UT-2020 Projekt Lezárult

Magaslégköri radioaktivitás és porszennyezés kutatása sztratoszférikus ballonkísérletekkel

UT-2020-0015 - Kaposvári Táncsics Mihály Gimnázium - Papp Zsombor 12/F, Gadácsi Brendon Márk 12/F - Mentortanár: Vámosi László - Szakmai Mentorok: Dr. Hegedűs Tibor (Bajai Obszervatórium Alapítvány), Mosoni László (SEFAG Zrt. Zselici Csillagpark), Vámosi Flórián, Vámosi Kornél Miksa (Táncsicsos Öregdiákok)

Az egyik felbocsátás előkészületei. Fotó: Ágoston Zsolt, VCSE

A program lényege, hogy magaslégköri ballonkísérletek segítségével nyerjünk fizikai és légköri adatokat, melynek elemzésével képet kapjunk a magaslégkör sugárzási, hőmérsékleti és légnyomás adatairól, valamint fotókat és videofelvételeket készítsünk a földfelszínről további elemzések céljából.

A Meteorológiai Ballonokkal történő kutatásról

Tanulóink 5 éve foglalkoznak csillagászati, űrkutatási, 2 éve sztratoszférikus mérésekkel. Első ballonunkat 2019 nyarán indítottuk a Vega Csillagászati Egyesülettel együttműködve. Csillagászati és sztratoszférikus kutatásaink során dr. Hegedüs Tibor csillagász, a Szegedi Tudományegyetem Bajai Obszervatóriumának vezetője nyújtott segítséget és a jelenlegi projektünkben is vele fogunk együtt dolgozni.

A Bajai obszervatórium nagy tapasztalattal rendelkezik a magaslégköri kutatások és a rádiós követés terén is. Támogatást nyújtottak eddigi sikeres TUDOK és Innovációs Versenyek terén is. Az elmúlt néhány évben elérhetővé váltak a szükséges eszközök és szenzorok is. Diákjaink nagy tapasztalattal rendelkeznek különböző tudományos mérések, adatgyűjtések programozásában, adatok feldolgozásában. A ballonkísérletek több céllal is elvégezhetők. Egyik cél az élményszerzés, hogy mérőeszközöket juttatunk fel a világűr határára és video és fényképfelvételeket készíttetek a kamerával rendelkező eszközökkel. A másik cél a kutatás tudományos jelentősége, hiszen ezt a területet jelenleg kevesen kutatják, ígéretes, publikálható eredmények várhatóak. Az idén elvégzett repülésünk során gyűjtött adatokra is komoly tudományos érdeklődés mutatkozik. Középiskolásként kevesen dolgoznak még ilyen projekteken.A korábban véltnél sokkal több a radioaktív részecske a légkör sztratoszférának nevezett felsőbb rétegében a kísérleti atomrobbantások miatt. A plutóniumizotópok több mint ötven éven át lebegtek 15-50 kilométerrel a földfelszín fölött, de egy-egy vulkánkitörés miatt visszahullnak. Ez a lényege a Nature Communications folyóiratban most megjelent tanulmánynak, amelynek vezető szerzője dr. Jose Corcho Alvarado, a Lausanne-i Egyetemi Kórház részecskefizikai intézetének munkatársa.

Az atomfegyvereket 1945 és 1998 között föld alatti, víz alatti és magaslégköri robbantásokkal tesztelték, ez utóbbiak pedig az 1950-es évektől az 1970-es évekig tartottak. Az így keletkezett nukleáris hulladék rátapadt a levegőben lebegő részecskékre, az aeroszolokra, és ugyanez történt az után is, miután a SNAP-9a amerikai atommeghajtású műhold 1964-ben elégett. A sugárzó részecskék a légkör legalsó, 17 kilométeres magasságig terjedő rétegében, a troposzférában néhány hét vagy hónap alatt kimosódnak, és a svájci kutatók abból indultak ki, hogy a sztratoszférában is csak elhanyagolható mennyiség fordul elő belőlük. Ezt cáfolta meg a mostani kutatás, mely azokat a levegőmintákat értékelte, amelyeket a svájci légierő repülői gyűjtöttek össze 1970 óta a légkör felsőbb rétegeiből. Eredményeik azt bizonyították, hogy a plutónium és a cézium a korábban véltnél sokkal tovább marad a sztratoszférában: 2,5-5 év helyett akár évtizedekig, sőt évszázadokig is. A sztratoszférában 1000-1500-szor nagyobb koncentrációkat mértek a sugárzó részecskékből, mint a légkör legalsó rétegében.

