботи турбін  гідроелектростанції потрібно мати якомога більший напір вхідної води,  що на практиці створюється за рахунок достатньо високого перепаду рівнів води до і після греблі ГЕС. Тому для потреб ГЕС необхідно створювати відповідні  водосховище, обсяги яких зазвичай затоплюють великі території і  площі земель, виводячи їх  з господарського обігу. Гірський рельєф   з ущелинами, глибокими улоговинами і западинами є набагато сприятливішими для зручного та економічно доцільного спорудження на них водосховищ. А  на рівнинній місцевості вимушено забираються величезні території з  утворенням на них штучних морів.

Теоретичні засади проекту. У часи, коли електроенергія була дуже дефіцитною, а середня густина населення досить помірною, цілком припустимою була можливість затоплення сільськогосподарських земель для потреб енергетики, тим більше що й досі електроенергія від ГЕС вважається однією з найдешевших, а самі річкові гідроелектростанції є добрими буферами для пікових навантажень.

З розвитком інших джерел енергії вартість кіловата електрики від ГЕС, що затопила родючі чорноземи, за сучасною шкалою цінностей, зокрема, з урахуванням глобальної проблеми продовольчої кризи,  усе більше стає невигідною у порівнянні з неодержаною продукцією, яку могли дати ці землі.

При роботі над проектом було висунуто ідею, що для значного зменшення площ водосховищ можна також і на рівнинах застосувати деякі конструктивні підходи, що мають місце при спорудженні гідроелектростанцій у гірських місцевостях.

           ГЕС-1 ГЕС-3 ГЕС-2 

На гірських ГЕС часто водосховище облаштовується  у місцях, де дозволяє гідрологія річки, і прокладається багатокілометровий водовід до машинного залу електростанції, яка споруджується у вигідному для експлуатації місці. 

Гіпотеза. На рівнинній гідроелектростанції для створення необхідного внутрішнього  високого напору можна пустити воду по закритому водоводу без розливу води на великій вільній поверхні.  Для цього греблю водосховища треба спорудити набагато вище по течії річки, а далі, по природному ухилу дна річки, прокласти водовід до гідротурбін, які залишаться на попередньому місці.

Конструктивні особливості. Хоча такий водовід й матиме довжину у десятки або сотні кілометрів, але виграш при цьому буде набагато вищим, оскільки площа водосховища зменшиться у декілька разів порівняно з територіями з водою на нинішніх рівнинних ГЕС.  Пропонований проект є більш раціональним, тому що реалізація дозволяє вивільнити сотні тисяч гектарів орної землі.

                            ГЕС-4 ГЕС-6

Звичайно, що для збереження суднохідності річки поверх водоводу потрібно буде розмістити відповідний каскад каналів з шлюзами (а не величезних як тепер штучних морів!), для підтримання необхідної  для кораблів і барж глибини фарватеру при мінімальних витратах для цього води.

Висновки. Гіпотеза підтвердилася. Попередні розрахунки та досліди на моделях показали реальність і можливість  запропонованого проекту.  А якщо врахувати потенційні втрати від недоодержаної продукції сільського господарства на затоплених землях (при середній врожайності зернових по  Україні у  40 ц/га), то це робить запропонований проект цілком рентабельним.

Проект «Спосіб водопостачання пустель» © Чемерис Маргарита (9 клас), 2016 р.

Актуальність проблеми. В силу географічних та геологічних особливостей Землі 23% її суходолу складають пустелі, де випаровуваність води у кілька разів перевищує величину опадів. Варіантів забезпечення пустель водою небагато: або привозити воду танкерами чи іншим транспортом, або опріснювати солону  воду морів та океанів. Між тим,  у Світовий океан впадають прісноводні ріки, вода яких цілком придатна для ведення сільського господарства і побутових потреб. Часто ці ріки стікають в океан  не так вже далеко від пустель, за декілька сотень, а то й десятків кілометрів від них.

                    Вода пустелі-1 Вода пустелі-2

Теоретичні  засади. Якщо у морях та океанах існує величезна кількість течій води з одних регіонів океану в інші, то тому б не можна було б дещо подібним чином «транспортувати» прісну воду з рік до узбережжя пустель. А щоби при цьому прісна вода не змішувалась з морською,  пропонується розділити їх тонкою трубою.

Безумовно, тонка труба чинитиме опір течії прісної води у ній, але якщо труба матиме діаметр у декілька десятків метрів, то опір течії може бути подоланий створенням надлишкового тиску на вході в трубу.

