Εκπαιδευτικό υλικό στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού Προγράµµατος “Chain Reaction: Α sustainable approach to inquiry based Science Education” ΦΥΤΑ ΣΤΟ ∆ΙΑΣΤΗΜΑ Μετάφραση-Επιµέλεια: Κάλλια Κατσαµποξάκη Ρουµπίνη Μοσχοχωρίτου Καίτη Σιακαβάρα Μαρία Φουσκάκη Εργαστήριο Αναλυτικής Χηµείας Τµήµα Χηµείας Παν/µιο Κρήτης Ηράκλειο 2013 1 Φυτά στο διάστηµα Σηµειώσεις για τον διδάσκοντα Γνώση και κατανόηση • • • • • • • Τα πράσινα φυτά φωτοσυνθέτουν όταν υπάρχει φως Κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης η φωτεινή ενέργεια απορροφάται από την χλωροφύλλη που βρίσκεται στους χλωροπλάστες των φυτικών κυττάρων Η φωτεινή ενέργεια που απορροφάται χρησιµοποιείται για να µετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό σε γλυκόζη (C6H12O6) µε ταυτόχρονη έκλυση οξυγόνου (Ο2) Η ταχύτητα της φωτοσύνθεσης περιορίζεται όταν η θερµοκρασία είναι χαµηλή, όταν υπάρχει έλλειψη διοξειδίου του άνθρακα και έλλειψη φωτός. Η ανάπτυξη υγιών φυτών απαιτεί επίσης την ύπαρξη ορισµένων ανόργανων ιόντων Το σώµα µας χρειάζεται ισορροπηµένη διατροφή για να παραµείνει υγιές Όσο πιο δραστήριοι είναι οι άνθρωποι τόσο περισσότερη ενέργεια χρειάζονται, την οποία εξασφαλίζουν καταναλώνοντας περισσότερους υδατάνθρακες και λίπη Εισαγωγή Σε αυτή την εργασία οι µαθητές αναλαµβάνουν το ρόλο του ερευνητή σε ένα πανεπιστηµιακό τµήµα βιο-αστρονοµίας. Στα πλαίσια ενός διαγωνισµού, θα πρέπει να πραγµατοποιήσουν µια προκαταρκτική έρευνα για το σχεδιασµό µιας αυτόνοµης Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής, µονάδα που θα χρησιµοποιηθεί από το πλήρωµα ενός διαστηµοπλοίου σε µια πτήση προς τον πλανήτη Άρη. Οι µαθητές πρέπει να ερευνήσουν πολλές πτυχές της φωτοσύνθεσης, να ανακαλύψουν ποια φυτά θα µπορέσουν να χρησιµοποιηθούν καλύτερα στην αυτόνοµη Μονάδα ∆ιατήρησης της Ζωής, και σε συνάρτηση µε την ανθρώπινη φυσιολογία να ανακαλύψουν τις ανάγκες του πληρώµατος σε οξυγόνο και φαγητό κατά τη διάρκεια του ταξιδιού. 2 Πορεία που ακολουθείται σε αυτή την εργασία Σχετικά µε τη ∆ιερευνητική Μάθηση • • • • • • • Χρησιµοποίηση επιστηµονικών ιδεών και µοντέλων για την ερµηνεία φαινοµένων, τη δηµιουργική αξιοποίηση και ανάπτυξή τους µε σκοπό την παραγωγή και την τεκµηρίωση της θεωρίας. Κριτική ανάλυση και αξιολόγηση των αποτελεσµάτων µέσω παρατηρήσεων και πειραµάτων. Χρήση διαφόρων επιστηµονικών µεθόδων και τεχνικών για την ανάπτυξη και τεκµηρίωση ιδεών και επεξηγήσεων. Εκτίµηση κινδύνου ώστε να διασφαλίζεται η ασφαλής εργασία στο εργαστήριο. Σχεδιασµός και εκτέλεση πρακτικών και ερευνητικών δραστηριοτήτων τόσο ατοµικά όσο και σε οµάδες. Εύρεση, καταγραφή και ανάλυση δεδοµένων από ένα εύρος πρωτογενών και δευτερογενών πηγών και χρήση των ευρηµάτων τους ως επιστηµονικές αποδείξεις. Χρήση κατάλληλων µεθόδων συµπεριλαµβανοµένων των Τεχνολογιών Επικοινωνίας και Πληροφόρησης (ICT) για να µεταδώσουν την επιστηµονική πληροφορία και να συνεισφέρουν σε παρουσιάσεις και σε συζητήσεις σχετικές µε επιστηµονικά θέµατα. Αυτή η δραστηριότητα επίσης παρέχει ευκαιρίες στους µαθητές για: • • να ερευνήσουν, να διεξάγουν πειράµατα, να συζητήσουν και να αναπτύξουν επιχειρήµατα να χρησιµοποιήσουν αληθινά παραδείγµατα ως βάση για να ανακαλύψουν περισσότερα για την επιστήµη. 