Zbuduj sobie radioteleskop Teach article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Astronomowie obserwują z użyciem wielkich radioteleskopów czarne dziury i odległe galaktyki. Dlaczego ty miałbyś nie zbudować sobie małego radioteleskopu i z jego pomocą obserwować blisko położone obiekty?

Wykrywanie fal radiowych –
jedna z gigantycznych anten
obserwatorium ALMA,
największego obecnie
naziemnego przedsięwzięcia
badawczego w astronomii.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Iztok Bončina / ALMA (ESO
/ NAOJ / NRAO)

Podczas przeglądania nieba, astronomowie dostrzegają nie tylko światła gwiazd. Gwiazdy, planety i mgławice promieniują w pełnym zakresie elektromagnetycznego spektrum, którego wąską zaledwie częścią jest światło widzialne.

Radioteleskopy odbierają promieniowanie o długościach fal tysiące do milionów razy większych od długości fal światła widzialnego. Ogromne anteny, zbudowane przez naukowców do rejestrowania takich fal, stały się ikonami nowoczesnej technologii. Olbrzymie obserwatorium Arecibo w Puerto Rico, wbudowane w nieckowatą dolinę, jest natychmiast rozpoznawalne na podstawie ujęć z filmu GoldenEye z Jamesem Bondem, a Jodrell Bank dominowało nad horyzontem w Manchester, UK, przez połowę wieku.

Rozdzielczość obrazów uzyskanych za pomocą teleskopu zależy zarówno od długości fali, jak i od jego średnicy. Im dłuższa fala, tym gorsza rozdzielczość; i im większy średnica, tym lepsza rozdzielczość. Fale radiowe są wielekroć razy dłuższe niż światło widzialne, dlatego profesjonalne radioteleskopy mają ogromne rozmiary, co pomaga także w przechwytywaniu słabego promieniowania ciemnych i odległych obiektów. Podstawa ich działania jest jednak prosta i mając nawet niewielkie środki i proste narzędzia, całkiem łatwo można zbudować prosty ale w pełni funkcjonalny radioteleskop dla siebie.

Nazwałem zaprojektowany przez siebie radioteleskop RYSIA (imię dziewczęce), albo inaczej RadiowyY Śliczny Instrument Astronomiczny. Można z pomocą RYSI obserwować obiekty jasno promieniujące w przedziale radiowym. Do tej kategorii należą: Słońce, nasza planeta oraz sztuczne satelity komunikacyjne, takie jak: Hot Bird, Astra i Sirius.

Materiały

Ryc. 1: Usuń mocowania (A) z
tyłu czaszy anteny

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bogusława Malańskiego

Dobrymi miejscami na dokonanie zakupu potrzebnych ci części są złomowiska, sklepy z używanymi częściami elektronicznymi (wyposażeniem TV) i aukcje internetowe.

  • Czasza odbiornika satelitarnego

    Czasza telewizyjnej anteny satelitarnej skupia sygnał z satelity na odbiorniku. Czasza twojego radioteleskopu, będzie spełniać podobne zadanie – będzie kierować stosunkowo słabe fale radiowe na odbiornik. Może być paraboliczna lub typu offset. Doradzam by miała średnicę najmniej 1 m. Nowa czasza kosztuje w przybliżeniu 100 zł (€ 24), a koszt używanej nie powinien przekroczyć 12-20 zł (€ 3-5). Można poszukać w składnicach złomu – tam właśnie znalazłem swoją.

    Usuń mocowania, o ile talerz jest w nie zaopatrzony (Ryc. 1), ponieważ po prostu ciążą i trudniej nim operować. Pracownik sklepu bądź składnicy chętnie zrobi to dla ciebie. Pozostaw jednak wysięgnik.
     

  • Niskoszumowy konwerter LNB (ang. Low Noise Block)

    LNB są podstawowymi elementami odbiorników telewizji satelitarnej i umieszcza się je w ogniskach czasz anten. Gdy oglądamy program TV, LNB odbiera i wzmacnia sygnał, obcina zbędne częstości i konwertuje sygnał do niższej częstotliwości. W twoim radioteleskopie LNB będzie odbiornikiem fal radiowych odbijanych ku niemu przez czaszę. Każdy, nawet najtańszy egzemplarz będzie się świetnie do tego nadawał. Cena nowego konwertera wynosi w przybliżeniu 40 zł (€ 10), ale też można nabyć używany za ułamek tej ceny.
     

