2025 - Härtlein Károly – Fizikai kísérletek a Nemzetközi Űrállomás (ISS) fedélzetén a Műegyetem közreműködésével
A Budapesti Műszaki Egyetem Fizikai Intézetében dolgozom. 2024 augusztusában bejelentkezett hozzám a HUNOR csapata, elmondták, hogy szeretnék, ha Kapu Tibor az ISS-en tartana egy fizikaórát, amelyet elsősorban a közoktatásban tanuló diákoknak szánnak. Már hallottam arról, hogy a NASA-nál a küldetések szerves része, hogy a diákokat is bevonják a tudományos munkába.
Igazából azt kell mondjam, hogy az volt a legizgalmasabb, hogy ebben a hozzám érkező csapatban két ember a tanítványom volt, valamint a két kiválasztott is jött velük, vagyis Kapu Tibor és Cserényi Gyula is ott volt a találkozón. Tehát igazából így került az asztalra a csizma, így kerültem a HUNOR programba. A magyar küldetésnek is lett egy diákoknak szóló része. A felkérés megjött: szeretnének tőlünk egy fizikaórát kérni, amelyet közép- és általános iskolás tanulóknak szánnak, de valószínűleg az egész ország láthatja majd. Ez egy nagy lehetőség. Ha egy ilyen lehetőség adódik, akkor ugye az embernek elszáll az agya, és azt gondolja, hogy na most akkor megvalósítom a legkedvesebb kísérleteimet és önmagamat. Rövid időn belül kiderült, hogy az űrállomásra olyan taneszközök kerülhetnek föl, amelyek gyakorlatilag egy köbdeciméterbe beférnek, tehát egy 10 × 10 × 10 centiméteres dobozba. Mindemellett másfél kilogrammnál nem lehet nagyobb a tömege. Ez gyakorlatilag olyan, mint amikor az embernek összekötik a két bokáját, és azt mondják, hogy most tessék futni. Nem baj gondoltam, igazából ezt úgy kell felfogni, hogy ez egy kihívás, ettől még izgalmasabb a dolog.
Kettőnket kértek fel: Vincze Miklós docens urat az ELTE-ről és engem. Mi ketten találtuk ki ezeket a kísérleteket. Menetközben kiderült az is, hogy szeretnék, ha nem csak néznék a diákok azt, hogy hogyan kísérletezik az ISS-en Tibor, hanem vele egyidőben a Földön is elvégeznék a kísérleteket. Középiskolai diákokra gondoltak elsősorban, ahogy mondták lenne a küldetésnek egy földi lába is. Ennek a földi lábnak az volt az alapgondolata, hogy minél több diákot, minél több iskolát próbáljunk beszervezni ebbe a programba. 5000 diákot és 300 iskolát kívántak bevonni, ezt a célt tűzték ki. Ez azt jelenti, hogy a kitalált, az ISS-re felkerülő kísérletekből 5000 darabot kellett legyártani, eljuttatni a diákokhoz és a tanáraikhoz. Ehhez a feladathoz kellett tettestársakat találni. Akik egyik részről le tudják gyártani, be tudják szerezni az eszközöket. Másrészről pedig el tudják érni az iskolákat, meg tudják szólítani a tanárokat és a diákokat, ráadásul a logisztikát is meg tudják szervezni.
Erre a feladatra a BME Kutatási és Fejlesztési Igazgatóságát (FIEK) kértük fel. A speciális kísérleti eszközök legyártását a Szolnoki Szakképzési Centrum vállalta el. A Centrumnak van egy motorja, aki nélkül nem ment volna az eszközök legyártása, Hicsó György kancellár úr, aki nagy lelkesedéssel csinálta végig a projektet. Azt érdemes róla tudni, hogy matematika-fizika szakos tanár végzettsége is van. Tessenek végiggondolni, amikor ötezer példányban kell megvásárolni, legyártani az eszközöket. Ugye az első gondolat szerint ez egyszerűnek tűnik. De ez nem így van, ezentúl több mint háromszáz iskolával fel kell venni a kapcsolatot, hozzájuk eljuttatni a taneszközöket, tananyagokat, szerződéseket. Értesíteni őket a közelgő eseményekről. A Szolnoki Szakképzési Centrumnak megvolt az ipari háttere, képesek voltak az eszközök gyártására, az igazi probléma a darabszám volt. Végül megszületett egy ilyen doboz, magammal hoztam, hogy megmutathassam.