3 Απαραίτητο γνωστικό υπόβαθρο Πριν ξεκινήσουν την εργασία, οι µαθητές πρέπει να έχουν ήδη κάποιες βασικές γνώσεις σχετικά µε τη φωτοσύνθεση και ίσως τις µεθόδους µέτρησης της ταχύτητας της φωτοσύνθεσης. Αν όµως αυτό δεν ισχύει, θα πρέπει να διδαχθεί στους µαθητές κατά τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Εκτέλεση δραστηριότητας A. Οι µαθητές µπορούν να συνεργάζονται σε οµάδες κατά τη διάρκεια αυτής της δραστηριότητας. Προτείνεται το εξής: Αρχική ενηµέρωση, e-mail δελτίο τύπου Ολόκληρη η τάξη: ο καθηγητής κάνει µία σύντοµη εισαγωγή και προετοιµάζει τους µαθητές για την δραστηριότητα Ανάλυση σχετικών βασικών δηµοσιεύσεων Ολόκληρη η τάξη σε µικρές οµάδες και ∆ιαγωνισµός Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής Εκτέλεση έρευνας Σε ζεύγη ή οµάδες τριών ή τεσσάρων (ανάλογα µε τη διαθεσιµότητα του εξοπλισµού) Ανάλυση αποτελεσµάτων και αναφορά Σε ζεύγη ή οµάδες τριών ή ατοµικά εάν η εργασία πρόκειται να βαθµολογηθεί Επικοινωνία/Παρουσίαση Σύνταξη γραπτών αναφορών (ατοµικών ή ανά οµάδα) και παρουσίαση των αποτελεσµάτων σε όλο το τµήµα. Β. Χρονική ∆ιάρκεια Αυτό το πρόγραµµα για να ολοκληρωθεί απαιτεί την εκτέλεση διαφόρων ερευνητικών δραστηριοτήτων. Υπολογίζεται να απαιτήσει 4 µήνες διδασκαλίας. Γ. ∆ραστηριότητες Ο/Η καθηγητής/-τρια παρέχει στους µαθητές το Φύλλο ∆ραστηριοτήτων Μαθητή µε µία περίληψη του τι πρέπει να παράγουν κατά τη διάρκεια κάθε δραστηριότητας. Το φύλλο µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως λίστα ελέγχου που επιτρέπει σε κάθε µαθητή να καθορίζει την πρόοδό του. Ο επιβλέπων της ερευνητικής οµάδας (ο/η καθηγητής/-τρια) παραδίνει στους ερευνητές (µαθητές) ένα µήνυµα ηλεκτρονικού ταχυδροµείου και το δελτίο τύπου. Αυτά στήνουν το σκηνικό για την εργασία που θα κάνουν οι µαθητές. Το άρθρο µε τίτλο «∆ιαγωνισµός για το σχεδιασµό αυτόνοµης Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής» θα πρέπει να δοθεί µετά. Καθηγητής και µαθητές εξετάζουν το άρθρο, το οποίο παρέχει λεπτοµέρειες για την πρόοδο που γίνεται σχετικά µε την ανάπτυξη αυτόνοµης Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής για το πλήρωµα στον Άρη. Οι χειρόγραφες σηµειώσεις στο πλαίσιο του άρθρου παρέχουν µία λίστα ερευνητικών και άλλων δραστηριοτήτων που οι 4 µαθητές θα πρέπει να εκτελέσουν µε την ίδια σειρά. Η δραστηριότητα καλύπτει πληθώρα ερευνών σχετικές µε τη φωτοσύνθεση, οι οποίες, όλες µαζί, προσφέρουν ερεθίσµατα και τρόπο να αντιµετωπιστούν διαφορετικές πλευρές αυτού του θέµατος. Μετά την έρευνα, οι µαθητές πρέπει να γράψουν µία αναφορά για τη δουλειά τους. Ένα µέλος κάθε οµάδας (που θα έχει ορίσει η ίδια η οµάδα) θα ενηµερώνει όλο το τµήµα κατά τη διάρκεια των συναντήσεων όλων των οµάδων και µελών. ∆. Λεπτοµέρειες έρευνας Η έρευνα κλειδί έγκειται στη µελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν τη φωτοσύνθεση. Το άρθρο µε τις υποστηρικτικές πληροφορίες αναφέρεται σε έρευνα που προσπαθεί να αναπτύξει τη χρήση λαµπτήρων LEDs (Light Emitting Diode: ∆ίοδος Εκποµπής Φωτός) ως πηγή φωτός για τα φυτά. Οι µαθητές θα πρέπει να ερευνήσουν τη επίδραση του χρώµατος (µήκους κύµατος του φωτός) στην ταχύτητα της φωτοσύνθεσης. Εφόσον τα LEDs διατίθενται σε κόκκινο, πράσινο µπλε και κίτρινο, αυτά τα χρώµατα θα πρέπει να χρησιµοποιηθούν για την έρευνα. Οι ίδιοι οι µαθητές δε χρειάζεται να χρησιµοποιήσουν LEDs για την εργασία αυτή. Οι µαθητές µπορούν να φωτίσουν υδρόβια φυτά (Elodea Canadensis) µε φως που διαπερνά φίλτρα διαφόρων χρωµάτων. Πριν την εκτέλεση αυτών των πειραµάτων οι µαθητές θα πρέπει να σχεδιάσουν ένα γενικό σχέδιο µεθόδων που θα ακολουθήσουν έτσι ώστε η εργασία κάθε οµάδας να είναι συγκρίσιµη. Ένας σηµαντικός παράγοντας που χρειάζεται να ελεγχθεί είναι η ένταση του φωτός του κάθε χρώµατος που εξετάζεται. Άλλα καθήκοντα και έρευνες που αναφέρονται είναι: • Ανάλυση των διατροφικών αναγκών ενός πληρώµατος που αποτελείται από 8 άτοµα, στη διαστηµική αποστολή. Αυτό θα πρέπει να βασισθεί σε έρευνα δευτερογενών πηγών (δηλαδή βιβλία, επιστηµονικά άρθρα, διαδίκτυο κλπ.) • Μέθοδοι ανακύκλωσης νερού Οι µαθητές θα πρέπει να ερευνήσουν µεθόδους εξάτµισης και συµπύκνωσης του νερού. Η έρευνα αυτή θα φέρει σε µια πρώτη επαφή τους µαθητές µε τον κύκλο του νερού. • Πώς η σωµατική δραστηριότητα επηρεάζει την κατανάλωση οξυγόνου και την παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα. Εδώ θα µπορούσαν να κάνουν χρήση ενός σπειροµέτρου ή ενός βαθµονοµηµένου αναπνευστικού σάκου για τη µέτρηση της ταχύτητας αναπνοής και του εισπνεόµενου/εκπνεόµενου όγκου αέρα, όταν οι µαθητές ξεκουράζονται και κατά τη διάρκεια διαφόρων επιπέδων δραστηριότητας. • Ο συνδυασµός των θρεπτικών συστατικών που είναι αναγκαία για την ανάπτυξη υγιών φυτών. Αυτό είναι σχετικό µε την εκτέλεση υδροπονικών πειραµάτων. • Η επίδραση της έντασης του φωτός στην ταχύτητα της φωτοσύνθεσης. 5 Ανάπτυξη υδρόβιων φυτών κάτω από την επίδραση διαφόρων πηγών φωτός. • Η επίδραση του σκότους και του φωτός στην ανάπτυξη του φυτού. Η έρευνα δευτερογενών πηγών σχετικά µε την ανάγκη ύπαρξης φωτεινών και σκοτεινών περιόδων για την έναρξη της άνθισης στα φυτά. Η ανάγκη σκοτεινών περιόδων θα επηρεάσει τη δυνατότητα παραγωγής οξυγόνου. • Η επίδραση της συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα και της θερµοκρασίας στην ανάπτυξη του φυτού. Το νερό µέσα στο οποίο αναπτύσσονται τα υδρόβια φυτά περιέχει διάφορα ποσά όξινου ανθρακικού νατρίου το οποίο παρέχει στα φυτά διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Η θερµοκρασία µπορεί να ρυθµιστεί µε τη χρήση παγόλουτρου ή υδατόλουτρου σε θερµοκρασία δωµατίου ή άλλη επιλεγµένη θερµοκρασία • Τα είδη των φυτών που είναι απαραίτητα για µια σωστή ισορροπία µεταξύ της απαιτούµενης παραγωγής πρωτεϊνών από τα φυτά για το πλήρωµα και της απόδοσης της φωτοσύνθεσης. Αυτό σχετίζεται µε την προηγούµενη δραστηριότητα για το σχεδιασµό δίαιτας κατάλληλης για διαστηµικά ταξίδια µεγάλης διάρκειας. Αν το διαστηµόπλοιο πρέπει να µεταφέρει φυτά για να παρέχει τροφή στο πλήρωµα, ποια είναι τα καλύτερα φυτά για µία ισορροπηµένη διατροφή; Εδώ είναι πιθανόν να ερευνηθεί µία δευτερογενής πηγή, σχετική µε τα διατροφικά συµπληρώµατα. Μία υποσηµείωση στο τέλος του άρθρου ζητά περαιτέρω προτάσεις για ερευνητική εργασία. Οι µαθητές µπορούν να προτείνουν