  • Miernik sygnału satelitarnego (Ryc. 2)
    Ryc. 2: Miernik sygnału
    satelitarnego

    Zdjęcie dzięki uprzejmości
    Bogusława Malańskiego

    Miernik ten podaje informację, czy LNB odbiera sygnał i jeśli tak, to jak silny. Najlepiej, gdyby emitował dźwięk podczas odbierania silnego sygnału przez antenę; łatwiej demonstrować wtedy urządzenie grupom uczniów, ponieważ każdy będzie słyszał sygnał. Dodatkowo, miernik powinien być wyposażony we wskaźnik pozwalający na pomiar wielkości sygnału, byś mógł wykonywać pomiary i porównywać różne obserwacje. Niezależnie jednak od moich rozważań, możesz zdecydować się na najprostszy i najtańszy spośród wyszukanych. Koszt miernika wynosi w przybliżeniu 20 zł (€ 5).
     

  • 3 m koncentrycznego kabla antenowego – 5-10 zł (€1-2)
     
  • 3 końcówki łączące BNC (Bayonet Neill-Concelman) do kabla koncentrycznego (konektory) – 60-120 gr (15-30 ¢) za sztukę. Wybierz konektory nakręcane – nie wymagają lutowania.
     
  • Źródło napięcia stałego 12 V do 18 V
    Ryc. 3: Źródło napięcia dla
    twojego radioteleskopu

    Zdjęcie dzięki uprzejmości
    Bogusława Malańskiego

    Ja zastosowałem akumulator kwasowo-ołowiowy (Ryc. 3). Można także zastosować zestaw standardowych baterii typu AA.

Konstrukcja radioteleskopu

Po skompletowaniu wszystkich potrzebnych elementów, pozostanie już tylko ich złożenie i połączenie razem.

  1. Zamocuj konwerter LNB na wysięgniku anteny, za pomocą dostarczonych wraz z nim elementów mocujących (Ryc. 4).
  1. Przetnij kabel koncentryczny w połowie. Na jednej części kabla zamontuj konektory BNC na obu końcach, na drugiej tylko na jednym z końców (Ryc. 5).
  2. Jeden z końców przewodu, który zaopatrzyłeś w dwie wtyczki, podłącz do LNB, a drugi do gniazda oznaczonego „LNB” lub „satellite” na mierniku sygnału satelitarnego (Ryc. 6).
Ryc. 5: Mocowanie
konektorów BNC na
koncentrycznym kablu

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bogusława Malańskiego
Ryc. 6: Łączenie LNB z
miernikiem sygnału
satelitarnego

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bogusława Malańskiego
Ryc. 4: Mocowanie LNB
do wysięgnika anteny

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bogusława Malańskiego
  1. Z kabla koncentrycznego z jednym konektorem usuń izolację z jego przeciwległego końca, by odsłonić metalowy rdzeń i ekran z miedzianej siatki (Ryc. 7).
  2. Podłącz konektor na tym przewodzie do drugiego gniazda miernika sygnału satelitarnego (oznaczonego „zasilanie” albo „odbiornik”; Ryc. 8).
  3. Przeciwległy koniec kabla należy teraz połączyć ze źródłem napięcia. Podłącz miedziany ekran do ujemnego bieguna baterii, a rdzeń do dodatniego bieguna baterii (Ryc. 9).
Ryc 7: Siatka ekranująca
została odwinięta na kabel.
Metalowy rdzeń wystaje z
kabla na zewnątrz

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bogusława Malańskiego
Ryc. 9: Podłączanie źródła
zasilania

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bogusława Malańskiego
Ryc. 8: Zasilanie miernika
sygnału satelitarnego i
odbieranie sygnału z LNB

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bogusława Malańskiego

Właśnie zbudowałeś radioteleskop, wystarczająco lekki i ustawny aby go przenosić i ręcznie kierować na różne obiekty.