Для забезпечення роботи такої системи пластикову трубу  необхідно буде притопити або покласти на дно моря чи океану. Пропонована конструкція є фактично великим шлангом, що лежатиме на морському дні.

              Вода пустелі-3 Вода пустелі-4 Вода пустелі-5

А для того, щоби цей шланг не спливав на поверхню  океану через те, що густина прісної води є меншою від густини морської води, в нього  потрібно буде засипати трохи донної породи, наприклад, піску,  що притисне шланг до дна.

Гіпотеза. За допомогою тонкостінних труб великого діаметру, прокладених по дну морів, цілком реально налагодити водопостачання пустель річковою водою навіть з інших материків.

Конструктивні особливості. Для руху води в трубі достатньо буде того напору, який створює природний перепад тисків від перевищення висоти русла ріки (в місці забору води) над рівнем виходу води в пустелі. За допомогою таких водоводів можна з успіхом подавати прісну воду  до  узбережжя пустель, де вона за допомогою помп і каналів надходитиме у глибину материка.

                                                    Вода пустелі-6

Висновки. Експерименти на макетах та розрахункові моделі показали можливість реалізації проекту. Запропонований спосіб може бути використаний для енергонезалежного водопостачання пустель річковою водою. 

Науково-дослідницький проект «Моделювання руху небесних тіл у непотенційному гравітаційному полі» – © Крокіс Марія  (10 клас), 2015 р.

 Актуальність теми. Усі тіла в Всесвіті створюють навколо себе гравітаційні поля, що поширюються на світовий простір, поступово спадаючи до нуля на безмежності.

Астр-1

Рис.1. Вигляд класичного ньютонівського потенціалу

В різних моделях гравітації форми гравітаційних полів відрізняються, але в усіх цих моделях потенціал поля P при прямуванні до безмежності обов’язково спадатиме до нуля, з інтенсивністю не меншою ніж 1/R.

Астрономічні дослідження вказують на те, що Всесвіту лише 13.7 мільярдів років, а тому потенціал жодного тіла ще не міг досягти безмежності. Отже,  виникає питання: якщо кожне тіло має якусь внутрішню властивість, котра генерує цей самий потенціал на весь простір, то куди поділася та енергія, що мала б бути витрачена на генерування потенціалу від відмітки 13.7 мільярдів років до безмежності (рис. 2). ). При попередньому аналізі цієї ситуації можна постулювати  буквально безліч варіантів, три з яких, на нашу думку, основні наведено на рис.3.   

                                   Астр-2                                  Астр-3

                                        Рис.2. Гравітаційний потенціал в обмеженому просторі                            Рис.3. Основні варіанти поведінки потенціалу в обмеженому просторі

Однак, яким би не був цей потенціал, він не може не реагувати на сам факт розширення Всесвіту. Якщо відкинути всі інші чинники і розглянути лише обертання Землі навколо Сонця, то Земля після річного витка ніколи не прийде в ту саму точку, де вона була рівно рік тому. Адже, вона додатково потратила певну енергію на зміну власного гравітаційного поля у Всесвіті,  який розширився ще на один світловий рік. Чому ми не помічаємо цих ефектів у межах Сонячної системи?  Відповідь на нього дає графік на рис.5.     

                                           Астр-4                                   Астр-5 

                                 Рис.4. Зміна вигляду потенціалу при зміні розмірів простору                          Рис 5. Нелінійна пропорція зміни потенціалу відносно відстані до тіла

 Мета та короткий виклад основних положень проекту. Метою проекту є розробка комп’ютерного гравітаційного симулятора, в якому  всі астрономічні параметри  будуть функціями часу та  відстані. Підбираючи  вигляд цих функцій, ми домагатимемося того, щоб модельний  рух тіл якомога точніше відповідав тому руху, який спостерігають астрономи.

 Гіпотеза.  За рахунок введення модельних параметрів  як функцій відстані та часу, і досягнувши такого стану моделі, коли вона буде адекватна  результатам візуальних спостережень, можна краще зрозуміти внутрішню механіку Всесвіту і побудувати його більш коректну модель.

Матеріали та методи дослідження. Для моделювання було написано програму-симулятор гравітаційної взаємодії. За основу програми було взято стандартні програми, що працюють за алгоритмом (рис.6). У програмі алгоритм змінюється так, щоб він ще й враховував обмежену швидкість гравітації (рис.7).

                              Астр-6                          Астр-7

                                    Рис.6. Алгоритм роботи гравітаційного симулятора                                       Рис.7. Алгоритм роботи симулятора з скінченною швидкістю гравітації

Знаючи відстані між об’єктами, рахуємо взаємодію не між об’єктом Mn і об’єктом Mnn, а між об’єктом Mn і тим місцем, яке об’єкт Mnn займав відповідний час тому. 

