Bouw je eigen radio-telescoop Teach article

Vertaald door Dave Lommen. Sterrenkundigen gebruiken gigantische radidotelescopen om zwarte gaten en verre sterrenstelsels waar te nemen. Waarom niet zelf een kleinere radiotelescoop bouwen om objecten dichter bij huis waar te nemen?

Radiogolven waarnemen –
een van de gigantische
antennes van ALMA, het
grootste astronomie-
project op aarde dat
bestaat

Figuur met dank aan Iztok
Bončina / ALMA (ESO /
NAOJ / NRAO)

Wanneer sterrenkundigen de hemel bestuderen, kijken ze niet alleen naar sterlicht. Sterren, planeten en nevels schijnen over het hele elektromagnetische spectrum en het licht dat het menselijk ook kan zien is daar maar een klein deel van.

Radiotelescopen nemen de hemel waar in golflengten die duizenden tot miljoenen malen langer zijn dan die van zichtbaar licht. De enorme antennes die wetenschappers hebben gebouwd om deze golflengten waar te nemen zijn iconen van moderne technologie geworden. De Arecibo-radiotelescoop, die zo groot is dat hij is gebouwd in een komvormige vallei in Puerto Rico, is onmiddellijk herkenbaar van de James Bond-film GoldenEye, terwijl Jodrell Bank al meer dan vijftig jaar de horizon van Manchester in het Verenigd Koninkrijk domineert.

De resolutie van de beelden van een telescoop hangt af van de golflengte waarop deze waarneemt en van de diameter van zijn schijf. Hoe langer de golflengte, hoe slechter de resolutie; hoe groter de diameter, hoe beter de resolutie. Radiogolven hebben een vele grotere golflengte dan zichtbaar licht en dat is een van de redenen dat professionele radiotelescopen gigantisch zijn. Hun enorme formaat helpt ook om de zwakke straling van donkere en verre objecten waar te nemen. Desondanks is de basistechnologie achter radiotelescopen redelijk eenvoudig en met wat goedkoop materiaal en eenvoudig gereedschap is het redelijk eenvoudig om zelf een simpele maar functionele versie te bouwen.

Ik heb mijn radiotelescoop-ontwerp RYSIA genoemd (een meisjesnaam), oftewel RadiowyY Śliczny Instrument Astronomiczny – Pools voor ‘mooi radioastronomie-apparaat’. Met RYSIA kun je simpele waarnemingen doen aan objecten die sterk stralen in het radioregime. Daaronder vallen de Zon, onze eigen planeet en communicatiesatellieten zoals Hot Bird, Astra en Sirius.

Materialen

Figuur 1: Verwijder de
montering (A) aan de
achterkant van de
schotelantenne

Figuur met dank aan
Boguslaw Malański

Plaatselijke schroothopen, winkels die tweedehands telefoonmateriaal verkopen en online veilingsites zoals eBay zijn goeie plaatsen om de onderdelen te kopen die je nodig hebt.

  • Een schotelantenne

    Als je televisie kijkt, focusseert de schotelantenne de uitzendingen van de satelliet op de ontvanger. In je radiotelesccop zal de schotel eenzelfde doel hebben: het reflecteert de relatief zwakke radiogolven in de ontvanger. Ik adviseer om er een te nemen met een doorsnede van minstens 1 m. De schotel mag een primefocus- of een offset-schotel zijn. Een nieuwe schotel kost circa 100 zł (€24). Een gebruikte schotel kost niet meer dan 12-20 zł (€3-5). Je kunt ook op een schroothoop zoeken – daar heb ik de mijne gevonden.

    Als de schotel een montering heeft, verwijder deze dan (figuur 1), aangezien hij alleen maar gewicht toevoegt en het lastiger maakt om de schotel te bewegen. De medewerker in de winkel of bij de schroothoop wil hem waarschijnlijk graag voor je verwijderen. Laat de arm echter zitten.
     

  • Een Low Noise Block, oftewel LNB

    LNB’s zijn een essentiaal onderdeel van een satellietontvanger en zitten op de plaats waar de schijf binnenkomende golven focusseert. Wanneer we tv kijken, ontvangt en versterkt de LNB het signaal, verwijdert hij ongewilde frequenties en zet het signaal om in een lagere frequentie. In je radiotelescoop wordt de LNB de ontvanger die de radiogolven detecteert nadat ze gereflecteerd zijn door de schijf. Elk merk en model werkt, zelfs de goedkoopste. Een nieuwe ontvangstkop kost circa 40 zł (€10), maar tweedehands kunnen ze voor een fractie van de prijs gekocht worden.
     

