XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

РобоКОМПОСТ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чепух А.Д. 1Колоярцев Д.А. 1Степанов Н.Е. 1Норкин Я.С. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Каждый день в дачном посёлке скапливается множество органических отходов: очистки картофеля, яблочные огрызки, опавшие листья, скошенная трава. В общей массе твёрдых коммунальных отходов на долю органики приходится от 30 до 50% ^[1].

Мы задумались: а можно ли сделать так, чтобы органические отходы сами превращались в удобрение и сами попадали в сад? И придумали робота — РобоКомпост.

Цель нашей работы: создать действующую модель роботизированной системы, которая перерабатывает органические отходы в компост и доставляет его к растениям. Общая схема системы представлена (Рисунок 5.5, Приложения), общий вид готовой модели — (Рисунок 5.1, Приложения).

Задачи исследования:

• узнать, что такое органические отходы и почему их важно перерабатывать;

• изучить, как работают измельчители и зачем они нужны;

• разобраться в процессе компостирования;

• выяснить, как компост влияет на рост растений;

• построить работающую модель из конструктора LEGO Mindstorms EV3.

Гипотеза: если создать автоматическую систему переработки органических отходов, она сможет производить удобрение без участия человека и помогать выращивать растения.

Объект исследования: процесс переработки органических отходов в компост.

Предмет исследования: роботизированная модель компостной системы на базе LEGO Mindstorms EV3.

Глава 1. Что такое органический мусор и зачем его перерабатывать

1.1. Понятие и виды органических отходов

Каждый день мы выбрасываем кожуру овощей, остатки еды, чайные пакетики или прошлогоднюю листву. В общей массе твёрдых коммунальных отходов на долю органики приходится от 30 до 50% ^[1].

Органические отходы (биоотходы) — это категория мусора, состоящая из веществ биологического происхождения, способных к естественному разложению. Главное их отличие от неорганики (пластика, стекла, металла) в том, что в природе существуют микроорганизмы, способные переработать их в простые элементы ^[2].

Основные виды органических отходов ^[1]:

• Пищевые отходы: очистки овощей и фруктов, испорченные продукты, кофейная гуща, чайная заварка.

• Растительные отходы: скошенная трава, опавшая листва, ветки, цветы, кора деревьев.

• Садово-огородные остатки: ботва томатов и картофеля, кукурузные стебли, сорняки.

1.2. Почему нельзя просто выбрасывать органику на свалку

На полигонах отходы спрессовываются и засыпаются землёй, перекрывая доступ кислорода. Органика начинает бродить и выделяет метан (CH₄) — парниковый газ, который в 28 раз активнее углекислого газа ^[6]. Свалки — третий по величине источник антропогенного метана в мире: выбросы достигают 62,86 Гт CO₂-эквивалента в год ^[6].

Кроме того, в процессе гниения образуется фильтрат — ядовитая жидкость, которая просачивается в почву и грунтовые воды, отравляя их на десятилетия ^[1].

1.3. Понятие экологического следа

Экологический след — показатель воздействия человека на природу ^[2]. Переработка органики на месте — самый эффективный метод снижения углеродного следа ^[6].

1.4. Польза компоста для почвы

Компост часто называют «чёрным золотом» для фермеров ^[9]:

• Улучшает структуру почвы: разрыхляет тяжёлые и связывает рыхлые почвы.

• Естественное питание: содержит макро- и микроэлементы в форме, доступной растениям, и работает долго.

Исследования показывают, что зрелый компост способен подавлять почвенные болезни растений благодаря антагонистической активности микробов ^[5]. Внесение компоста вместо синтетических удобрений помогает секвестрировать углерод в почве ^[7].

Вывод по главе 1: органические отходы — не мусор, а ценный ресурс. Если перерабатывать их в компост, мы одновременно защищаем окружающую среду и улучшаем урожай ^{[1, 9]}.

Глава 2. Механизмы измельчения отходов

2.1. Зачем измельчать органический мусор

Измельчение органических отходов значительно ускоряет их переработку: компостирование сокращается с 6–12 месяцев до 4–8 недель ^[1].

• Уменьшение объёма в 3–10 раз — реже нужно опорожнять контейнер.

• Ускорение компостирования — с 6–12 месяцев до 4–8 недель.

• Снижение запаха — однородная мелкая масса меньше «фонит».

• Удобство переработки — масса легче подаётся через механизмы.

2.2. Основные виды измельчителей

Ножевой (дисковый) измельчитель. Острые вращающиеся ножи разрезают отходы. Используется в кухонных диспоузерах ^[1].