Łączenie elementów
radioteleskopu. A: LNB, na
którym koncentrowane będą
fale radiowe; B: miernik
sygnału satelitarnego;
C: zasilanie

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bogusława Malańskiego

Jeśli chciałbyś zbudować urządzenie stacjonarne, należałoby zamocować antenę na podstawie (np. ciężkim trójnogu) i zapewnić możliwość obracania jej zarówno w azymucie (kierunek poziomy, w którym miałaby być skierowany twój teleskop) i w wysokości (kąt ustawienia teleskopu w pionie).

Wykorzystanie

Masz już teraz radioteleskop działający na podobieństwo olbrzymich radioteleskopów, których używa się do poznawania pierwszych dni Wszechświata, przechwytujących promieniowanie bardzo odległych galaktyk (zobacz: Mignone & Pierce-Price, 2010). Choć nie dostrzeżesz swoim teleskopem odległych gwiazd, możesz zademonstrować nim swoim uczniom, że Słońce i inne obiekty promieniują nie tylko światło widzialne, ale też fale radiowe. Ponadto, możesz znaleźć położenie Słońca podczas pochmurnego dnia, pokazać że powierzchnia Ziemi emituje fale radiowe i lokalizować satelity.

Jeżeli do budowy swojego radioteleskopu użyłeś anteny parabolicznej, będziesz musiał kierować jej oś bezpośrednio na obiekt obserwowany. Jeżeli natomiast użyłeś anteny offsetowej, musisz wziąć pod uwagę jej offset. Większość producentów nie podaje tego parametru, ale może on być dość łatwo wyliczony (może to być dodatkowym zadaniem dla uczniów). W praktyce , kierunek wysięgnika z zamontowanym konwerterem LNB wskazuje kierunek, z którego odbierany jest sygnał (Ryc. 10).

Ryc. 10. a) Widok przedni dwóch rodzajów anten satelitarnych: parabolicznej (1) i offsetowej (2), pokazujący pozycję konwertera LNB (3) b) Przekroje czasz: anteny offsetowej (po lewej) i anteny parabolicznej (po prawej), pokazujący kąt podniesienia (4)
Zdjęcie dzięki uprzejmości Bogusława Malańskiego

Obserwacje Słońca

Wykorzystanie RYSI w
pochmurny dzień do
zlokalizowania Słońca

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Bogusława Malańskiego

Słońce emituje promieniowanie w szerokim zakresie spektrum elektromagnetycznego. Spróbuj w pogodny dzień skierować swój radioteleskop na Słońce, a następnie na obszar pustego nieba. Porównaj odczyty. Powtórz eksperyment w pochmurny dzień. Położenie Słońca nadal łatwo określić, mimo chmur. Zapytaj uczniów dlaczego światło widzialne jest blokowane przez chmury, a fale radiowe mogą je przenikać.

Mógłbyś też zapytać swoich uczniów jak odróżnić promieniowanie Słońca od sygnału satelity, szczególnie gdy są na niebie blisko siebie. Odpowiedź: sygnał satelity jest spolaryzowany (poziomo lub pionowo), podczas gdy promieniowanie Słońca nie jest. Jeśli obracasz czaszę radioteleskopu i moc sygnału pozostaje niezmieniona, sygnał pochodzi od Słońca.

Obserwacje obiektów naziemnych

Przedmioty wokół nas: budynki, rośliny, ludzie, a nawet gleba pod naszymi stopami, odbijają fale radiowe pochodzące ze Słońca albo z Ziemi. Porównaj odczyty dla różnych przedmiotów. Dzięki dźwiękowemu sygnałowi miernika sygnału satelitarnego, możesz lokalizować budynki i drzewa wokół siebie, nawet z zawiązanymi oczami. Aby mieć pewność, że sygnał nie pochodzi z samego Słońca, prowadź swoje eksperymenty zwracając czaszę daleko od Słońca.

Wykrywanie ciepła

Większości zjawisk astronomicznych wtóruje promieniowanie elektromagnetyczne, ponieważ zachodzą w wysokiej temperaturze. Im wyższa temperatura, tym krótsza długość fali. Przy około 5500 ºC, Słońce wytwarza mnóstwo światła widzialnego, jak również podczerwonego i fal radiowych. Chłodniejsze obiekty muszą być obserwowane w podczerwieni albo przez radioteleskopy. Możesz pokazać to kierując radioteleskop na płytkę grzejną podczas jej rozgrzewania się. Dopiero przy około 700 ºC zaczyna emitować widzialne światło, ale twój teleskop będzie odbierał fale radiowe wyemitowane wiele wcześniej.