Результати експериментів. Оскільки ми намагаємося емпірично зрозуміти, а  радше  вгадати реальні закони взаємодії тіл у Всесвіті, тому перш за все нам потрібно визначити, які ефекти спричиняють ті чи інші зміни параметрів. Усвідомивши якісну картину процесу, ми  в наступних модельних експериментах будемо конкретніше добирати параметри, намагаючись досягти кращої відповідності результатів моделювання астрономічним даним.

Наприклад, при моделюванні взаємодії двох тіл ми прораховували три різні траєкторії для трьох випадків гравітаційної сталої: 1) стабільної , 2) зростаючої,   3)  спадної.  Вже з першого витка (фото. 1) траєкторії  почали розходитись, хоча її зміна  складала 0,01% за один  виток. Як і очікувалось, тіла на  траєкторії 1  рухались по стабільних еліпсах. Натомість тіла на траєкторії 2 почали різко прискорюватись і зближуватись (фото 2). Тіла ж на траєкторії 3  рухались з величезним ексцентриситетом (фото 3) і зіштовхувались між собою.

  Астр-8 Астр-9 Астр-10

                 Фото 1.  Початковий етап симуляції                                       Фото 2.  Траєкторії з додатнім дрейфом G                       Фото 3. Нестабільний рух тіл при мінусовому дрейфі G

Зрозуміло, що для кращої наочності нами було взято нереально великий дрейф гравітаційної сталої. Але якщо його зменшити на декілька порядків і відповідно збільшити час, ми побачимо ту ж саму якісну картину.

Аналіз одержаних результатів. Перші ж проведені експерименти показали необхідність використання більш потужних комп’ютерів для забезпечення вищої точності обчислень. За останніми даними у науковій літературі, чисельне значення гравітаційної сталої прийнято вважати  G=6.67545*10-11  м3·с−2·кг−1 ,  з точністю в 0.0027%. Принагідно зазначимо, що у 2000 році це значення складало  6.67545*10-11,  у 2008-му році –  6,67428(67)·10−11, а в 2010 році воно було виправлено на 6,67384(80)·10−11.  Тому навряд чи потрібно вірити в надто високу точність. Втім, задавши систематичний дрейф гравітаційної сталої G в межах задекларованої точності, ми отримуємо помітний і стабільний ефект в русі матеріальних об’єктів.   Але оптимізму додають сподівання на нові відкриття з цієї проблематики. Адже можливості комп’ютерів і точність обчислень невпинно зростають, прикладні програми стають спроможними обробляти мільярди і трильйони циклів.

Проект «Віртуальна обсерваторія моделювання Всесвіту» © Дунець Олена (9 клас), 2015 р.  

Актуальність теми. Мало не щодня ЗМІ рясніють повідомленнями про нові, часто й фантастичні відкриття астрономів. На цьому фоні надто вже спрощеним і  не пристосованим до більш-менш осмисленого сприймання, не кажучи про  «переварювання», динамічних змін у науці, виглядає шкільний підручник з астрономії, розрахований орієнтовно на  17 оглядових уроків. Адже особливістю астрономії як науки  є обмежені можливості щодо проведення натурних експериментів при спостереженні астрономічних об’єктів і явищ, тому учням непросто уявити навіть побіжно сутність явищ і глибинних процесів у Всесвіті. Якщо наш Всесвіт розширюється, то відповідно й розширюються гравітаційні поля тіл, що його наповнюють. А це означає, що величину гравітаційної сталої можна вважати константою лише умовно, тобто для коротких (у космічних масштабах) проміжків часу.

Мета дослідження. Було вирішено змоделювати процеси, що відбуваються у Всесвіті,  за допомогою комп’ютерних симуляцій і розробити гравітаційний симулятор, у якому функція взаємодії тіл була б ще додатково й функцією часу. Змінюючи різні параметри уявних моделей Всесвіту у такій віртуальної обсерваторії, можна проектувати найрізноманітніші сценарії його побудови і розвитку.

Гіпотеза.  Шляхом введення модельних параметрів  як функцій простору і часу  імовірно можна досягти такого стану поведінки моделі, коли вона буде адекватною  результатам візуальних спостережень, що дозволить краще зрозуміти внутрішню логіку та механіку Всесвіту.