Шнековый измельчитель. Шнек-винт вдавливает и раздавливает отходы. Мощный — перерабатывает даже ветки ^[1].

Молотковый измельчитель. Быстро вращающиеся молоточки разбивают куски. Применяется в промышленности ^[1].

Роторный (барабанный) измельчитель. Два вращающихся барабана с зубьями разрывают материал. Используется на заводах по переработке мусора.

2.3. Физика измельчения — крутящий момент

Для работы измельчителя нужен крутящий момент (Крутящий момент = Сила × Расстояние от оси). Понижающая зубчатая передача в нашей модели уменьшает скорость, но увеличивает крутящий момент ^[8]. Крупный план компостера и измельчителя (Рисунок 5.3, Приложения).

Вывод по главе 2: измельчение — обязательный шаг, ускоряющий разложение в 2–3 раза ^[1].

Глава 3. Как работает компостирование — природный процесс

3.1. Два вида компоста

Компост бывает аэробным (с доступом воздуха) и анаэробным (закрытый контейнер с биопрепаратами). В обоих случаях происходит разогрев до +60–70°C ^[3].

3.2. Роль бактерий и грибков

Компостирование — естественный процесс превращения органики в гумус при участии бактерий, грибов и червей ^[3]. Аэробные бактерии активны при 50–70°C и производят тепло ^[3]. Термофильные бактерии расщепляют более сложные вещества ^[7].

3.3. Три условия хорошего компоста

Влажность. Оптимально — около 70% ^[3]: сжатая горсть влажная, но вода не отжимается.

Тепло. Бактерии активны в тепле и «засыпают» на холоде ^[3]. В холодных регионах ящик утепляют листьями или пенопластом.

Кислород. Аэробный компост необходимо перемешивать ^[3]. В нашем закрытом контейнере достаточно вентиляционных отверстий.

3.4. Баланс «зелёных» и «коричневых» материалов

Важен баланс «зелёных» (богатых азотом) и «коричневых» (богатых углеродом) материалов ^[3]:

• Зелёные: свежая трава, овощные остатки, фруктовая кожура.

• Коричневые: сухие листья, солома, бумага, картон.

Вывод по главе 3: три условия — влажность, тепло, кислород — позволяют получить готовое удобрение за 4–8 недель ^[3].

Глава 4. Удобрения и рост растений

4.1. Органические и химические удобрения — в чём разница

Химические удобрения действуют быстро, но при избытке накапливаются в почве ^[10]. Органические — компост, перегной — работают медленнее, но дольше и безопаснее ^[9].

4.2. Макроэлементы NPK — что это такое

Все растения нуждаются в трёх главных элементах питания — NPK ^[10]:

4.3. Как питательные вещества поглощаются корнями

Корни поглощают питательные вещества только в растворённом виде ^[10]. Компост улучшает структуру почвы так, что корни легко прорастают вглубь ^[9].

4.4. Почему от компоста деревья растут лучше

Зрелый компост подавляет почвенные болезни растений благодаря антагонистической активности микробов ^[5]. Внесение в прикорневую зону — самый эффективный способ применения ^[9]. Макет дерева после внесения компоста (Рисунок 5.4, Приложения).

Вывод по главе 4: компост — сбалансированное органическое удобрение, питающее растение без вреда для окружающей среды ^{[9, 10]}.

Глава 5. Описание практической части — робот РобоКомпост

5.1. Общая концепция и оборудование

Наш робот РобоКомпост создан из конструктора LEGO Mindstorms EV3 ^[8]. Общий вид модели (Рисунок 5.1, Приложения), схема работы системы (Рисунок 5.5, Приложения), процесс сборки командой (Рисунок 5.2, Приложения). В систему входят: блок EV3, два больших мотора EV3, один средний мотор EV3, два датчика цвета EV3.

Система работает без участия человека: органический мусор загружается в бак, а дальше робот делает всё сам — измельчает, компостирует и вносит удобрение к растению.

5.2. Описание механизмов — шаг за шагом

Шаг 1–2. Бак и наклонный лоток (Рисунок 5.7, Приложения). Органические отходы накапливаются в контейнере-баке и скользят вниз по наклонному лотку под собственным весом.

Шаг 3. Конвейер (Рисунок 5.1, Приложения) (Рисунок 5.7, Приложения). Отходы попадают на гусеничную ленту конвейера, работающую от среднего мотора EV3 через угловую зубчатую передачу. Датчик цвета 1 определяет наличие отходов.

