Embed Size (px)
Citation preview
Környezetfizika
229
ÉPÍTSÜNK ŰRSZONDÁT! - FIZIKATANÍTÁS ÉRDEKESEN
Hudoba György Óbudai Egyetem, Alba Regia Egyetemi Központ, Székesfehérvár,
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
Környezetfizika
230
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.
Környezetfizika
231
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.
Környezetfizika
232
A szonda fémváza:
3. ábra. A szonda aluminiumból kézült váza.
Kapcsolódó fizikai fogalmak: erők, vektorok, stabilitás, állásszilárdság, nyomás, húzó-
nyomó, 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
Környezetfizika
233
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)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
muan
yagk
upak
timso
vizk
o
porcu
kor
vatta
feher
lap
liszt
gipsz
hungar
ocell
7. ábra. A LED spekrométerrel felvett néhány, az emberi szem számára egyaránt fehérnek
látszó anyag spektruma.
Részecskesugárzás detektor:
8. ábra. Az I
2C 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
Környezetfizika
234
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