  • Satelliet-signaalmeter (figuur 2)
    Figuur 2: Een satelliet-
    signaalmeter

    Figuur met dank aan
    Szymon Malański

    Deze vertelt ons of de LNB een signaal binnenkrijgt en als dat zo is, hoe sterk dit signaal is. Wees er zeker van dat je er een krijgt die geluid maakt als de antenne een sterk signaal oppikt: dat maakt het eenvoudiger om het apparaat voor een grote groep leerlingen te demonstreren, omdat iedereen het signaal kan horen. Verder moet de meter een naald of beeldscherm hebben dat je vertelt hoe sterk het signaal is, zodat je preciezere metingen kunt doen en verschillende waarnemingen kunt vergelijken. Neem afgezien daarvan het eenvoudigste en goedkoopste model dat je kunt vinden – dit onderdeel kost zo’n 20 zł (€5).
     

  • 3 m coaxkabel – 5-10 zł (€1-2)
     
  • 3 BNC (Bayonet-Neill-Concelman) connectors voor de coaxkabel – 60-120 gr (15-30 cent) per stuk. Kies indien mogelijk connectors die je kunt losschroeven, zodat je niet hoeft te solderen.
     
  • Een accu die 12 tot 18 V aan wisselspanning kan leveren.
    Figuur 3: Een krachtbron
    voor je radiotelescoop

    Figuur met dank aan
    Szymon Malański

    Ik heb een 12 V lood-zuur auto-accu gebruikt (figuur 3). Je kunt ook standaard AA batterijen in serie verbinden.

Je radiotelescoop bouwen

Als je eenmaal je materialen hebt, hoef je ze eigenlijk alleen nog maar in elkaar te passen.

  1. Plaats de LNB op de arm van de antenne, gebruikmakend van de bijgevoegde onderdelen (figuur 4).
  1. Snijdt de coaxkabel doormidden. Zet BNC connectors aan beide einden van een stuk kabel en aan een eind van de andere kabel (figuur 5).
  2. Neem de coaxkabel met twee connectors en steek een eind in de LNB en het andere eind in het contact met label ‘LNB’ of ‘satelliet’ op de satelliet-signaalmeter (figuur 6).
Figuur 5: Het verbinden van
de BNC connectors met de
coaxkabels

Figuur met dank aan
Szymon Malański
Figuur 6: Het verbinden van
de LNB met de satellite-
signaalmeter

Figuur met dank aan
Szymon Malański
Figuur 4: Het vastmaken
van de LNB op de
arm van de antenne

Figuur met dank aan
Szymon Malański
  1. Neem de coaxkabel met een connector en strip het andere eind van de kabel om het metalen hart en de koperen bescherming vrij te maken (figuur 7).
  2. Steek de connector aan die coaxkabel in het tweede contact van de signaalmeter (met label ‘power’ of ‘ontvanger’; figuur 8).
  3. Het andere eind van de kabel moet je nu verbinden met je krachtbron. Verbind de geweven koperen bescherming met de negatieve pool van je accu en het kart met de positieve pool (figuur 9).
Figuur 7: Hier zie je de
geweven bescherming
teruggevouwen over de
kabel. Het metalen hart
steekt uit de kabel

Figuur met dank aan
Szymon Malański
Figuur 9: Het verbinden van
de krachtbron

Figuur met dank aan
Szymon Malański
Figuur 8: Het aanzetten van
de signaalmeter en het
ontvangen van een
signaal van de LNB

Figuur met dank aan
Szymon Malański

Je hebt nu een simpele, draagbare radiotelescoop gebouwd die licht genoeg is om te vervoeren en met de hand op verschillende objecten te richten.

Je radiotelescoop verbinden.
A: de LNB, waarop de
radiogolven gefocusseerd
zullen worden; B: de satelliet
-signaalmeter; C: de
krachtbron

Figuur met dank aan
Szymon Malański

Als je nog een standaard wilt bouwen, dan moet je het vastmaken aan een object (zoals een zwaar statief) dat je zowel in azimuth (de horizontale richting waarop de telescoop gericht is) als in altitude (hoe hoog of hoe laag het gericht is) kunt aanpassen.