Хід роботи.  При роботі над проектом було створено оригінальну комп’ютерну  програму. Розробка принципово відрізняється від практично усіх наявних навчальних програм-симуляторів тим, що будь-який параметр, наприклад, маса тіла, чи стала гравітаційної взаємодії можуть бути введені як функції від координат і часу. Якщо, наприклад, моделювати гравітацію згідно закону Ньютона, то у формулі F = g*M*m/R~step   буде  g=g(R,T), step = 2*F(R,T)А коли ми введемо у модель обмежену швидкість гравітації, то вона приблизно дорівнюватиме швидкості світла, але буде функцією від відстані і часу: V=V(R,T). Можна ввести й зовсім інші закони взаємодії, наприклад, у тій самій формулі Ньютона: F=g*M*m/R~step, взяти step = 3,  4, 5…  і  дослідити, що відбудеться в такому всесвіті, і спробувати зрозуміти, чому наш Всесвіт саме такий, яким він є дійсно.  

 Оскільки наш Всесвіт невпинно розширюється,  то гравітаційні поля усіх тіл реагуватимуть на це в силу всесвітності гравітаційної взаємодії тіл і змінюватимуться, як показано на графіку:

                                                                  Астр-Дун-1

 Якщо відкинути усі інші чинники та розглянути лише рух Землі навколо Сонця, то зробивши річний виток, Земля ніколи не прийде в ту саму точку, де вона була рік тому, оскільки наша планета додатково потратила якусь енергію на зміну власного гравітаційного поля у Всесвіті, який при цьому відповідно розширився. Хоча невідомо, як реально перерозподілятимуться гравітаційні поля, однак за допомогою віртуальної обсерваторії можна моделювати різні сценарії та порівнювати модельний рух тіл з тим, що спостерігають астрономи.

                                                                    Астр-Дун-2

Наприклад, сталу гравітаційної взаємодії можна змоделювати  як функцію від координат і часу: g = g (R,T).

Можна вводити  інші закони взаємодії, зокрема,  у формулі Ньютона пропонувати будь-яку іншу залежність сили взаємодії від відстані чи навіть часу: Астр-Дун-4

Аналогічно можна діяти й у випадку моделювання гравітаційної взаємодії за загальною теорією відносності  чи за іншою гіпотезою. Певна річ, що змодельовані таким чином світи не будуть відповідати нашому Всесвіту, але досліджуючи їх, можливо, краще вдасться  його закономірності.

Результати експериментів. Дослідження поведінки систем з різними обернено степеневими залежностями сили гравітаційної взаємодії від відстані показало, що для закону обернених квадратів має місце звичний нам рух планет навколо Сонця.

Астр-Дун-5

А от для лінійної залежності, картина виявилася надзвичайно нестабільною.

Астр-Дун-6

У випадку ж обернено кубічної залежності планетна система негайно розлітається у всесвіт і стабілізувати її ніяк не вдавалося.

Астр-Дун-7

Також було досліджено варіант залежності гравітаційної сталої від часу. Так, при додатному дрейфі гравітаційної сталої наша система починає поступово стискатися.

Астр-Дун-8

Натомість при від’ємному дрейфі гравітаційної сталої система починає поступово розширюватися.

Астр-Дун-9

І тому логічною виглядає гіпотеза про те, що Всесвіт може розширюватись не тільки під дією таємничих темної матерії та темної енергії, а просто через дрейф гравітаційної сталої. Але ця гіпотеза ще потребує більш детального моделювання.

Висновки. Проект виявився вдалим для використання у навчальних закладах як наочності  з астрономії. Гравітаційний симулятор візуально, у доступній формі  дозволяє краще осмислювати дуже складні процеси взаємодії небесних тіл і відповідно наштовхує до спроб розгадки внутрішньої будови Всесвіту.

Шляхи подальшого розвитку дослідження. Необхідно домогтися підвищення точності обчислень. а також розробити кращі способи наочної демонстрації отриманих результатів, коли кількість циклів становить мільярди і трильйони. Поки що, через слабкість комп’ютерної техніки та обумовлену цим низьку точність обчислень, не вдається змоделювати рух галактик, який би відповідав астрономічним спостереженням і не потребував таких сутностей, як темна матерія і темна енергія. Також потрібно буде чисельно моделювати гравітаційну взаємодію тіл при довільній швидкості поширення гравітаційного поля. Знаючи відстані між об’єктами, обчислюємо взаємодію не між об’єктом M1 і об’єктом M2, а між об’єктом M1 і тим місцем, яке взаємодіючий з ним об’єкт M2 займав певний час тому.  І, відповідно, навпаки.