τον έλεγχο διαφορετικών διατροφικών φυτών για να δουν ποια φωτοσυνθέτουν αποτελεσµατικότερα. Αυτό µπορεί να µην αποδώσει τα ιδανικά αποτελέσµατα αλλά θα είναι ένα αξιόλογο πείραµα, που δείχνει ότι οι επιστήµονες δεν φτάνουν πάντα σε οριστικές και αδιαµφισβήτητες απαντήσεις. Μία πιθανή προσέγγιση θα ήταν να φωτιστούν φύλλα διαφορετικών φυτών (όσο το δυνατό πιο φρέσκα) σε κλειστό περιβάλλον παρουσία ενός ανιχνευτή διοξειδίου του άνθρακα. E. Θέµατα Ασφάλειας Προσοχή. Είναι σηµαντικό να κάνετε τις δικές σας εκτιµήσεις κινδύνου κατά την προετοιµασία των πειραµάτων αυτού του υλικού κατά τον τρόπο που συνηθίζετε. Σε αυτό το υλικό θα βρείτε πολλές προτάσεις για ανεξάρτητη ερευνητική δράση των µαθητών. Όλα τα σχέδια που αφορούν µαθητές θα πρέπει να υπόκεινται σε έλεγχο και να επιχειρείται εκτίµηση κινδύνου από τον καθηγητή πριν επιτραπεί η διεξαγωγή των πειραµάτων. 6 Φυτά στο διάστηµα Φύλλο ∆ραστηριοτήτων Μαθητή Προετοιµασία Θα εργάζεστε ως ερευνητές σε ένα πανεπιστηµιακό τµήµα Βιο-αστρονοµίας. Είστε µέλη οµάδας που θα συντάξει µία ερευνητική πρόταση για να κερδίσει ένα συµβόλαιο για το σχεδιασµό µίας αυτόνοµης Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής για µια διαστηµική αποστολή στον Άρη. Εσύ και οι συνάδελφοί σου θα διεξάγετε µία έρευνα σχετική µε τη φωτοσύνθεση, και θα αναζητήσετε πληροφορίες σχετικά µε τις διατροφικές ανάγκες και τις ενεργειακές απαιτήσεις ενός αστροναύτη κατά τη διάρκεια της πτήσης. Στη συνέχεια θα συντάξετε αναφορά όπου θα αναφέρετε τα ευρήµατά σας για να τα παρουσιάσετε σε ένα σεµινάριο. Επιστηµονικές γνώσεις που θα αποκτήσετε κατά τη διάρκεια αυτής της δραστηριότητας: • • • • • • • Τα πράσινα φυτά φωτοσυνθέτουν όταν υπάρχει φως Κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης η φωτεινή ενέργεια απορροφάται από την χλωροφύλλη που βρίσκεται στους χλωροπλάστες των φυτικών κυττάρων Η φωτεινή ενέργεια που απορροφάται χρησιµοποιείται για να µετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό σε γλυκόζη (C6H12O6) µε ταυτόχρονη έκλυση οξυγόνου (Ο2) Η ταχύτητα της φωτοσύνθεσης περιορίζεται όταν η θερµοκρασία είναι χαµηλή, όταν υπάρχει έλλειψη διοξειδίου του άνθρακα και έλλειψη φωτός. Η ανάπτυξη υγιών φυτών απαιτεί επίσης την ύπαρξη ορισµένων ανόργανων ιόντων Το σώµα µας χρειάζεται ισορροπηµένη διατροφή για να παραµείνει υγιές Όσο πιο δραστήριοι είναι οι άνθρωποι τόσο περισσότερη ενέργεια χρειάζονται, την οποία εξασφαλίζουν καταναλώνοντας περισσότερους υδατάνθρακες και λίπη Κατάλογος µε προσδοκώµενα αποτελέσµατα Θα διεξάγετε µία ή περισσότερες έρευνες και θα παραδώσετε µία γραπτή αναφορά µε τα ευρήµατά σας. Στη συνέχεια, θα πρέπει να τα παρουσιάσετε σε όλο το τµήµα. Πρέπει να βεβαιωθείτε ότι ολοκληρώσατε τα παρακάτω κατά τη διάρκεια εκτέλεσης της εργασίας. ∆ελτίο Τύπου και σχετικές δηµοσιεύσεις (άρθρα) • Σχεδιασµός έρευνας • Ερευνητική αναφορά • Παρουσίαση 7 Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Τµήµα Βιο-αστρονοµίας e-mail από: ∆άφνη Τσεντελιέρου Προς: Ερευνητικές Οµάδες Θέµα: ∆ιαγωνισµός Υπηρεσίας ∆ιαστήµατος για Μονάδα ∆ιατήρησης της Ζωής Μόλις έλαβα τις λεπτοµέρειες ενός καινούργιου διαστηµικού προγράµµατος σχετικά µε το