Activiteiten voor het gebruik van je radiotelescoop

Je hebt nu een radiotelescoop die werkt volgens dezelfde principes als de gigantische radiotelescopen die gebruikt worden om de vroegste dagen van het heelal te bestuderen en die straling van de verste sterrenstelsels ontvangen (zie Mignone & Pierce-Price, 2010). Alhoewel je veel kleinere telescoop geen verre sterren kan waarnemen, kun je hem wel gebruiken om aan je leerlingen te laten zien dat de zon en andere objecten niet alleen zichtbaar licht maar ook radiostraling uitzenden. Je kunt hem ook gebruiken om op een bewolkte dag de positie van de zon te vinden, om te laten zien dat het aardoppervlak radiostraling uitzendt en om satellieten te localiseren.

Als je een primefocus-schotel hebt gebruikt om je radiotelescoop te bouwen, dan moet je de as op het te observeren object richten. Heb je echter een offset-schotel gebruikt, dan moet je rekening houden met de hoek waaronder hij straling opvangt. De meeste fabricanten geven deze informatie niet, maar hij kan eenvoudig berekend worden (dit kan een extra taak voor de leerlingen zijn). In de praktijk geeft de arm van de schotel aan welke de LNB is verbonden de richting aan van waaruit het signaal wordt ontvangen (figuur 10).

Figuur 10. a) Vooraanzicht van de twee soorten schotels: primefocus- (1) en offset- (2) schotels, met de locatie van de LNB aangegeven (3)
b) Dwarsdoorsnede van een offset-schotel (links) en een primefocus-schotel (rechts), met de hellingshoek aangegeven (4)

Figuur met dank aan Szymon Malański

Het waarnemen van de zon

RYSIA gebruiken om op een
bewolkte dag de zon te
localiseren

Figuur met dank aan
Szymon Malański

De zon zendt straling van alle golflengten uit. Richt op een heldere dag je radiotelescoop eens op de zon en op een leeg stuk lucht. Vergelijk de waarnemingen. Herhaal het experiment op een bewolkte dag; de locatie van de zon kan gemakkelijk gevonden worden, ondanks de wolken. Vraag je leerlingen waarom ze denken dat zichtbaar licht wordt tegengehouden door de wolken, maar dat radiogolven er doorheen gaan.

Je kunt je leerlingen ook vragen hoe ze straling van de zon kunnen onderscheiden van straling afkomstig van een satelliet, met name omdat ze soms dicht bij elkaar aan de hemel staan. Het antwoord: het satellietsignaal is gepolariseerd (horizontaal of verticaal), wat niet het geval is voor straling afkomstig van de zon. Dus als je de schotel draait en het signaal wordt niet sterker of zwakker, dan is het signaal afkomstig van de zon.

Het waarnemen van de aarde

Objecten om ons heen, waaronder gebouwen, planten, mensen en zelfs de grond onder onze voeten, zenden radiostraling uit, gereflecteerd van de zon of de aarde. Probeer de signalen van verschillende objecten te vergelijken. Dankzij de geluidssignaal van de satelliet-signaalmeter zou je gemakkelijk de locatie van gebouwen en bomen om je heen moeten kunnen waarnemen, zelfs met een blinddoek om. Om er zeker van te zijn dat het signaal niet van de zon komt, moet je ervoor zorgen dat je bij deze experimenten de schijf van de zon af richt.

Warmte detecteren

De meeste sterrenkundige fenomenen zenden electromagnetische straling uit omdat ze heet zijn. Hoe hoger de temperatuur, des te korter de golflengte die ze kunnen produceren. Met een temperatuur van zo’n 5500 ºC zendt de zon veel zichtbaar licht, maar ook infrarood- en radiostraling uit. Koudere objecten kun je detectern met infrarood- of radiotelescopen. Je kunt dit demonstreren door je radiotelescoop te richten op een opwarmende kookplaat. Deze begint pas zichtbaar licht uit te stralen rond de 700 ºC, maar je telescoop zal al veel eerder de uitgezonden radiostraling detecteren.