Ebben benne vannak azok a kísérleti eszközök, amelyeket a diákok kezébe tudtunk adni. A diákok a tanáraiktól vehették át az eszközöket. Különórák, szakköri foglalkozások keretében. A legtöbbjük már az űrhajó indulása előtt megismerkedett az eszközökkel és a kísérletekkel.
Bemutatom a kísérleteket és az eszközöket. Elsőként a Slinky rugót, vagy egyszerűen csak Slinky-t.
A választásnál fontos szempont volt, hogy az eszköz lehetőleg legyen sokak számára ismert. A Slinky egy gyerekjáték, amely az Egyesült Államokból származik és szinte mindenki ismeri. A vele való kísérletezés az ISS-en más eredményre vezetett, mint itt a Földön. Kapu Tibor súlytalanságban végezte el a kísérletet, míg itt a Földön mindennek súlya van. Elsőként a Slinky az egyik végénél fogva függőlegesen lelógattuk. Itt a Földön megnyúlik. Megfigyelhető még, hogy a rugó meneteinek távolsága nem állandó, lefelé haladva egyre kisebb, egy mértani haladvány szerint csökken. Ugyanezt a kísérletet Tibor elvégezte az űrben súlytalanság állapotában az ő kezében úgy állt ahogy az egyik korábbi képen láthatják. Az ISS-en a menetek közötti távolság nulla volt. A magyarázat nagyon egyszerű: a súlytalanságban nincs az az erő, amely deformálja az eszközt.
A következő kísérletben a Slinky két végét azonos magasságban kellett tartani. A Földön látható, hogy a közepe lejjebb van, mint ahol vége, belóg. Amikor a kísérleteket elvégezték fönn az űrben és lenn a Földön, rögtön mindenki számára látható volt a különbség. A Földön a magára hagyott testek elkezdenek szabadon esni, ha ebben megakadályozzuk akkor a hatás deformálni fogja a testet. A Slinky könnyen deformálható ezért tudja jól mutatni a hatást, illetve annak hiányát. Az ISS-en nyílegyenes volt a Slinky.
A Slinkyvel elvégzett kísérletekből volt, amit a Földön nem tudtunk bemutatni, mert nem lehet elvégezni. Tibort megkértük arra, hogy nyújtsa meg a rugót és úgy engedje el, hogy forogjon. Ekkor a rugóra a forgás hatásaként a centripetális erő hatott. Ez az erő megnyújtva tartotta a rugót. Másképpen fogalmazva, a rugó látszólag erőhatás nélkül volt megnyúlt állapotban. Amikor a kezdetben megnyújtatlan rugót hozta forgásba űrbéli pedagógusunk, azaz a megnyújtatlan és forgó rugó mozgását figyeltük meg, érdekes dolgot vehettünk észre. Az így elindított rugó izgalmas mutatványba kezdett: a forgó mozgás következtében ébredő centripetális erő megnyújtotta a rugót. Ez a rugó tehetetlenségi nyomatékának változásával – növekedésével – is járt. Ekkor a rugó fordulatszáma, forgási szögsebessége lecsökkent. Ezt a perdületmegmaradás törvénye jól leírja. A csökkenő fordulatszám a centripetális erő csökkenéséhez, a rugó megrövidüléséhez vezetett. Ekkor a tehetetlenségi nyomaték csökkenése a fordulatszám növekedéséhez vezetett. Kialakult egy periodikus hosszváltozás és egy vele szinkronban történő fordulatszám-változás. A kettő közötti kapcsolatot a perdületmegmaradás törvénye írja le. Nem hoztam videófilmeket ezekről a jelenségekről, mert csak húsz percet kaptam a szervezőktől. Ezeket a videókat könnyen meg tudják találni, csak be kell írni egy keresőbe a következő szavakat: űrállomás, Kapu Tibor, fizikaóra.
A következő kísérleti eszközt, a gravitáció detektort, én a 2000-es évek elején találtam ki készítettem, ez így néz ki.