σχεδιασµό αυτόνοµης Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής σε πιθανές µελλοντικές διαστηµικές αποστολές. Φαίνεται ότι Η Υπηρεσία ∆ιαστήµατος αποφάσισε να διεξάγει παγκόσµιο διαγωνισµό για το καλύτερο σχέδιο ενός συστήµατος υποστήριξης της ζωής που θα µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε µελλοντικές διαστηµικές πτήσεις. Σε αυτές τις πτήσεις, οι αστροναύτες πρέπει να προµηθευτούν τροφή, νερό και οξυγόνο για ένα ταξίδι δύο ετών ή και παραπάνω. Η νικήτρια οµάδα θα αναλάβει την εργασία του σχεδιασµού του συστήµατος, και την ανάπτυξη της τεχνολογίας που συνεπάγεται. Νοµίζω ότι πρέπει να το δοκιµάσουµε -έχουµε αρκετά καλούς ερευνητές που είναι εφευρετικοί και εργατικοί. Είµαι σίγουρη πως έχουµε πολλές πιθανότητες να κερδίσουµε το τελικό συµβόλαιο. Αυτό που πρέπει να κάνετε εσείς είναι να παρέχετε συµβουλές και να δώσετε ιδέες σχετικά µε θέµατα βιολογίας, όπως τη διασφάλιση της µέγιστης ποσότητας οξυγόνου και παραγωγής τροφής από φυτά που θα βρίσκονται µέσα στο διαστηµόπλοιο, και πώς αυτά σχετίζονται µε τις ανάγκες του πληρώµατος. Το Πρόγραµµα της Υπηρεσίας ∆ιαστήµατος ανακοινώθηκε µε ∆ελτίο τύπου στο διαδίκτυο. Σας έχω επισυνάψει περαιτέρω πληροφορίες για το διαγωνισµό. Έχω επίσης κατεβάσει µία σχετική δηµοσίευση (δείτε επισύναψη). Ξεφύλλισα το άρθρο και έκανα µερικές σηµειώσεις στα περιθώρια σχετικά µε πιθανές έρευνες που θα µπορούσαµε να κάνουµε. Αυτό θα µας βοηθήσει να κατανοήσουµε µερικά από τα προβλήµατα που θα πρέπει να λάβουµε υπόψη πριν αρχίσουµε να συντάσσουµε την ερευνητική πρόταση µε το προτεινόµενο σχέδιο. Ενδέχεται να µοιράσουµε τις εργασίες διεκπεραίωσης µεταξύ µας στην οµάδα. Θα χρειαστεί: • Να διαβάσετε το ∆ελτίο Τύπου και τα δηµοσιευµένα άρθρα. • Να επιλέξετε ένα ή περισσότερα θέµατα που έχω σηµειώσει και να κάνετε σχετικές έρευνες. • Να συντάξετε µία αναφορά µε τα ευρήµατά σας. • Να παραβρεθείτε σε συνάντηση προκειµένου να συζητήσετε τα αποτελέσµατα των ερευνών. Σε αυτή τη συνάντηση θα συγκεντρώσουµε ιδέες για το σχεδιασµό µίας αυτόνοµης Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής. 8 ∆ελτίο Τύπου: ΥΠΗΡΕΣΙΑ ∆ΙΑΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΚΛΗΣΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ∆ΙΑΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΥΠΟΒΟΛΗ ΠΡΟΤΑΣΕΩΝ ΣΧΕ∆ΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΑΥΤΟΝΟΜΗΣ ΜΟΝΑ∆ΑΣ ∆ΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΕΠΑΝ∆ΡΩΜΕΝΗ ΠΤΗΣΗ ΣΤΟΝ ΆΡΗ. ΜΙΑΣ ΤΗΣ ΖΩΗΣ ΣΕ Η Υπηρεσία ∆ιαστήµατος είναι στην ευχάριστη θέση να ανακοινώσει ένα ανοιχτό σε όλα τα ερευνητικά ινστιτούτα διαγωνισµό ,για την ανάπτυξη µιας αυτόνοµης Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής που θα χρησιµοποιηθεί σε επανδρωµένη διαστηµική αποστολή διάρκειας δύο ετών και πάνω. Ο διαγωνισµός θα έχει ως αποτέλεσµα έναν κατάλογο µε 10 προτεινόµενα σχέδια, που θα αποτελέσουν το κύριο αντικείµενο µίας σηµαντικής έκθεσης που θα πραγµατοποιηθεί µετά από ένα έτος, µε σκοπό τον εορτασµό της εφευρετικότητας, της δηµιουργικότητας και των ικανοτήτων των επιστηµόνων και των µηχανικών όλου του κόσµου. Το νικητήριο σχέδιο θα επιλεγεί από οµάδα διεθνών επιστηµόνων