A HUNVEYOR-4 GYAKORLÓ ŰRSZONDA ÉPÍTÉSE BUILDING THE HUNVEYOR-4 EDUCATIONAL SPACE PROBE Hudoba György 1, Bérczi Szaniszló 2 1 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
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
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
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 muanyagkupak timso vizko porcukor vatta feher lap liszt gipsz hungarocell 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
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