Шаг 4. Измельчитель (Рисунок 5.3, Приложения). Ножевой блок дробит отходы на мелкие фракции, ускоряя компостирование в 2–3 раза. Для наглядности мы использовали ряд зубчатых колес

Шаг 5. Компостер (Рисунок 5.3, Приложения). Измельчённые отходы поступают в герметичный контейнер. Выдвижная платформа работает за счёт понижающей зубчатой передачи и рейки ^[8]. Датчик цвета 2 следит за готовностью: свежие отходы — ярко-зелёные, зрелый компост — тёмно-коричневый.

Шаг 6. Дерево в саду (Рисунок 5.4, Приложения). Готовое удобрение вносится в прикорневую зону ^[9]. Ножничный подъёмник поднимает макет дерева, демонстрируя его «рост».

5.3. Программа управления на EV-3

Для управления роботом использована среда программирования EV-3 ^[8] — графический язык из цветных блоков. Скриншот программы (Рисунок 5.6, Приложения).

Часть 1 — Основная последовательность (запуск и переработка)

Часть 2 — Цикл «01» (постепенное выращивание дерева, 10 повторений)

5.4. Почему программа устроена именно так

Два датчика цвета решают разные задачи: первый запускает конвейер только при наличии мусора ^[8], второй определяет готовность компоста — заменяет человека, который обычно проверяет его вручную.

Цикл с 10 повторениями и паузой 2 секунды выбран для наглядности. Отрицательные значения мощности мотора B (−30, −50) позволяют одному мотору выполнять две функции ^[8]. Технические характеристики сведены в Таблице 1 (Приложения).

Вывод: созданная модель демонстрирует полный цикл переработки. Программа управляет всеми механизмами автоматически, используя датчики цвета как «органы чувств» робота.

Заключение

В ходе нашей исследовательской работы мы достигли поставленной цели: создали действующую модель роботизированной компостной системы РобоКомпост на базе LEGO Mindstorms EV3 ^[8].

Мы подтвердили нашу гипотезу: автоматическая система действительно перерабатывает органические отходы в удобрение без участия человека и наглядно демонстрирует рост растений.

В ходе работы мы узнали:

• органические отходы составляют 30–50% всего мусора, и их лучший путь — не свалка, а компост;

• измельчение ускоряет компостирование в 2–3 раза благодаря увеличению площади поверхности;

• три условия компоста — влажность, тепло и кислород — позволяют получить удобрение за 4–8 недель;

• компост содержит все необходимые растениям макроэлементы NPK и улучшает структуру почвы;

• программа EV3-G управляет сложной цепочкой механизмов с помощью датчиков — без участия человека.

Практическая значимость: такую систему можно установить в любом дачном посёлке, сократив количество органических отходов и улучшив качество почвы ^{[1, 9]}.

Перспективы развития: добавить датчик температуры ^[3], солнечную панель для автономного питания и мобильное приложение для мониторинга.

Список литературы

1. Утилизация органических отходов: правила и методы. Трудохрана.ру, 2025. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://trudohrana.ru

2. Добкович Й.Д., Пинаев В.Е. Проблематика отрасли обращения с органическими отходами. — М.: РУДН, 2024. — 48 с.

3. Как работают бактерии для компоста. BioBac, 2024. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://biobac.ru/blog/obzor/kak-rabotayut-bakterii-dlya-komposta/

4. Влажность компоста и уход за компостником. Дзен, 2023. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://dzen.ru/a/YaJCpR6mY1pnVAOi

5. Тест на фитосанитарный эффект компоста. AgroXXI / FiBL, 2025. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://agroxxi.ru

6. Sustainable biowaste management: Uncovering the environmental footprint. ScienceDirect, 2025.

7. Влияние биоугля и растительных компостов на микробиологическую активность почвы. Eurasian Soil Science, 2025.

8. LEGO Mindstorms EV3: руководство пользователя. — LEGO Group, 2023.

9. Тимофеева О.В. Основы компостирования для начинающих. — СПб.: Питер, 2022. — 96 с.

10. Серебрякова Н.А. Органические удобрения в садоводстве. — М.: Эксмо, 2021. — 112 с.

Приложения

Рисунок 5.1 — Общий вид модели РобоКомпост на выставочном столе

Рисунок 5.2 — Команда за сборкой робота РобоКомпост

Рисунок 5.3 — Компостер с реечным механизмом и измельчитель с зубчатой передачей

Рисунок 5.4 — Макет дерева, поднятого ножничным подъёмником после внесения компоста

Рисунок 5.5 — Инфографическая схема системы РобоКомпост: от бака до дерева

Рисунок 5.6 — Скриншот программы РобоКомпост в среде EV3-G

Рисунок 5.7 — Бак-накопитель органических отходов и гусеничный конвейер