Satellieten

We hebben deze simpele radiotelescoop gebouwd met technologie van satelliettelevisie, waarmee hij ook ruimteschepen kan detecteren. Professionele radiotelescopen doen dit ook some – de Parkes Telescoop in Australië werd gebruikt voor communicatie met de Apollo 11 tijdens diens missie naar de maanw1.

De bekendste communicatiesatellieten (t.w. Hot Bird, Astra en Sirius) beschrijven geostationaire banen rond de aarde, wat betekent dat ze niet langs de hemel bewegen en dat ze boven de evenaar hangen. Dat maakt dat ze gemakkelijk te vinen zijn. De Wolfram Alphaw2 database geeft de locatie van diverse satellieten.

Houd er rekening mee dat tijdens de nachteveningen in de lente en de herfst de zon boven de evenaar staat en dus de satellietontvangst kan storen als de zon en de satelliet in hetzelfde deel van de hemel staan. Wolfram Alpha heeft een kaart van de positie van de zon ten opzichte van een satelliet, zodat dit gemakkelijk te voorkomen is.

Figuur 11: In de zomer staat de zon boven de lijn die de locaties van geostationaire satellieten aangeeft. In de winter staat hij eronder
Figuur met dank aan Szymon Malański

Feedback

Heb je suggesties voor het verbeteren van de telescoop of voor verdere activiteiten, laat dan alsjeblieft een bericht achter aan het einde van het online artikelw3.

Bronvermelding

Onze radiotelescoop was geïnspireerd door een werkend model, gebouwd door Peter Kalberla, een sterrenkundige aan de Universiteit van Bonn, Duitsland, die hij in 2011 demonstreerde tijdens zijn cursus ‘Hands-On Universe: Connecting classrooms to the Milky Way’’w4 in het nabijgelegen Bad Münstereifel.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Author(s)

Boguslaw Malański is docent natuur- en sterrenkunde. Hij behaalde een natuurkundegraad aan de Universiteit van Łódź, Polen, en promoveerde aan dezelfde universiteit, waarna hij negen jaar werkte als universitair docent natuurkunde aan de Universiteit van het Noord-Westen in Zuid-Afrika. Hij was ook betrokken bij de uitvoering van wetenschappelijke experimenten voor plaatselijke scholen samen met Pastor Bernd-Peter Jensen. Boguslaw is momenteel verbonden aan het plaatselijk planetarium en de astronomische sterrenwacht in Łódź, waar hij natuur- en sterrenkunde onderwijst. Hij beheert ook een klein, non-profit experimentarium voor plaatselijke scholenw5.

Szymon Malański, de zoon van Boguslaw, is een vijfdejaars student telecommunicatie en informatica aan de Technische Universiteit van Łódź, Polen. Hij vindt het leuk om experimenten uit te voeren en is gek op klassieke analoge fotografie.


Review

Als je wilt dat je leerlingen ontdekken dat de zon en een kookplaat veel meer uitzenden dan zichtbaar licht, dat zichtbaar licht wordt tegengehouden door wolken maar radiogolven niet, of dat het electromagnetisch spectrum bestaat uie een variëteit van zeer interessante straling; als je wilt dat je leerlingen de zon kunnen vinden op een bewolkte dag of dat ze geostationaire satellieten kunnen vinden; als je wilt dat ze gepolariseerde straling kunnen onderscheiden van ongepolariseerde straling; als je een radiotelescoop wilt kunnen gebruiken in je lessen, een radiotelescoop die is gemaakt door je leerlingen en die je kan helpen al deze onderwerpen en veel meer kan demonstreren, dan zul je zeker geïnteresseerd zijn in de ideeën die in dit artikel gepresenteerd worden.

Je kunt een simpele maar werkende radiotelescoop bouwen met goedkope materialen en gemakkelijk-te-volgen instructies. De activiteiten die in dit artikel gesuggereerd worden zijn interessant en hebben betrekking op een scala van wetenschappelijke onderwerpen (b.v. banen, licht, straling en de effecten daarvan op het lichaam, het electromagnetisch spectrum), die behandeld kunnen worden in natuurkunde-, sterrenkunde- en biologielessen.


Vangelis Koltsakis, Griekenland




License

CC-BY-NC-SA