Fizika – Modern fizika
A HUNVEYOR-4 GYAKORLÓ ŰRSZONDA ÉPÍTÉSE BUILDING THE HUNVEYOR-4 EDUCATIONAL SPACE PROBE 1
Hudoba György1, Bérczi Szaniszló2
Óbudai Egyetem, Alba Regia Egyetemi Központ, Székesfehérvár az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója 2 Eötvös Loránd Tudományegyetem, Anyagfizika Tanszék, Budapest.
ÖSSZEFOGLALÁS Az Óbudai Egyetem Alba Regia Egyetemi Központjában az amerikai Surveyor-7 holdkutató szonda utánérzéseként oktatási céllal egy gyakorló űrszonda modell épül. Az építés célja, hogy a diákok különböző detektorokat, érzékelőket, mérőeszközöket és mérési módszereket dolgozzanak ki és egy működő, Internetről irányítható rendszert építsenek. A szondaépítés egyfajta oktatási kísérlet. A projektben résztvevő diákok az aktív tevékenység révén az átlagosnál jelentősen mélyebb fizikai ismeretekre is szert tesznek. BEVEZETÉS – A HUNVEYOR PROJEKT A HUNVEYOR elnevezés a „Hungarian UNiversity SurVEYOR” kifejezésből alkotott betűszó. Maga a projekt egy egyszerűsített űrszonda építő program [1], melynek ötlete még 1997-ben merült fel az Eötvös Loránd Tudományegyetemen. Itt épült meg a szerzők egyike (Bérczi) irányításával az első HUNVEYOR szonda, mely később a HUNVEYOR-1 elnevezést kapta. A programhoz azóta Magyarország számos oktatási intézménye - oktatási céljainak megvalósítására a legmegfelelőbb, specifikus témakörökkel foglalkozva csatlakozott. [i3] A projekt egyben része annak a szemléletváltásnak, amely az utóbbi évtizedekben játszódott le a fizikaoktatásban, nevezetesen az, hogy az egyes jelenségek a valóságban általában nem nyilvánulnak meg tiszta formájukban, hanem komplexen, egymással való kölcsönhatásukban és környezeti áramlásokban. Az űrszonda modell építése, különféle fizikai mennyiségek mérése, mérési adatok kiértékelése a robotikával egyesítve, tantárgyintegráló szerepet tölt be, tehát pedagógiailag is példa értékű. [2,3,4] A HUNVEYOR-4 AZ ÓBUDAI EGYETEM ALBA REGIA EGYETEMI KÖZPONTJÁBAN Az Óbudai Egyetem Alba Regia Egyetemi Központja (melyet akkoriban még a Kandó Kálmán Műszaki Főiskola Számítógéptudományi Intézetének hívtak, és több lépésben alakult ki a jelenlegi elnevezés) a másik szerző (Hudoba) vezetésével 2001-ben negyedikként csatlakozott a szondaépítő programhoz (5.ábra). Ennek megfelelően a berendezés a HUNVEYOR-4 elnevezést kapta, és természetesen ez az eszköz is (illeszkedve az Intézet villamosmérnök képzés profiljához) egyedi megoldásokat tartalmaz. [5,6] A projekt úgy is tekinthető, mint egy oktatási kísérlet, amely a tervezési és építési feladatokon túl tudománynépszerűsítő feladatokat is ellát.
