Környezetfizika
ÉPÍTSÜNK ŰRSZONDÁT! - FIZIKATANÍTÁS ÉRDEKESEN Hudoba György Óbudai Egyetem, Alba Regia Egyetemi Központ, Székesfehérvár,
[email protected], az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója ÖSSZEFOGLALÁS Egy űrszonda modell építése gyakorlati, tevékenység orientált oktatást tesz lehetővé, mely során az építésben részt vevő diákok összehangolt technológiák láncolatán keresztül a természetudomány számos területével együttesen találkoznak. A cikk bemutatja az oktatási célú kísérleti űrszondamodell építő program szerepét a fizikaoktatásban. BEVEZETÉS A 20. század hatalmas technikai fejlődést hozott, így korunkat hol atom-, hol űrkorszaknak is szokták nevezni. Az eredetileg katonai célra kifejlesztett eszközök és technológiák átszivárogtak a civil szférába (pl. számítógép, okostelefon, mikrohullámú sütő, GPS, MRI, CAT,…), aminek köszönhetően mindennapi életünk teljesen átformálódott, kényelmesebbé vált. Az eredmények továbbviteléhez, a fejlődés fenntartásához és megújulásához a lassan kiöregedő korosztálytól a fiataloknak fokozatosan át kell venniük a stafétabotot. A 21. századba lépve napjainkban viszont azt tapasztaljuk, hogy a korábbi lelkesedés lelohadt, a mérnöki és kutatói életpályák iránti érdeklődés vészesen csökken, a fiatalok hátat fordítanak a műszaki és a természettudományi szakoknak, amire az elhibázott, folyamatos tantervi módosítások még rá is dupláznak. A fent vázolt problémák orvoslására ad egyfajta választ a 15-től 21 éves korosztály számára meghirdetett kísérleti, gyakorló űrszonda építési program, összefoglaló nevén a HUNVEYOR-projekt. A KÍSÉRLETI, GYAKORLÓ ŰRSZONDA ÉPÍTŐ PROGRAM ÉS CÉLJAI A kísérleti gyakorló űrszonda építési program a HUNVEYOR elnevezést kapta, amely a „Hungarian UNiversity SurVEYOR‖ megnevezésből alkotott mozaikszó. Az első két tag jelentése magától értetődő, az utolsó tag pedig azt jelzi, hogy mintául az ember Holdra szállását előkészítő amerikai SURVEYOR-7 holdkutató robot szolgált. Az űrszonda építés alapgondolata az ELTE-n született meg 1997-ben. A programhoz Pécs és Szombathely után Székesfehérvár 2001-ben negyedikként csatlakozott, így űrszonda modellünk a 4-es indexet kapta. A továbbiakban többnyire a HUNVEYOR-4 kísérleti, gyakorló űrszonda építő programra szorítkozunk. „A Föld környezetét végleg elhagyó űreszközöket űrszondáknak, vagy bolygóközi szondáknak nevezzük. Céljuk a Naprendszer égitestjeinek megközelítése és helyszíni vizsgálata, illetve a bolygóközi tér tanulmányozása.‖[1] Természetesen senki nem gondolhatja komolyan, hogy a HUNVEYOR-4 elhagyja a Földet. Nem is az a célja, mint azt a „gyakorló‖ jelző is mutatja. A HUNVEYOR-4 project valódi célja az, hogy a hallgatókat bevonja az Intézetben folyó tudományos kutató és fejlesztő munkába, valamint hosszú távon értelmes, hangulatos és vonzó keretet biztosítson, az ún. project, TDK és diplomamunkáknak. Célja, hogy a hallgatók gyakorlatot szerezzenek a
229
Környezetfizika mérnöki tervező munkában, szervezésben és kivitelezésben, ismerkedjenek meg a legújabb, korszerű technikákkal és technológiákkal, gyakorlatot szerezzenek a "team-munkában". Az egyes működő modulokkal ellátott szondával a tanulók kísérleteket, komplex adatgyűjtést, s planetáris analóg helyszíneken terepgyakorlatokat végezhetnek. Az nem célunk, hogy egy kész, befejezett űrszonda álljon elő. Maga az építés, a mérnöki feladatmegoldó tevékenység gyakorlása illetve gyakoroltatása a cél, akár a már meglevő egységek esetleges ismételt újratervezése és megépítése révén, követve a műszaki fejlődést, a folyamatosan megjelenő újabb és újabb technikákat és technológiákat, nem felejtve el mindennek az alapját, a fizikai jelenségek és törvényszerűségek mélyebb megismerését és ezen ismeretek megszilárdítását. A HUNVEYOR kísérleti, gyakorló űrszonda modell összetett robotikai oktatási eszköz, melynek tervezése, építése és használata felvonultatja a különböző anyagokat, eszközöket, mérési és informatikai technológiákat. A projekt a tudomány számos területét integrálja, mint például a fizikát, elektronikát, számítógépes alkalmazás- és web-programozást, modellezést, vagy akár animációk készítését. A szonda laboratóriumi és planetáris analóg terepgyakorlatok során végzett tesztelése és használata, mint pl. hőmérséklet, szélsebesség, szélirány, besugárzás monitorozása, szálló por mágneses anyag tartalmának vizsgálata, talaj pH mérés, … stb. a fizikai környezet jobb megismerését célozza. A valódi, komplex szituációkat, nem csupán a laboratóriumi, lecsupaszított, „steril‖ fizikát. AZ ŰRSZONDA MODELL STRUKTÚRÁLIS FELÉPÍTÉSE A HUNVEYOR-4 egy Internet felől elérhető és azon keresztül kezelhető mérési adatgyűjtő robotszonda.