και µηχανολόγων, και θα ανακοινωθεί σε συνέντευξη τύπου την τελευταία µέρα της έκθεσης. Η νικήτρια οµάδα θα υπογράψει συµβόλαιο που θα της αποδοθεί ως βραβείο µε σκοπό τη διεξαγωγή περαιτέρω ερευνών και την παραγωγή ενός λειτουργικού πρότυπου Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής. Ο σχεδιασµός της Μονάδας αυτής θα αποτελέσει και το πρώτο βήµα για µία επιτυχή διαστηµική πτήση που µεταφέρει αστροναύτες στον Άρη. Μετά την πρώτη επανδρωµένη διαστηµική πτήση το 1958, και στη συνέχεια την πρώτη προσεδάφιση πληρώµατος στη Σελήνη το 1969, τη δηµιουργίας ∆ιεθνούς ∆ιαστηµικού Σταθµού, και την επιτυχή προσεδάφιση στον Άρη του Rover Curiosity το 2012, ο Άρης ως προορισµός αντιπροσωπεύει για τονσύγχρονο άνθρωπο ένα σηµαντικό ορόσηµο στην ιστορία της εξερεύνησης του διαστήµατος. 9 ΥΠΗΡΕΣΙΑ ∆ΙΑΣΤΗΜΑΤΟΣ ∆ΙΑΓΩΝΙΣΜΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΗΣ ΜΟΝΑ∆ΑΣ ∆ΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΤΗΣ Έχω γράψει µερικές ιδέες σε αυτό το άρθρο τις οποίες µπορείτε να αναπτύξετε. ΖΩΗΣ ΠΛΗΡΩΜΑΤΟΣ ∆ΙΑΣΤΗΜΙΚΗΣ ΠΤΗΣΗΣ ΣΤΟΝ ΆΡΗ. Ανάπτυξη του πιο αποτελεσµατικού σχεδίου για µία αυτόνοµη Μονάδα ∆ιατήρησης της Ζωής που θα χρησιµοποιηθεί από πλήρωµα διαστηµικού σκάφους στον Άρη. Αυτή τη στιγµή βρίσκονται σε φάση σχεδιασµού σχέδια και µελέτες για µία αποστολή στον Άρη. Αποτελούν µέρος του µακροχρόνιου οράµατος του Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας ∆ιαστήµατος σχετικά µε την αποστολή ανθρώπων στον Άρη το 2033 και αντίστοιχα της NASA το 2037. Αυτό το σύντοµο άρθρο θέτει κάποια σηµαντικά ζητήµατα σχετικά µε το σχεδιασµό της Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής. ∆ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΜΟΝΑ∆ΑΣ ∆ΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΑΣΤΡΟΝΑΥΤΩΝ ΣΕ ΑΠΟΣΤΟΛΗ ΣΤΟΝ ΆΡΗ. ΖΩΗΣ 1. Εισαγωγή Μέχρι σήµερα σε κάθε διαστηµική αποστολή όλα τα υλικά που είναι απαραίτητα για την διατήρηση των αστροναυτών στη ζωή (τροφή, νερό, οξυγόνο) αποστέλλονται µαζί µε το πλήρωµα. Η υπερνίκηση της βαρύτητας της γης στο διάστηµα είναι πολύ δαπανηρή. Όσο πιο µακρινός είναι ο προορισµός, τόσο πιο µεγάλο είναι το οικονοµικό κόστος που συνεπάγεται. Υπάρχουν περιπτώσεις που κόστος της αποστολής τροφής και οξυγόνου που απαιτούνται (το νερό ανακυκλώνεται) είναι µεγαλύτερο του κόστους εγκατάστασης ενός αυτόνοµου συστήµατος βιολογικών παροχών µέσα στο διαστηµόπλοιο. Υπολογίζεται ότι το ότι αυτό συµβαίνει όταν η πτήση ξεπερνά τα δύο έτη. Για πτήσεις που διαρκούν λιγότερο από δύο έτη, είναι πολύ πιο Χρειαζόµαστε µία πλήρη ανάλυση των διατροφικών αναγκών 8 ατόµων σε ένα ταξίδι 800 ηµερών στο διάστηµα -συνολικά ποσά θρεπτικών συστατικών, της ενέργειας που χρειάζονται, κτλ.