336
Fizika – Modern fizika CÉLOK Intézetünkben a HUNVEYOR projekt elsődleges oktatási céljai az alábbiak: a diákok fizikához kapcsolódó ismereteinek elmélyítése, átfogó, kölcsönhatásokon alapuló komplex rendszerszemlélet kialakítása vonzó, értelmes és hosszú távú kutató-fejlesztő program biztosítása Tudományos Diákköri és diplomamunka lehetőségek biztosítása lehetőséget adni a mérnöki munka begyakorlására (tervezés, munkaszervezés, megvalósítás, tesztelés, mérés, kiértékelés, …stb.) Maga a HUNVEYOR-4 űrszonda modell az évek során sokat változott, de a fenti oktatási célok változatlanul tovább élnek. AZ ELSŐ LÉPÉSEK Intézetünkben a HUNVEYOR projekt indításának első lépése az volt, hogy a diákokban felkeltsük az érdeklődést a szondaépítés iránt. Ez a feladatkiírással, valamint a leendő szonda fémvázának elkészítésével és közszemlére bocsátásával történt (1. ábra). Egy kis idő elteltével néhány diák jelentkezett, és egy számítógép alaplap beépítésével elkezdődött a projekt. Mivel a kezdetektől az volt az elképzelés, hogy a HUNVEYOR-4 bárki számára elérhető legyen, a diákok elkészítették a szonda honlapját. Ezen kezdeti lépések után a diákok következő generációja belefogott az eszközpark felépítésébe és a vezérlő programok kidolgozásába, amely lehetővé tette ezen berendezések működtetését és a mérések megszervezését, adatbázisban való tárolását. A későbbi évek folyamán a HUNVEYOR-4 folyamatosan bővült, esetenként a fenti oktatási céloknak megfelelően - egyes részeit vagy építőelemit újratervezték. A RENDSZER ÁTTEKINTŐ KÉPE A HUNVEYOR-4 az alábbi építőelemeket tartalmazza: váz és egyéb mechanikai elemek számítógépek és fedélzeti elektronika tudományos mérőműszerek vezérlő program, adatbázis és web-szerver A váz A szonda váza – mely a többi HUNVEYOR-étól eltérően a könnyebb szállíthatóság érdekében kisebb – egy alumíniumból készült könnyű, de meglepően merev tetraéderes szerkezet, mely kb. száz darabból épült fel. Számítógépek és fedélzeti elektronika A szonda elektronikája a fémvázba szerelt PC alaplap köré épült, mely a diákok által tervezett és épített speciális vezérlő egységeket tartalmaz. Tudományos mérőműszerek Egy űrszonda célja, hogy környezetéről mind vizuális, mind számszerű információt és adatokat gyűjtsön. E célból a HUNVEYOR-4 fel van szerelve egy USB webkamerával, mellyel körbe lehet nézni, valamint egy diákok által tervezett és épített meteorológiai állomással, amely mérni tudja a hőmérsékletet, szélsebességet (kanalas anemométer) és a szélirányt („szélkakas”) (1. ábra). A fentieken kívül a HUNVEYOR-4 műszerei között található egy, a talaj összetételének becslésére szolgáló saját készítésű LED spektrométer (2. ábra), egy félvezető alapú részecskesugárzás detektor, valamint légnedvesség, légnyomás, zajszint, a diákok által tervezett és kivitelezett spektrális fényerősség mérő, lézersugár visszaszóródásán alapuló légszennyezettség (portartalom) mérő és mindhárom láb végén elhelyezett rezgésérzékelők.
337
Fizika – Modern fizika
2. ábra. A LED spektrométer szerelés közben.