A radioaktív részecskék azonban nem veszélyeztetik az egészséget: a sztratoszférában előforduló mennyiségük sokkal kevesebb, mint amennyit a talaj közelében az 1960-as és 1970-es években mértek. Az alsó légréteg és a sztratoszféra között, mintegy 15 kilométer magasságban található átmeneti réteg, a tropopauza általában hatékonyan zárja le útjukat a legalsó légréteg felé. Nagy erejű vulkánkitörések azonban átszakíthatják ezt az átmeneti réteget, és egészen a sztratoszféra magasságáig lövellhetik fel a hamut. A kutatók most felfedezték, hogy így a radioaktív részecskék behatolhatnak az alsó légrétegbe. Az adatok azt mutatták, az izlandi Eyjafjallajökull tűzhányó 2010-es kitörésekor hirtelen a korábbinál sokkal több plutónium került az alsó légrétegbe. Mivel ez nyilvánvalóan a korábbi atomkísérletekből eredt, csak a sztratoszférából szállhatott alá. Kutatásunk során szeretnénk egy porcsapdát is alkalmazni és begyűjteni későbbi analitikai vizsgálatokra a magaslégköri port. Vélelmezzük, hogy a robbantások mellett a Csernobilból származó magaslégköri radioaktív felhő is jelen van, mérhető aktivitással. Kutatásunk befejezésével az eredmények feldolgozását, analitikai elemzését világszínvonalú műszerekkel ellátott természettudományos laborunkban tervezzük.

Hipotézis

A földfelszíntől a magaslégkör felé haladva, a repülőgépek által is használt 5-20km között légtérben növekszik az ionizáló háttérsugárzás, mely korábbi atomrobbantások, a csernobili katasztrófa bekövetkezése során került a sztratoszférába.

Elvégzett Mérések, Módszerek

Terveztünk dozimetriás méréseket, elektromágnes háttérsugárzás mérést a magaslégkörben a SMOG-1 magyar pikoműholdhoz hasonlóan. Emellett időjárási adatok mérését, felhők 3D felvételen történő megjelenítését és magaslégköri por elemzését tűztük ki célul. Ezek a felhők sztereografikus 3D megjelenítését kivéve megtörténtek.

A kísérlet menete

A méréseket két alkalommal egy-egy meteorológiai ballonra kötött szondával végeztük el. A ballon a levegőnél könnyebb gázzal került megtöltésre és a gyártó által megadott specifikáció szerinti tömegű szonda kerül rákasztásra. A ballon a szondát a sztratoszférába emeli, a csökkenő légköri nyomás miatt közben a töltőgáz tágul majd, amikor a ballon anyaga már nem tud tovább tágulni, az eldurran a szondát egy egység leválasztja, a kötélzeten található ejtőernyő által lassítva a felszínre zuhan, majd a rádiós követés alapján a szonda begyűjtésre kerül és az adatok kinyerhetők. A program során két indítást terveztünk, a szükséges mérési pontosság eléréséhez. Mindkét indítást 2000 grammos ballonnal végeztük, melynek maximálisan elérhető átlagos durranási magassága 38 km. Egyik alkalommal 21, másodjára 36 kilométert sikerült elérni. Első alkalommal szándékosan túltöltöttük a ballont, mivel az az indítás helyszínéről a Balatonba esett volna, ami a rakomány sérülésének esélyét hordozta magával.

A szonda

A szonda egy hegesztett hungarocell dobozban helyet foglaló, mérő- és kommunikációs eszközökből és ezek tápellátását biztosító akkumulátorokból áll. Úgy került összeállításra, hogy a magaslégkörben akár -40 °C-os hideget is kibírjon a felszerelés. A mérésekhez különböző szenzorokat, egy saját építésű és egy professzionális dozimétert, több kamerát, a kommunikációhoz pedig a FlexTrak Raspberry Pi kit-et tartalmazza. A szenzorokat és az egyik kamerát is a Raspberry Pi Zero vezérli. A megtalálás esélyeit egy meghibásodás esetén növeli, hogy egy meglévő GSM hálózaton működő követőt is helyezünk a szondába.