- ένα κατάλογο µε τους παράγοντες που ίσως επηρεάζουν τα σύνολα αυτά και ΠΩΣ. Θα µπορούσατε να προτείνετε ανακύκλωσης του νερού µεθόδους 10 οικονοµικό να αποστέλλουν νερό και οξυγόνο µαζί µε τους αστροναύτες. Για πτήσεις µεγαλύτερης διάρκειας από δύο έτη είναι οικονοµικότερη η κατασκευή ενός συστήµατος βιολογικών παροχών µέσα στο διαστηµόπλοιο. Οι διαστηµικές αποστολές στον Άρη θα διαρκέσουν δύο χρόνια µέχρι την ολοκλήρωσή τους που σηµαίνει ότι η Υπηρεσία ∆ιαστήµατος θεωρεί σοβαρή την πιθανότητα εγκατάστασης ενός ισορροπηµένου οικοσυστήµατος ή αλλιώς, µίας Μονάδας ∆ιατήρησης της Ζωής, σε ένα διαστηµόπλοιο µε προορισµό τον Άρη. Το πλήρωµα να προµηθεύεται από εκεί όλη την απαραίτητη τροφή και οξυγόνο για την πτήση. Είναι ζωτικής σηµασίας να ελεγχθεί διεξοδικά το οικοσύστηµα, παρέχοντας ενέργεια που έχει υπολογιστεί σε ακριβή ποσά έτσι ώστε να αποφευχθεί κάθε σπατάλη, και να χρησιµοποιηθούν φυτά που θα παράγουν την απαραίτητη τροφή και οξυγόνο µε τον ελάχιστο παρεχόµενο φωτισµό και θρεπτικά συστατικά. 2. Καλλιεργώντας φυτά στο διάστηµα Α Υπόστρωµα Ένας ενήλικας απαιτεί, κατά µέσο όρο, 602 λίτρα οξυγόνου την ηµέρα. Κατά συνέπεια τα φυτά που θα χρησιµοποιηθούν στο διαστηµόπλοιο πρέπει να είναι όσο πιο αποδοτικά γίνεται κατά τη φωτοσύνθεση για να παρέχουν το απαιτούµενο για το πλήρωµα οξυγόνο. Τα φυτά αυτά δεν θα καλλιεργούνται σε χώµα, αλλά σε τεχνητό υπόστρωµα που θα αποτελείται από υποκατάστατο του εδάφους και θα περιέχει όλα τα απαραίτητα για τα φυτά θρεπτικά συστατικά. Το υπόστρωµα θα χορηγεί τα θρεπτικά συστατικά σε ελεγχόµενες δόσεις γεγονός που το καθιστά πιο αποδοτικό από το έδαφος όσον αφορά την πρόσληψη µεταλλικών στοιχείων από τα φυτά. Β Μπορούµε να παρέχουµε πληροφορίες ως προς το πώς η φυσική δραστηριότητα επιδρά στην κατανάλωση οξυγόνου-τι, εκτός από τη σωµατική δραστηριότητα επηρεάζει αυτά τα επίπεδα; Ποιο συνδυασµό θρεπτικών συστατικών είναι απαραίτητο να παρέχουµε στα φυτά για υγιή ανάπτυξη; Θα µπορούσατε επίσης να εξετάσετε τους τύπους των µέσων ανάπτυξης που µπορούν να χρησιµοποιηθούν Φως Το µεγαλύτερο τεχνικό πρόβληµα είναι η παροχή ικανής ποσότητας φωτός στα φυτά. Η Μονάδα ∆ιατήρησης της Ζωής θα τροφοδοτείται από ηλιακούς συλλέκτες που θα παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, µέρος της οποίας θα τροφοδοτεί τα φυτά µε άπλετο φως. Τα φυτά θα χρησιµοποιούν αυτή την ενέργεια για τη φωτοσύνθεση, παρέχοντας τροφή και οξυγόνο στους αστροναύτες. 11 Κάθε στάδιο αυτής της αλυσίδας µεταφοράς ενέργειας είναι από µόνο του ανεπαρκές. Το φως πρώτα µετατρέπεται σε ηλεκτρισµό από τον ηλιακό συλλέκτη. Στη συνέχεια µετατρέπεται σε φως από τα ηλεκτρικά φώτα. Τέλος, το φως µετατρέπεται σε χηµική ενέργεια µέσω της φωτοσύνθεσης. Ακόµη και σε συνθήκες θερµοκηπίου, µόνο το 7% του φωτός που φτάνει στα φύλλα ενός φυτού χρησιµοποιείται για φωτοσύνθεση. Αυτό εν µέρει εξηγείται, µε δεδοµένο ότι τα µόρια της χλωροφύλλης στα κύτταρα του φύλλου µπορούν να απορροφήσουν µόνο ένα φωτόνιο κάθε φορά. Η περίσσεια φωτονίων που πλησιάζει τα µόρια της χλωροφύλλης που είναι απασχοληµένα µε το προηγούµενο φωτόνιο, δε χρησιµοποιείται. Οι επιστήµονες της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας ∆ιαστήµατος πρότειναν τη χρήση φωτεινών προβολέων που αναβοσβήνουν 2000 έως και 12000 φορές το δευτερόλεπτο. Αυτό αφήνει ένα κενό µεταξύ των φωτονίων που πλησιάζουν τα µόρια της χλωροφύλλης, επιτρέποντας αρκετό χρόνο πριν την απορρόφηση του επόµενου πακέτου ενέργειας από τα µόρια της χλωροφύλλης. Μία φωτεινή πηγή που αναβοσβήνει γρήγορα είναι οι δίοδοι εκποµπής φωτός (LED, Light Emitting Diode). Οι ∆ίοδοι Εκποµπής Φωτός