1. ábra A webkamera, a kanalas anemométer (jobbra fent) és a szélkakas. Vezérlő program, adatbázis és web-szerver A HUNVEYOR-4 működtetése egy Debian GNU/Linux 3.0 Woody operációs rendszeren alapul. Mivel a minimális energiafelhasználásra törekedtünk, ezért a magban csak a legszükségesebb funkciók futnak. A kamera mozgatása a párhuzamos port adatbitjei révén egy léptetőmotorral történik. Az adatok és képek egy Postgre SQL adatbázisban tárolódnak. A HUNVEYOR SZEREPE A FIZIKAOKTATÁSBAN A különböző érzékelők működésének megértése és kalibrálása, valamint a saját elképzelésen alapuló detektor vagy mérőműszer készítése az a pont, ahol a diákok fizikai ismereteinek elmélyítésére nyílik lehetőség. Ha egy diák valamit meg akar mérni, vagy arra mérőeszközt akar építeni, akkor annak a fizikáját alaposan meg kell ismernie. Ennyiben több, egyben más minőség a HUNVEYOR, mint szimpla fizikaóra, öntevékenységre, önképzésre serkent. Illusztrációként álljon itt néhány példa! A hőmérsékletmérés egyszerűnek tűnik, de itt foglalkozni kell a detektor nemlinearitásával, valamint azzal, hogy a mérőműszer hogyan befolyásolja a mérni kívánt mennyiséget. A légnyomás mérés maga után vonja a saját súlya alatt összepréselődő gáz nyomásának magasságtól és áramlási sebességétől való függésének megismerését. A zajszint mérés az akusztikára, a hallás fizikájára és a környezetvédelmi kérdésekre irányítja a figyelmet. A rianások detektálására kidolgozott saját készítésű rezgésérzékelő a piezoelektromosságot használja fel a mechanikai mozgás elektromos jellé való átalakítására. A kapcsolódó további fizikai fogalmak pl. a saját frekvencia, rezonancia, csillapítás, amit bonyolít a gerjesztés sajátos módja. A félvezető alapú fénydetektorok a LED-ek és a lézer a szilárdtestfizikai vonatkozásokat hoznak elő. Csak felsorolás jelleggel utalok itt a detektorok háromféle üzemmódjára, a termikus hatásokra, a félvezetők sávelméletére, a LED-ekben az elektron-lyuk rekombinációt látjuk világítani, ugyanakkor sávérzékeny detektorokként is használhatók, amit a spektrális fényerősség mérő demonstrál. A zöld lézert tartalmazó pordetektor alkalmas a populáció inverzióban megvalósuló kvantumerősítés és annak hőmérsékletfüggésének, valamint a nemlineáris jelenségek (esetünkben a BBO kristályon való frekvenciakétszerezés)
338
Fizika – Modern fizika megtárgyalására, maga a mérés pedig a gyenge jelek mérésekor fellépő zajok (Johnson-, sörét-, foton- 1/f és sötétzaj) és lehetséges csökkentésük tanulmányozására, magáról a fénynek a különféle szóródási mechanizmusairól és reflexiójáról nem is beszélve. MÉRÉSEK A SZONDÁVAL A szonda működését a diákok épületen belül és terepen, többnyire normál környezeti feltételek között vizsgálták. A szélsebesség mérő már a 0,5 km/h szelet is érzékeli, ami azt jelenti, hogy akár kézben tartva, a szobában sétálva is forogni kezd az anemométer. Nagyobb sebességeknél viselkedését egy személyautó tetejére rögzítve vizsgálták. A webkamera és mozgató szerkezete az elképzelésnek megfelelően működik. A LED spektrométer, dacára egyszerűségének, érdekes eredményt hozott. Többféle fehér anyagot (mint pl. műanyag, papírlap, vatta, liszt, porcukor, gipsz, stb.) vizsgáltunk. A kapott színképek jellegzetes különbségeket mutattak. Referenciának a gipszet tekintettük (3. ábra). 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 k pa ku ag ny a u m
so tim
ko viz
or uk rc po
tta va
p r la he fe
zt lis
sz gip
el oc ar ng hu
l
3. ábra Különféle fehér anyag LED spektrométerrel nyert összehasonlító „színképe” A diagram színei (kék, zöld, sárga és piros) a megvilágító LED színének felelnek meg, míg az ibolya az infra LED-re kapott jel nagyságát mutatja . A szondát különböző földi analóg terepeken is működtettük (4. ábra). [7,8]
4. ábra A HUNVEYOR-4 Marsi analóg terepen (balra) és a távoli rádiókommunikáció vizsgálata (jobbra) KONKLÚZIÓK A HUNVEYOR projekt messze több mint pusztán egy űrszonda modell építése. Fontos szerepet tölt be a fizika oktatása terén is. A projekt évek óta sikeresen folyik Magyarország különböző oktatási intézményeiben, melyek száma a különféle információs csatornákon való megjelenésnek és toborzásnak köszönhetően egyre nő. [11] A Google-al rákeresve a „Hunveyor”kifejezésre, több mint 82 ezer találatot kapunk. További, jelen összefoglalónál részletesebb információk találhatók a Wikipédián [9] és számos szervezet, mint pl. az ELTE TTK/MTA Kozmikus anyagokat vizsgáló űrkutató csoport honlapján [10]. A népszerűsítésnek köszönhetően sok diák tartja a HUNVEYOR-t érdekesnek és érdemesnek arra, hogy ilyen módon gyakorlati tapasztalatokra tegyen szert, vagyis a projekt elérte célját.