1. ábra. A HUNVEYOR-4 struktúrája.
230
Környezetfizika A kezelő a böngészőjével felkapcsolódik az Internetre, és kapcsolatot teremt az ún. „Földi Irányító Központ‖-tal, amely az intézmény szerverén fut. Itt kapott helyet a Postgre SQL adatbázis is, mivel a szonda erőforrásai korlátozottak. A Földi Irányító Központ egy XML/RPC protokollon keresztül lép kapcsolatba magával a HUNVEYOR-4-el, mely egy Debian linux operációs rendszer alatt fut. Az XML/RPC protokollt megvalósító programot (szervert) mindkét oldalra már a hallgatók írták. A parancs formátuma szabványosított:
2. ábra. Az XML/RPC parancsok szabványosított formája. Az ábrán szereplő rövidítések: 1.
ADDR - a kiválasztott egység címe
2.
LG
- parancshossz (a DI mezőtől kezdődően)
3.
DI
- eszköz azonosító (Device Identifier)
4.
RESP - ha 0, csak hallgató, ha 1, válasz szükséges
5.
CMD - parancskód
6.
DATA - adatmező (az LG mezőben meghatározott hosszon)
Az űrszondán az EMU-val (Environment Monitoring Unit) jelölt műszercsoport a szonda és környezetének fizikai paramétereit mérő eszközök, melyek a szabvány I2C műszer interfészre vannak felfűzve. Ilyen mérési adatok pl. a hőmérséklet, légnyomás, páratartalom, a gázelemző szonda adatai, szélirány és szélsebesség, megvilágítottság és annak spektrális összetétele, környezeti zajszint, szálló por mérése, részecske/gamma sugárzás (beütésszám), villámdetektor és a három láb végén elhelyezett rezgésmérők adatai. A szondán elhelyezett webkamerák felhasználói parancsra körbe forgathatók. A kamerák léptetőmotorjainak, valamint egyéb eszközök (pl. LED spektrométer, jelzőfények, .. stb.) vezérlése a párhuzamos port bitjeinek segítségével történik. A HUSAR (Hungarian University Surface Analyzer Rower) elnevezés egy rádió távirányítású, markoló karral ellátott talajminta gyűjtő kiskocsit takar. AZ ŰRSZONDA MODELL ÉPÍTÉS SZEREPE A FIZIKAOKTATÁSBAN A HUNVEYOR projekt számos lehetőséget nyújt a fizikai ismeretek megszerzésére és elmélyítésére. Kezdhetjük rögtön azzal, hogy ha valamilyen mennyiség (hőmérséklet, szélsebesség, … stb.) mérésére mérőeszközt kell tervezni, először is alaposan meg kell ismerni a mérendő mennyiséget. A konkrét eszköz megépítése során a komplexitásból fakadóan elkerülhetetlenül olyan újabb és újabb problémák lépnek fel, melyek megoldása további fizikai ismeretek elsajátítását igényli. A következőkben kiragadunk néhányat a szonda építőelemei közül, s csupán vázlatszerűen felsorolunk néhány, a fizikával kapcsolatos fogalmat vagy jelenséget mellyel a diák ezen építőelem kapcsán szembesül. A mérőeszközök egy részét a diákok készítették, más esetben vásárolt szenzort vagy kész eszközt illesztettek a rendszerbe. A fizikával való találkozás ilyen esetekben az egyes mérőeszközök bemérése, hitelesítése, kalibrálása során, valamint a fentiekben felsorolt eszközök mérési adatainak elemzése, kiértékelése révén valósult meg.