Indítás

Az indítás előtt az eszközök bekapcsolásra-, és a szonda gondosan lezárásra kerülnek. Ezután a kötélzet és az arra kötött ejtőernyő rögzítésre kerülnek a szonda tetejéhez. A ballon töltését óvatosan, pamutkesztyűben egy puha plédre való kiterítés után megkezdjük, ez akár 10 percig is tarthat. Amikor a töltés befejeződött, a ballon szára bekötésre kerül és a kioldószerkezettel rögzítjük egymáshoz az ejtőernyő tetején és a ballonon található zsinórt.A követés az eszközök bekapcsolásakor indul, az előzetesen egy autó tetején elhelyezett antennával, amely egy laptopba dugott SDR vevőegységen keresztül veszi a szonda jeleit. A töltés és megkötözés után ellenőrizzük, hogy a szonda rádiójeleit a megfelelő LoRa és APRS csatornákon vesszük és dekódoljuk. Ezután a visszaszámlálás és elengedés következik.

Követés

Amint elengedtük a ballont, a követő és begyűjtő csapat autóba ül, és a tetejére erősített antenna segítségével folyamatosan veszi a szonda jeleit, a modellek által előre jelzett landolási helyszín felé tartva. Amint a mobilhálózatok működési magasságába zuhan a szonda, a GSM követőt is elkezdjük hívni. Ez amellett, hogy tartalék, egy esetleges rövidhullámú rádiót árnyékoló akadály, pl. dombok jelenléte miatt is fontos.

Begyűjtés

Ha a terep adottságai megfelelőek, akkor láthatjuk a szondát landolni, ha pedig nem érünk időben a helyszínre, mert pl. erdőbe esik, akkor a GSM tracker által megadott koordinátákat követjük. Sajnos az első alkalommal erdőbe esett a szonda, de másodszorra láthattuk ahogyan egy kert végébe lepottyan a szonda.

Adatok Feldolgozása, elemzése

A digitálisan mért adatokat grafikus megjelenítés és elemzés segítségével értékeljük ki. Ehhez a MS Excel programcsomag mellet Pythonban is rajzolunk grafikonokat. A porcsapdába befogott port analitikai elemzéssel vizsgáljuk az iskola laboratóriumában. A sztereó képek összeillesztése és a további képek feldolgozása a GIMP szoftvercsomaggal történik.

Pedagógiai eredmények

Diákjaink példáját újabb érdeklődő természettudományos-műszaki beállítottságú diákok követik, ami az eddigi években is jellemző volt, emellett pontos, precíz munkára nevelnek a kiadott feladatok. Olyan interdiszciplináris pedagógiai hozzáadott érték keletkezik, melyet tantermi körülmények között csak nagyon lassan, vagy egyáltalán nem lehet elsajátítani. Példamutató lehet minden diákunk előtt az elért eredmény, illetve a nyilvános felbocsátáson bármelyik táncsicsos diák részt vehet.

Projekt eredményeinek hasznosulása

A projekt eredményeit további kutatásokhoz, elemzésekhez és projektekhez nyújthat eredményeket, melyeket megosztunk az érdeklődő diákjainkkal is. Emellett értékes információkhoz juthatunk az időjárás és klímakutatás, az erdőtüzek vizsgálatának területén is.

Két a projekttel kapcsolatos előadás szerepelt a H-Space 2022 konferencián és jelent meg mint publikáció.

A publikációk elérhetők: https://drive.google.com/file/d/1IXoHNcwZv-bUtlTBd-GJo_EUGQzeKtRg/view?usp=sharing

A projekt várható társadalmi-gazdasági hasznosulása

A projekt egy kiemelten tehetséggondozással foglalkozó gimnázium keretei között zajlik, mely intézmény széles körű, regionális szintű kapcsolatrendszerrel rendelkezik. Ezen eredményeink után felsőbb éves diákjaink is motiváltabban állnak neki a felvételi folyamatnak, hiszen a megalapított szakkörünkben részt vehetnek és olyan kutatási projektben vehetnek részt, amely arra inspirálja őket, hogy keményen tanuljanak és a gazdasági élet számára kiváló szakember váljon belőlük.