 Астр-Дун-10

Більш амбітним завданням залишається можливість  створення такої ситуації, коли  модельний  рух галактик тіл якомога точніше відповідатиме  реальному руху, який спостерігають астрономи без залучення понять «темна енергія» і «темна матерія».   Якщо за рахунок введення модельних параметрів як функцій відстані і часу вдасться досягти адекватного  результатам візуальних спостережень стану моделі, то, аналізуючи вигляд функцій, за допомогою яких це було відтворено, можна коректніше зрозуміти процеси, що відбуваються у Всесвіті і побудувати більш точну його модель. І незалежно від того, чи вдасться це зробити, але сама постановка таких задач викликає найвищий інтерес до астрономії.

 

Проект «Система загальноміської вентиляції» – © Грант Максим (10 клас), Турчин Даниїл (10 клас), 2015 р.

Головною проблемою існуючих систем вентиляції є те, що при великих скупченнях виробничих і житлових приміщень, обмін повітря з атмосферою перетворюється на взаємообмін між ними. Ефективна система вентиляції повітрям, що надходить з атмосфери над певною територією, повинна забезпечувати викиди загазованого  шкідливими викидами виробництва та інших видів господарської діяльності по можливості у більш віддалених зонах цієї території.

В реальності ж вхідні та вихідні отвори вентиляційних каналів  знаходяться один біля одного, і атмосфера Землі лише злегка розчиняє  потоки взаємного газообміну. Особливо  неприємною ситуація є біля великих промислових об’єктів, усі викиди з яких рано чи пізно почнуть осідати на землю, потрапляючи при цьому у вентиляційні канали.

                                          Вент-міста-1  Вент-міста-2

Метою проекту стало завдання розробити загальноміську вентиляційну систему, яка б забирала повітря з незабрудненої частини атмосфери і подавала його мешканцям міста незалежно від стану погоди та роботи промислових підприємств. Маючи декілька рознесених по території   передмістя компресорних станцій та загальноміську сітку з  розподільчих вентиляційних  каналів можна, вмикаючи лише ті компресорні станції, де в даний момент є найчистіше повітря, створити в усіх приміщеннях міста найкращий для людей мікроклімат.

Згідно нормативів вентиляції повітрообмін у житловій  кімнаті  на одну людину складає 20-40 м3 за годину, для кухні цей показник визначено у 60-90, в офісах  – 30-40, шкільних класах – 25-35, лікарнях – 30-60, магазинах – 20-30, виробничих приміщеннях – 60-120 м3 /год. Зрозуміло, що потрібні норми кількості циклів повітрообміну забезпечити  складно, але у цьому й немає особливої потреби, оскільки тут здійснюється реальна подача свіжого повітря, а не газообмін між різними приміщеннями за участі атмосфери. Потрібно врахувати й те, що наявні системи вентиляції  не тільки подають у приміщення повітря з киснем, але й видаляють шкідливі гази, особливо з виробничих приміщень.

Пропонована система не замінятиме діючі схеми вентиляції, а буде доповнювати їх. Тому у розрахунках враховувалися і норми споживання кисню людиною. За добу людина споживає орієнтовно 3-4 м3  кисню або 15-20 мповітря. Людині потрібно не тільки вдихати кисень, а й видихати вуглекислий газ, і щоб робити це комфортно, необхідно пропускати через легені в середньому   до 100 м3  повітря за добу. Тому було вирішено спроектувати систему вентиляції міста з розрахунку мінімальної подачі повітря в обсязі 1 м3/год.,  тобто в режимі «поповнення кисню», а при можливості, забезпечити й режим  «свіжого дихання»,  (5 м3/год. на одну особу),  коли людина весь час вдихає лише свіже повітря.

Сутність проекту вентиляції полягає в тому, що за містом, зокрема, в різних його сторонах, встановлюються потужні вентилятори, які вдуватимуть повітря в загальноміську мережу подачі свіжого повітря і для подальшого його надходження у різні приміщення.

                                                                         Вент-міста-3  

Оскільки місто зазвичай має численні виробничі потужності, що здійснюють шкідливі викиди в атмосферу, то повітря в систему подаватимуть лише  ті компресори, які на певний момент часу знаходитимуться у навітряній стороні. Натомість при штильовій погоді достатньо високі вхідні труби компресорів не затягуватимуть у себе викиди з працюючих димоходів.