231
Környezetfizika A szonda fémváza:
3. ábra. A szonda aluminiumból kézült váza. Kapcsolódó fizikai fogalmak: erők, vektorok, stabilitás, állásszilárdság, nyomás, húzónyomó, nyíró feszültség, makroszkópikus anyagi állandók, hőtágulás, rezgések „Szélkakas”:
4. ábra A szélirány és szélsebesség mérő egység Kapcsolódó fizikai fogalmak: hőmérséklet és mérési módszerei ,légáramlás – lamináris és turbulens, szélsebesség és szélirány mérése, légnyomás – tengerszinten és magasságfüggése Pascal és Bernoulli törvénye, besugárzás és a sugárzás spektrális összetétele, villámdetektálás, elektrosztatika és elektromágnese hullámok Webkamera:
5. ábra. A forgatható webkamera. Kapcsolódó fizikai fogalmak: optika: geometriai és hullámoptika, leképezés és leképezési hibák, a fény detektálása, a fény és anyag kölcsönhatása, a fény kvantumos tulajdonsága fotonelmélet, a CCD működési elve
232
Környezetfizika LED-spektrométer:
6. ábra. Különböző színű LED-ekből, mint fényforrásokból és egy detektorból álló spektrométer. Kapcsolódó fizikai fogalmak: az elektromágneses spektrum, az anyagok spektrális tulajdonságai, abszorpció, transzmisszió, reflexió, a félvezetők fizikája: a félvezetők sávmodellje, elektronok és lyukak, P és N típusú félvezetők, PN-átmenet, elektron-lyuk rekombináció, fényemittáló diódák (LED-ek) 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00
ll ce ar o
gi ps
zt lis
z
hu ng
fe h
er
la p
tta va
po rc
uk
or
o zk vi
so tim
m
ua ny
ag ku
pa
k
0,00
7. ábra. A LED spekrométerrel felvett néhány, az emberi szem számára egyaránt fehérnek látszó anyag spektruma. Részecskesugárzás detektor:
8. ábra. Az I2C buszra illesztett, kereskedelmi forgalomban vásárolt sugárzásdetektor. Kapcsolódó fizikai fogalmak: elektromágneses és részecske sugárzás, kozmikus sugárzás, radioaktivitás, bomlástörvény, felezési idő, radioaktív kormeghatározás, elemi részecskék és kutatásuk (CERN), sugárvédelem
233
Környezetfizika Egyebek (terepi és űrbéli működés feltételei):
9. ábra. A Hunveyor-4 tart a célja felé (fantáziakép). Kapcsolódó fizikai fogalmak: energiaellátás és energiagazdálkodás: egy feszültségről (12V) való működés, feszültségforrás: akkumulátor/napelem, hűtés, hődisszipáció, mozgó alkatrészek nélküli megvalósítás, rázásállóság, hordozhatóság, távirányítás, rádiós kommunikáció, mérések: adatgyűjtés és adattovábbítás, mérési hibák, hibaszámítás, statisztikák, mérési eredmények kiértékelése ÖSSZEFOGLALÁS Már a fenti vázlatos felsorolásból is nyilvánvaló, hogy a HUNVEYOR gyakorló űrszonda modell rendszer számos olyan természettudományos kutatási és műszerépítési területet összekapcsol, amelyek külön-külön nem rendelkeznek olyan vonzerővel, mint az egységes egésszé megépített robot-együttes. A HUNVEYOR összehangolt technológiák láncolata, szövete. Hosszú távon lehetővé teszi a természettudományok, mindenek előtt a fizika, az elektronika, a számítástechnika és a robottechnika együttes oktatását és kutatási területekkel való összehangolását. A HUNVEYOR gyakorló űrszonda modell építése egy új, gyakorlati, tevékenységorientált oktatási és tantárgypedagógiai formát kínál fel a környezettudomány-/fizika/földtudományok-/matematika-/informatika-/elektronika oktatására. A gyakorló űrszonda modellen végzett munka rendszerszemléletre nevel, ugyanakkor mások munkájára való építésre, mások munkájának megbecsülésére, kooperatív munkamódszerekre is ösztönöz. A bemutatott oktatási forma további előnye, hogy a munkavégzés a projekt vezető (tanár) és diák közötti egyenrangú partneri kapcsolat formájában valósul meg, felszabadítva ezzel a diák alkotó fantáziáját és munkakedvét, a gúzsba kötő alá/fölérendeltségi viszonyból fakadó állandó feszültség alól. Összefoglalásként elmondható, hogy a HUNVEYOR projekt már több mint tíz éve sikeresen folyik, az űrszondát a projektvezető útmutatása és aktív segítsége mellett, teljesen a diákok építik. A HUNVEYOR-4 építése során eddig 12 diplomamunka készült, az egyes megoldások konkrét részletei ezekben olvashatók. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A konferencián való részvételt a „TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0030 – Önálló lépések a tudomány területén‖ c. pályázat támogatása tette lehetővé. IRODALOMJEGYZÉK 1. SH atlasz, Űrtan, 13. o., szerkesztők: Almár I.-Both E.-Horváth A.-Szabó Gy., Springer Hungarica, Bp. 1966. ISBN 963 845582 9
234