339
Fizika – Modern fizika IRODALOM 1. Berczi, S., Hegyi, S., Hudoba, G., Hargitai, H., Kokany, A., Drommer, B.: Educational space probe model system of lander (Hunveyor), rover (Husar) and test-terrain for planetary science education and analog studies in universities and colleges of Hungary, European Planetary Science Congress 2006. Berlin, Germany, 18 - 22 September 2006., p.512 http://adsabs.harvard.edu/full/2006epsc.conf..512B 2. Bérczi Sz., Drommer B., Hegyi S., Hudoba Gy. (2006): Informatika tanítása űrszonda modellel. Iskolakultúra, 2006/9, 83-91. o. 3. Bérczi Sz., Hegyi S., Hudoba Gy.,: A HUNVEYOR gyakorló űrszonda modell sokoldaú fölhasználása a fizika tanításában és tantárgyi kapcsolatokban Fizikai Szemle 2008/2. 55.o. 4. Bérczi Sz., Hegyi S., Hudoba Gy., Lang Á., Magyar I.: A sokhasznú HUNVEYOR az oktatásban in: Fizikatanítás tartalmasan és érdekesen, Magyarul tanító fizikatanárok nemzetközi konferenciája, Előadáskivonatok, szerk:Juhász A., Tél T. 263-268.o, ELTE Fizika Doktori Iskola, Bp., 2010, ISBN: 978-963-284-150-2 5. Hudoba, Gy., Sasvári G., Kerese P., Kiss Sz., Bérczi Sz.: HUNVEYOR-4 construction at Kando Kalman Engineering Faculty of Budapest Polytechnic, Szekesfehervar, HUNGARY, LPSC XXXIV, #1543, LPI, Houston, USA (2003) http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2003/pdf/1543.pdf 6. Hudoba Gy., Balogh Z., Sáfár A., Bérczi Sz.: Constructing HUNVEYOR-4: the Educational Space Probe SAMI 2006, 4th Slovakian-Hungarian Joint Symposium on Applied Machine Intelligence http://www.bmf.hu/conferences/sami2006/Hudoba.pdf 7. Hudoba Gy., Kovács Zs. I., Pintér A., Földi T., Hegyi S., Tóth Sz., Roskó F., Bérczi Sz.: New experiments (in meteorology, aerosols, soil moisture and ice) on the new Hunveyor educational planetary landers of universities and colleges in Hungary. 35th LPSC, #1572, LPI, Houston,USA (2004) http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2004/pdf/1572.pdf 8. Bérczi Sz., Hegyi S., Hudoba Gy., Józsa S.:Magyarországi kirándulások a Holdon és a Marson, A Földgömb, 2009/7. 64.o. 9. http://hu.wikipedia.org/wiki/Hunveyor 10. http://planetologia.elte.hu/1cikkek.phtml?cim=hunveyor.html 11. http://planetologia.elte.hu/1cikkek.phtml?cim=1huncsoportok.html
340