                                        Вент-міста-4  Вент-міста-5

  Якщо, наприклад, для міста із стотисячним населенням потрібно буде подавати по 4 м3   повітря на годину в розрахунку на одну людину і за допомогою лише одного нагнітача, то такий насос повинен мати продуктивність у 400 тис. м3/год. Такі нагнітачі реально випускаються промисловістю. Для того щоб  подати цей об’єм повітря по вентиляційному каналу з прийнятною швидкістю у 8-12 м/с, поперечний переріз трубопроводу повинен мати до 10 м2. Виготовити його з труби діаметром 3.5 м в конструктивному плані є цілком прийнятно. А враховуючи те, що реально працюватиме одразу декілька компресорів, а система вентиляційних каналів буде досить розгалуженою, то можна буде зменшити поперечний переріз труб. Це, в свою чергу, послабить навантаження на архітектуру та економіку міста. Проект доцільно  реалізувати в одному з екологічно проблемних міст.

Науково-дослідницький проект «Ресурсноощадна технологія рециклінгу макроелементів у рільництві» – © Журавель Юлія (10 клас), 2013 р.

tablitsya-zhivlennya-roslin Значення макроелементів для рослин. Основними хімічними елементами, що використовуються в найбільших кількостях у рослинах для формування тканин і органів самої рослини,  є  водень (Н), оксиген (О) і карбону (С). Однак,  для нормального розвитку та врожайності рослин їм необхідні також у великих кількостях (від декількох сотих відсотка в масі сухої речовини до кількох відсотків) макроелементи: азот (N), фосфор (P), калій (K).  Азот (N) – основний білковий (будівельний) елемент, визначає і прискорює ріст вегетативної маси рослин, необхідний для утворення кореневої системи, стеблин і листя. Сприяє утворенню репродуктивних органів, насіння і плодів. Фосфор (P) забезпечує енергетично реакції в клітинах рослин, підвищує у них рівень цукрів і каротину. забезпечує більш високу якість кінцевої продукції, визначає рівень врожайності культур. Калій (K) допомагає рослині краще засвоювати азот і фосфор, підвищує стійкість рослинного організму до посухи та грибкових захворювань, регулює транспорт цукрів (накопичення поживних речовин), синтез білка, утворення крохмалю. На наведених нижче фотографіях – вигяд посівів сільськогосподарських культур, яким бракує макроелементів. Фото 1. Дефіцит  азоту (N). Фото 2. Дефіцит  калію (K).  Фото 3-5. Рослинам не вистачає  фосфору (P).                     

              Азот-1  Калій-1  Фосф-1 Фосф-3 Фосф-2                  

Актуальність проблеми. Вирощування сільськогосподарських культур неодмінно пов’язане з внесенням на поля поживних для рослин речовин у вигляді органічних та мінеральних добрив. Через опади, рух ґрунтових вод, вітрову ерозію, інші природні та господарські чинники землі збіднюються на важливі макро-, мезо- та мікроелементи. Виснаження ґрунтів посилюється від намагання швидко досягнути найбільшого економічного зиску, нехтуючи правилами сівозміни, за рахунок посіву соняшника, рапсу та інших технічних культур, що найбільше витягують «соки» землі.

У даний час динаміка балансу найважливіших для рослин макроелементів – азоту, фосфору і калію усе більше набуває  негативних ознак. Якщо до 1990 року штучне внесення у ґрунти цих вкрай важливих для сільського господарства речовин переважало їх винесення чи вимивання, і загальний баланс цього процесу в цілому був позитивним, то тепер поживних речовин з ґрунтів виноситься значно більше, ніж вноситься їх при обробці полів (діаграма 1).

Стосовно фосфору потрібно підкреслити, що сам цей макроелемент дуже малорухливий у ґрунті (не мігрує), але  він легко взаємодіє з ґрунтовими частинками, утворюючи нові сполуки і переходячи в недоступні для поглинання рослинами форми. Тому ефективність засвоєння рослинами фосфору з добрив найчастіше не перевищує 15-22%  при тому, що підвищених доз фосфорних добрив потребують овочеві, коренеплідні та зернобобові культури. Адже саме фосфор, що також входить до складу більшості білків, покращує азотне живлення рослин; прискорює дозрівання і визначає закладку майбутнього врожаю; покращує якість кінцевого продукту. Достатня кількість фосфору повинна бути у насінні для подальшого формування кореневої системи, через яку рослини засвоюють поживні речовини та вологу з ґрунту.

 Враховуючи доволі обмежену кількість природних родовищ  фосфатів, а також на швидку вичерпність їх обмежених запасів, слід зазначити, що невдовзі людство зустрінеться з глобальним дефіцитом фосфору. Ця глобальна проблема в принципі не має навіть теоретичного вирішення, оскільки в природі просто не залишиться жодного родовища. Тому вже зараз гостро постає проблема повернення на поля цього макроелементу, що втрачається при нераціональному рільництві.