Sokaknak megmutattam, nagy hatása nem volt, nem igazán figyelt fel rá senki. Így saját magam szórakoztatására volt jó, mintegy húsz évig. Ám a HUNOR csapatának azonnal felkeltette a figyelmét. Ez egy átlátszó műanyag cső, benne az egyik végén rögzítve egy mágnes, illetve egy csavar, amely acélból van és hozzá van kötve egy madzag. A madzaggal szét lehet húzni a mágnest és a csavart. Van egy ütköző a cső másik végén, ami behatárolja, hogy milyen messzire lehet a két testet széthúzni. Széthúzom a csavart a mágnestől és a madzagnál fogva lelógatom. Ekkor a mágnes és a csavar közötti távolság miatt oly kicsi lesz a vonzóerő, hogy a csavar és a mágnes közötti erő kisebb lesz, mint a súlyerő. Ha átfordítom akkor a mágnes lesz felül a csavar alul, a távolság most is akkora, hogy a súlyerő megint győzni fog, nem közeledik egymáshoz a két test. Ami ez után jön az lesz igazán izgalmas, elengedem a testet, szabadon fog esni. Súlytalanság állapotába kerül. A mágnes és a csavar akadály nélkül egymásra találhat, hiszen csak a vonzás hat rájuk! Teljesen mindegy, hogy melyik van felül, a végeredmény ugyanaz. Ha nem elengedem, hanem függőlegesen felfelé hajítom, ezt láthatják is, akkor is ez történik, ekkor is súlytalanság alakul ki. Azt, hogy milyen gyorsan találkozik a mágnes és a csavar egy kattanás jelzi. Csináltam videó felvételt a jelenségről, ezen a felvételen a képkockák megszámolásával meg tudtam mérni, hogy mennyi idő kell súlytalanságban a két test találkozásához. Az elengedés utáni harmadik képkockán találkozott a két test. Ez három huszonötöd másodpercnyi idő! Számoljunk együtt közösen! A Földön az ejtő kísérletekre maximum két métert tervezhetünk. Tehát ez – ha két méterben gondolkodunk – négytized másodpercet jelent itt a Földön. Úgy is mondhatnánk, Tibornak egy kicsit több jutott ebből. Az is érdekes, ha nem függőlegesen, hanem vízszintesen tartom az eszközt. Ekkor a távolság „megmaradásáért” a súrlódási erő a felelős, amely a cső fala és a csavar között ébred. Ha most a kezemben vízszintesen tartott eszközzel ugrom egyet, akkor addig amíg a lábam nem ér a talajhoz, súlytalanság van. Nem lesz súrlódási erő sem. A két test megint egymásra talál. Ha így végzem a kísérletet, akkor még a szememmel is jól látom a jelenséget. Engedjenek meg egy személyes történetet az eszközzel kapcsolatban. Szeptember 26-án a Műegyetemen – Kapu Tiborral közösen – bemutattuk a kísérleteket, amelyek az űrbéli fizikaórán szerepeltek. Amikor a „g-detektor” kísérletek végére értünk, akkor egy ajándékot nyújtott át nekem Tibor. Elhozta az űrállomásról azt az eszközt, amellyel a fizikaórán kísérletezett.
Azt nem tudom, hogy tudják-e, de az űrállomáson feleslegessé vált eszközöket úgy semmisítik meg, hogy elindítják a Föld felé, és ezen az úton az megsemmisül, elég. Ez az eszköz nemcsak fölment az űrbe, hanem vissza is jött. Elhoztam ide, hogy megmutassam önöknek, mert rajta van az AXIOM certifikátja, amely mutatja, hogy fölvihető az űrállomásra, és a zacskón a lajstromszáma is rajta van, amit a NASA adott.
Van még egy kísérlet a vízlencse. Az alap ötlet a régi magyar aprópénzből indult ki. Volt egy pénzérme, a lyukas kétfilléres. Ennek a közepén van egy lyuk. Tegyünk bele vizet. Ha ügyesek vagyunk, akkor sikerülni fog. Leginkább ezt egy injekciós fecskendővel lehet megcsinálni. Ha sikerül, akkor a vízfelületen keresztül nézve lencseként fog viselkedni a víz. Ha sokat töltünk bele, akkor domború, ha keveset, akkor homorú lencsét kapunk. Ha megtanuljuk változtatni a víz mennyiségét, akkor egy optikai kísérletet sikerült összeállítani. A kétfilléres lyukmérete (3 mm) éppen alkalmas arra, hogy a Föld gravitációs terében egy csepp vizet a felületi feszültség megtartson. Ebből a gondolatból született a következő készülék.