Satelity

Zbudowaliśmy nasz prosty radioteleskop korzystając z technologii telewizji satelitarnej, która pozwala wykrywać statki kosmiczne. Profesjonalne radioteleskopy niekiedy także to robią – australijski Teleskop Parkes wykorzystano w komunikacji z Apollo 11 podczas jego misji na Księżycw1.

Najbardziej znane satelity telekomunikacyjne (np. Hot Bird, Astra, Sirius) są na orbitach geostacjonarnych, co oznacza, że nie poruszają się po nieboskłonie i orbitują ponad równikiem. Ułatwia to ich znalezienie. Baza danych Wolfram Alphaw2 zawiera informacje o położeniu wielu satelitów.

Podczas wiosennej i jesiennej równonocy, gdy Słońce świeci nad równikiem, obserwacje satelitów mogą być utrudnione gdy Słońce i satelita znajdują się w tym samym obszarze nieba. Wolfram Alpha dostarcza mapę położenia Słońca w stosunku do satelitów, można więc tego uniknąć.

Ryc. 11: Latem, Słońce jest powyżej linii przedstawiającej położenie satelitów geostacjonarnych. Zimą jest poniżej tej linii
Zdjęcie dzięki uprzejmości Bogusława Malańskiego

Informacja zwrotna

Sugestie dotyczące udoskonalenia teleskopu, albo dalszych ćwiczeń, proszę umieścić na końcu tego artykułu, w jego wersji onlinew3.

Podziękowanie

Budowę naszego radioteleskopu zainspirował działający model, zbudowany przez Petera Kalberla, astronoma z Uniwersytetu w Bonn, w Niemczech i zademonstrowanym podczas jego kursu „Hands-On Universe: Connecting classrooms to the Milky Way”w4 w 2011, w pobliskim Bad Münstereifel.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Author(s)

Bogusław Malański jest fizykiem i nauczycielem astronomii. Ukończył studia w dziedzinie fizyki i uzyskał stopień doktorski na Uniwersytecie Łódzkim, w Polsce, po czym dziewięć lat wykładał fizykę na Uniwersytecie North-West w Republice Południowej Afryki. Wraz z pastorem Bernd-Peter Jensen’em był tam również zaangażowany w organizowanie eksperymentów naukowych w lokalnych szkołach. Aktualnie pracuje w planetarium i obserwatorium astronomicznym w Łodzi, w którym naucza astronomii i fizyki. Kieruje też małym, niekomercyjnym eksperymentarium dla miejscowych szkólw5.

Szymon Malański, syn Bogusława, jest studentem 5-tego roku telekomunikacji i informatyki na Politechnice Łódzkiej, w Polsce. Lubi eksperymentowanie i uwielbia klasyczną fotografię analogową.


Review

Gdybyś chciał by twoi uczniowie odkryli, że Słońce i płytka grzejna emitują nie tylko światło widzialne; że światło widzialne jest blokowane przez chmury, a fale radiowe nie są; że widmo elektromagnetyczne zawiera rozmaite, bardzo interesujące podzakresy; jeśli chcesz, by twoi uczniowie potrafili odnaleźć położenie Słońca na zachmurzonym niebie, zlokalizować satelity geostacjonarne; gdybyś chciał by rozróżniali promieniowanie spolaryzowane od niespolaryzowanego; jeżeli chcesz wykorzystywać na swoich lekcjach radioteleskop zbudowany przez uczniów i pozwalający na nauczenie wszystkich tych zagadnień i wiele więcej, wówczas na pewno zainteresują cię pomysły opisane w tym artykule.

Z tanich materiałów i w oparciu o nieskomplikowane instrukcje, zbudujesz prosty, ale w małej skali funkcjonalny radioteleskop. Zastosowania proponowane w tym artykule są zarówno interesujące jak i przydatne dla szerokiego zakresu  tematów naukowych (np. orbity, światło, promieniowanie i jego skutki, spektrum elektromagnetyczne), które mieszczą się w zakresie lekcji fizyki, astronomii i biologii.


Vangelis Koltsakis, Grecja




License

CC-BY-NC-SA