έχουν το πλεονέκτηµα του µεγάλου χρόνου ζωής ενώ δαπανούν πολύ µικρή ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας. Τα LED εκπέµπουν ερυθρό, κυανό, πράσινο και κίτρινο φως ανάλογα µε τα υλικά που χρησιµοποιήθηκαν κατά την κατασκευή τους. Γ Πώς η ένταση του φωτός επιδρά στην ταχύτητα της φωτοσύνθεσης; Τα φυτά χρειάζονται κάποιο χρόνο σκότους για κάθε περίοδο 24 ωρών για να αναπτυχθούν; Αν ναι, ποιες οι συνέπειες στην παροχή οξυγόνου στο πλήρωµα; Ποιο χρώµα του φάσµατος θα δώσει την µέγιστη απόδοση φωτοσύνθεσης; Και µπορούν τα φυτά να επιβιώσουν στον Άρη όπου το φως βρίσκεται κυρίως στο κόκκινο άκρο του φάσµατος; Τύπος Φυτού Τα φυτά στη Μονάδα ∆ιατήρησης της Ζωής θα πρέπει τόσο να παρέχουν τα σωστά θρεπτικά στοιχεία για να κρατήσουν τους αστροναύτες υγιείς, όσο και να είναι αποδοτικά κατά τη φωτοσύνθεση έτσι ώστε να επιτυγχάνεται µεγαλύτερη παραγωγή τροφής. Ένα τετραγωνικό µέτρο βλάστησης παρέχει περίπου 30 – 31 λίτρα οξυγόνου την ηµέρα. Οι επιστήµονες χρειάζεται να ξέρουν τις καλύτερες καλλιεργητικές συνθήκες στις οποίες τα φυτά θα αναπτυχθούν κατά τη διάρκεια αυτού του µεγάλου ταξιδιού στον Άρη και να βεβαιωθούν ότι η ταχύτητα παραγωγής οξυγόνου µπορεί να διατηρηθεί ή και να αυξηθεί. Ποια φυτά παράγουν την περισσότερη τροφή και οξυγόνο µε τις ίδιες ποσότητες φωτός και θερµότητας; 12 Τα επίπεδα βέλτιστης θερµοκρασίας και διοξειδίου του άνθρακα πρέπει να µελετηθούν διεξοδικά προκειµένου να επιτύχουµε τη µέγιστη ανάπτυξη των φυτών. Είναι πιθανόν να µην µπορούν να καλλιεργηθούν στο σκάφος φυτά παρά µόνο περιορισµένου εύρους, και αυτό πιθανότατα να δηµιουργήσει προβλήµατα στο πλήρωµα. Η προοπτική του να έχεις µόνο τρία ή τέσσερα λαχανικά σε όλη τη δίαιτα σου για περισσότερο από δύο χρόνια είναι αποθαρρυντική. Αυτό εξηγεί και την προσπάθεια των τεχνολόγων τροφίµων να αναπτύξουν ένα µηχανισµό που θα παράγει προϊόντα µε ποικιλία υφής, χρωµάτων και γεύσεων. Με αυτό τον τρόπο η δίαιτα των αστροναυτών δεν θα είναι πια µονότονη. Ποια είναι τα βέλτιστα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα και θερµοκρασίας για την ανάπτυξη των φυτών; ∆εδοµένου ότι µόνο ένας µικρός αριθµός φυτών µπορεί να καλλιεργηθεί στο διάστηµα, είναι σηµαντικό να βρεθεί µία ισορροπία µεταξύ των φυτών που φωτοσυνθέτουν µε µεγάλη απόδοση και αυτών που παράγουν µεγάλες ποσότητες πρωτεΐνη. Ποια ποικιλία φυτών νοµίζετε ότι θα πρέπει να χρησιµοποιηθεί; Επίλογος Το πρόβληµα της παροχής ενός αυτόνοµου περιβάλλοντος σε πλήρωµα οκτώ αστροναυτών σε αποστολή στον Άρη είναι πραγµατικά σηµαντικό. Η εναλλακτική λύση είναι να σταλούν προµήθειες δύο ετών (και παραπάνω) µε συµπυκνωµένες τροφές και φιάλες οξυγόνου στο σκάφος. Το κόστος αυτής της επιλογής θα είναι τεράστιο. Είναι εξαιρετικής σηµασίας η ανάγκη να εξευρεθεί ένας βιώσιµος τρόπος καλλιέργειας φυτών απαραίτητων για την πτήση στο διάστηµα. Ένα αυτόνοµο οικοσύστηµα θα µπορούσε να κάνει εφικτή την επίσκεψη του ανθρώπου στο µόνο πλανήτη του ηλιακού µας συστήµατος που µπορούµε να προσεδαφιστούµε µε ασφάλεια- τον Άρη. Σύνδεσµοι: Υπουργείο Παιδείας. Ψηφιακό σχολείο Φωτοσύνθεση http://digitalschool.minedu.gov.gr/modules/ebook/show .php/DSGL-B106/85/685,2581/