Ha ezt a kísérletet az ISS-en végezzük el, nem lesz erő, amely a lyukból kimozdítsa a vizet. Vagyis sokkal nagyobb lyukmérettel lehet a kísérletet elvégezni. A földi eszköz elkészítése 5000 példányban nem egyszerű. Úgy kellett megtervezni az eszközt, hogy használható legyen és könnyen gyártható maradjon. Nem untatom a részletekkel önöket, de azt el kell mondanom, hogy az eszköz elkészítéséhez komoly tervezésre volt szükség. 3D nyomtatásra, alumínium megmunkálásra és elektromos szerelésre is szükség volt. Ennek a munkának az összehangolására a Szolnoki Szakképzési Centrum kancellárja Hicsó György elhivatottságára volt szükség. Itt az eszköz a kezemben, nézzék meg! Hogy mire alkalmas? A víz azért marad a lyukban mert a felületi feszültség által a folyadékra kifejtett erő ott tartja. Ennél a méretnél éppen elég a nagysága. A lyukban a víz optikai elemként, egy lencseként fog működni. Ha kevés víz van benne, akkor kétszer homorú, vagy másképpen szórólencse lesz. Ha a víz mennyiségét növeljük, akkor a szórólencse homorulata egyre kisebb dioptriájú lencsét formál. A víz mennyiségének további növelésével plánparalel lemezzé, majd kétszer domború lencsévé, gyűjtőlencsévé válik. Fizikaórán az optikában ezt úgy tanítjuk, úgy kísérletezünk, hogy van egy tárgy, van egy lencse és van az ernyő. És akkor ezeket addig tologatjuk, amíg éles képet kapunk. Ekkor mérünk és a mérésekből képleteket alkotunk. Ebben a metódusban pedig semmit sem mozgatunk, csak a lencsét változtatjuk több, kevesebb vizet juttatunk a lyukba. Közben figyeljük a képet. Kapu Tibor eszköze sokkal nagyobb volt, 25 mm volt a lyuk átmérője. Az űrbe felküldött lencsét –7 dioptriától +7 dioptriáig lehetett változtatni. A víz mennyiségét egy kettős fecskendő segítséggel nagyon precízen tudta beállítani. A kísérlet fő mondanivalója és ez nagyon jól látszott, az volt, hogy az optikát, a felületi feszültséget egy ilyen komplex kísérletbe össze lehetett vonni.
A következő kísérlet, amit szeretnék megmutatni, Vincze Miklós docens úr kísérlete. Az ő egyik javaslata a Dzsanyibekov-effektus volt az űrbéli fizikaórára. Nem tudom, ki hallott már Vlagyimir Alekszandrovics Dzsanyibekov orosz, vagy ha úgy tetszik, szovjet űrhajósról. Egy űrutazása alkalmával észrevette a MIR űrállomáson még 1985-ben, hogy a T alakú kulcs, egy fogantyú furcsán viselkedik[1].
Használat során, a súlytalanságban, a helyéről, egy menetes tengelyről lepörgetett kulcs viselkedése oly érdekes volt, hogy érdemesnek látszott tanulmányozni. A jelenséget a klasszikus mechanika ismeretében könnyű megmagyarázni, igaz inkább csak felsőoktatásban tananyag. A tanulmányozásához súlytalanság kell. Az ISS-en ez adott. A Dzsanyibekov effektus vizsgálatát ezzel – a gyermekkoromból ismert Babilon építőjátékból készült – eszközzel végezte el Kapu Tibor. Itt a Földön is el lehet végezni, súlytalanságot úgy tudunk „csinálni”, hogy az eszközt fel kell dobni úgy, hogy repülés közben forogjon is. Lehetőleg magasra kell dobni és a forgás legyen lehetőleg gyors. Ha az ember fogja az eszközt, földobja, akkor van esély arra, hogy párszor átfordul és mutatja a jelenséget. Remélem nem verek le semmit. Tovább nem kísérletezhetünk.
Miklós másik javasolt kísérlete a felületi feszültség témakörét érintette. Ha az ember vesz egy pohár vizet, beledobja a pingponglabdát, akkor a pingponglabda úszik a tetején. Aki már látott ilyet közelről, az biztosan tudja, a pingponglabda megnedvesedik. Látható, hogy a pingponglabdát egy kívülről nézve homorú felület veszi körül. A Földön, tehát itt, ahol súlya van mindennek, azt lehet mondani, hogy alul van a víz, és a tetején úszik a labda. Fönn az űrben ugyanezt a kísérletet, a súlytalanságban elvégezve, a vízbe belenyomott pingpong labdának csak épp a teteje látszik ki. Ne feledjük el, hogy nincs felhajtó erő. Az a nagyon izgalmas, hogy a pingpong labdának körülbelül a kétharmada a vízben van. A kilátszó rész gömbsüveg alakú. Mindez azért történik így, mert a felületi feszültség pontosan ebben a helyzetben stabilizálja.