Хоча буферні можливості гумусу українських чорноземів у цьому плані є унікальними навіть у світовому масштабі, оскільки гумус набагато краще від гною зв’язує і утримує азот і фосфор, але чи надовго цього вистачить Україні. Адже буфер гумусу теж має свої межі, і цілком реальною уявляється загроза, що гумус у наших ґрунтах буде витіснений піском і глиною.

                                                                                              Діаграма 1                                                                            Діаграма 2

                 Журав-1Журав-2

Світове виробництво фосфатів у 2012 році досягло 210 млн. т. (діаграма 2). У 2015 році світ збирається добувати вже 256 млн. т. фосфатів, тобто майже вдвічі більше, ніж в 2009 році. Таке вибухове зростання видобутку фосфору – прямий наслідок урбанізації та поліпшення життєвих умов людства. Проблема використання необхідного для внесення на поля фосфору полягає ще й в тому, що у його сполук, які існують в земних умовах температур і тисків, немає газоподібних форм, а є тільки рідкі (водорозчинні) і тверді форми. Саме з цієї причини основна частина мінералу безповоротно втрачається в процесі біологічного кругообігу, тому що  змивається у вигляді дрібнодисперсних фракцій у річки, а відтак потрапляє й у Світовий Океан. Чим чистіший хімічно фосфор, тим легше він утворює водорозчинні сполуки, які виносяться з ґрунтових шарів за течіями води. Для прикладу, суперфосфат як менш зв’язана сполука набагато краще розчиняється у воді в порівнянні з гноєм. Відповідно він простіше потрапляє у Світовий Океан. Сільське господарство, яке об’єктивно є дуже залежним від добрив, змушене вносити фосфорні добрива високими дозами, а тому воно  фактично наближається до краю так званої «фосфорної ями», коли врожайність прямо залежить від усе зростаючого видобутку фосфору з надр.

Процес  руху макроелементів набуває циклічного характеру, причому з незворотними втратами  запасів родовищ (рис.1).

Журав-3

Рис.1. Кругообіг макроелементів у сільськогосподарському циклі

Метою даного проекту стало вивчення проблеми можливого накопичення макроелементів у прилеглих до малих річок землях, шарах мулу, прибережній і придонній рослинності водойм; виявлення на цих територіях і в рослинах макроелементів; розробка методики пошуку і можливої культивації мулу з максимальною концентрацією макроелементів і повернення його повернення на поля з мінімальними затратами енергії.

Робочу гіпотезу проекту складає теза про те, що макроелементи нерівномірно накопичуються в шарах придонного мулу і водяній рослинності. Якщо виявити, де саме вони осідають у мулі, та які рослини найбільше їх поглинають, то можна буде достатньо рентабельно повертати їх на поля.

Поза сумнівом, у ґрунтах крім корисних мікроелементів містяться й шкідливі йони важких металів, які також можуть накопичуватись в мулі і рослинах. Отже, повернення на поля будь-якого мулу може бути навіть шкідливим. У таких випадках потрібно буде проводити в малих ріках штучну культивацію певних рослин. Слід  враховувати й те, що одні рослини, потрапляючи на поля, накопичуватимуть в собі корисні макро-, мезо- й мікроелементи. Натомість інші рослини необхідно буде викидати  на спеціальні звалища після того, коли вони з ґрунтів вберуть у себе шкідливі мікроелементи.

Хід дослідження. У роботі над проектом було вивчено літературу та наукові публікації з досліджуваної проблематики. Проведено ряд консультацій з викладачами відповідних кафедр, працівниками лабораторій Львівського національного аграрного університету. У польових умовах, в с. Ситихів, що під Львовом, було зроблено серію проб берегового і придонного мулу та річкової рослинності для подальшого їх лабораторного аналізу. Проби бралися за допомогою пластикових трубок відповідного діаметру, що дозволяло отримувати різні керни ґрунтів (фото №№ 1-3).

          Журав-4 Журав-5 Журав-6 Журав-7

                    Фото 6. Взяття керна з берега річки        Фото 7. Маркування одержаного керну   Фото 8. Взяття проб з різних місць дна річки   Фото 9. Взяття зразків річкової рослинності

 Подальше вивчення взятих проб та їх лабораторні аналізи дозволили дослідити розподіл макроелементів у ґрунтах в залежності від глибини забору кернів. Усі вищезазначені проби було направлено до лабораторій кафедри біології та екології Львівського національного аграрного університету, де під керівництвом викладачів та лаборантів було проведено стандартні аналізи на виявлення у пробах ґрунтів вмісту  гумінових кислот, фосфору і калію (фото 10-12).

     Журав-8 Журав-9 Журав-10

      Фото 10. Видобування ґрунту з керна для досліджень            Фото 11. Визначення у пробі  вмісту гумінових кислот        Фото 12. Визначення вмісту фосфору фотометричним способом                                   

 Практичні результати дослідження. За сумарними підсумками лабораторних досліджень, неодноразово взятих з різних місць проб ґрунтів, та хіміко-біологічний аналіз мулу виявив досить значний рівень в процентному відношенні у пробах мікроелементів з точки зору можливості та доцільності їх подальшого раціонального господарського використання  (табл.1).  

  Берег Мілина Схил Дно
Гумус 5,3 1,8 3,5 2,7
Азот 3,6 3,7 2,5 2,5
Фосфор 2,1 2,9 2,6 3,2
Калій 1,3 1,2 0,9 1,4

Таблиця 1. Наявність азоту, фосфору та калію у пробах прирічкового мулу (у %%).

Досліди засвідчили, що вміст калію у пробах, взятих з берега та з дна, є майже однаковим (відповідно 1,3% і 1,4%). Не набагато менше міститься калію у пробах, взятих на мілині. В той же час, його наявність у мулі на схилах є істотно меншою, ніж на березі (на 47,4%).

Лабораторне вивчення щодо наявності у фосфору повністю підтвердили особливості його накопичення і те, що цей макроелемент безповоротно втрачається з ґрунтів, осідаючи на дно у твердих, дрібнодисперсних чи водорозчинних формах, і у подальшому виноситься за течіями води у річки, моря, відтак й у Світовий океан. Наші досліди показали, що вміст фосфору на дні річки на 50% є вищим, ніж його наявність на березі. Побічно цей висновок підтверджує достатньо високу концентрацію фосфору й у низько розташованих (придонних) місцях: на мілині – 2,9%; на схилі – 2,6%.

Натомість на мілині і на березі є найбільша концентрація азоту (відповідно 3,7% і 3,6%), тоді як на схилі і дні річки  його менше на 50%.

Отже, якщо потрібно повернути на поля родючі шари ґрунту чи мулу з вищим вмістом  азоту та калію, не слід робити забір землі з берега, де цих макроелементів міститься найбільше. Така технологія лише завдасть шкоди природі, зокрема, руйнуватиме береги річки з усіма подальшими негативними наслідками для  довкілля.  Дослідження аргументовано засвідчує, що цілі рециклінгу азоту і калію успішно реалізуються шляхом забору землі з мілини. Водночас це забезпечить розчищення замулених русел річок.

Саме з міркувань недопущення руйнації русел малих річок не слід використовувати для повернення на поля багаті макроелементами родючі шари землі із схилів річок. Вигода по калію є найменшою (0,9%), по азоту нема жодної переваги перед мулом дна річки (показники однакові – по 2,5%).

Вищенаведену (рис.1) схему кругообігу макроелементів у сільськогосподарському виробництві можна  і потрібно доповнити додатковим циклом повернення на поля макроелементів, що виносяться з полів різними потоками води (див.рис.2).

                                                                     Журав-11

                                                                     Рис.2. Схема рециклінгу макроелементів у сільськогосподарському циклі

Задекларована тема проекту є багатоаспектним, комплексним дослідженням і  має перспективне продовження. У даний час проводяться дослідження мулу і проб рослинності на предмет виявлення у них вмісту та концентрації  шкідливих мікроелементів, у першу чергу, важких металів та інших сполук внаслідок нехтування питаннями екології у  господарській діяльності.

Подальша робота над проектом передбачає також розробку простої та енергоощадної технології подачі річкового мулу і рослинності на поля за допомогою шламової помпи.

ВисновкиРезультати лабораторних досліджень підтвердили робочу гіпотезу проекту щодо наявності у прирічковому мулі макроелементів у кількостях, які цілком обґрунтовано дозволяють приступити до розробки економічно доцільних промислових технологій їх вторинного повернення на поля.

Проведення селекції річкової рослинності, дозволить у подальшому збільшити у ній частку рослин і водоростей, що найактивніше накопичують потрібні макроелементи. А регулярно вибираючи цю біомасу і мул, у якому вона росте, на поля, можна зменшити потребу в неорганічних добривах, на виробництво яких витрачаються великі екологічні та енергетичні ресурси.