Most én mélyebben nem mennék bele a magyarázatba. Aki jobban el akar mélyülni a kísérletekben nekik álljon itt egy a tanároknak szóló videók linkje[2], amelyből mindent megtudhatnak. Vincze Miklóssal és Domokos Gáborral tartottunk közösen a tanárok számára egy bemutatót, ott részletesen elmagyaráztunk mindent.
Azt szeretném még elmondani, hogy – már megemlítettem Domokos Gábor nevét – fölkerült egy ilyen eszköz is az ISS-re. Ez egy úgynevezett lágycella. A lágycelláról nincs idő beszélni, de talán érdemes az alapgondolatot ismertetni. Adott egy felület, mondjuk ennek a szobának a padozata, ezt kellene hézagmentesen lefedni, csempézni vagy parkettázni. Melyek azok a szabályos geometriai alakzatok, amelyekkel ezt meg lehet csinálni? Általában, hogyha az ember kereskedésbe elmegy, akkor ezek egyenes oldalakkal határoltak. Négyzet, téglalap, hatszög nincs több. Nézzük ezt a feladatot háromdimenzióban! Térbeli alakzatokkal kell gondoskodni, a hézagmentes kitöltésről. Van még valami: szeretnénk, ha nem lenne csúcsa. Görbe oldalak határolják. ha megpróbálunk minden egyes csúcsot eltüntetni, akkor tipikusan egy olyan típusú szerkezethez jutunk, amit lágycellának hívnak. Megmarad az a tulajdonsága, hogy ezzel teljes egészében ki lehet tölteni a teret anélkül, hogy hézagok lennének a lágycellák között.
Egy ilyen lágycella felkerült az űrbe, és ott feltöltötték vízzel. A belső részét töltötték meg, a vizet a felületi feszültség tartotta benne. Azt még érdemes megemlíteni, hogy ezek a felületek úgynevezett minimál felületek. Így kívülről nézve homorú felületek. A minimál felület azt jelenti, hogy a folyadék arra törekszik, hogy az energiája a legkevesebb legyen, ez akkor valósul meg, ha a felület mérete a legkisebb. Bebizonyítható, hogy ezek mindig homorú felületek lesznek. No, a lágycelláknak az az izgalmas tulajdonsága van többek között, hogy például hogyha kockákkal telerakjuk a teret, ennek a testnek van csúcsa, nem lágycella, akkor egy sort egy mozdulattal ki lehet tolni. Gondolom, mindenki belátja, ugye? Elképzeljük, hogy a tér három irányába szabályosan, hézagmentesen vannak ezek a kockák, és egy sort az ember így kitol, akkor az akadálytalanul megy. Ezeknél a lágycelláknál ezt nem lehet megcsinálni. Ez egy izgalmas történet. Az a kár, hogy erről nincs idő hosszan beszélni. Csak ehhez nem egyszer, hanem háromszor húsz perc kellene. A lágycella akkora siker volt, hogy amikor a lágycellát feltöltötték az űrállomáson, akkor gyakorlatilag az ottani fenti űrhajósok között egy eufórikus öröm állapot alakult ki, hogy ilyet még nem láttak, a jelenség ősbemutatója volt. Egyébként mikor lejöttek ezekről a jelenségről a filmek az ISS-ről, akkor mondhatom, hogy az minket is eufóriába taszított, mert hát egész egyszerűen ez az, amit itt a Földön csak kiszámolni lehet és a számításunk, egész pontosan Domokos Gábor számítása helyesnek bizonyult. Itt a Földön a lágycellával csak azt lehet megcsinálni, hogy nagyon tömény mosószerbe bemártjuk és akkor vékony hártyák alakulnak ki, ezek minimál felületek lesznek. Ehhez persze profi minőségű folyadék kell. Mindenesetre ez, hogy az űrbe felküldött lágycellát tömören fel lehetett tölteni vízzel, az igazi szenzáció. A lágycellát teljesen kitöltötte a víz a bemutató során. Ez nem mindennapi esemény volt, hogy csak úgy szabadon lebegett a víz. Tehát ez sem volt egy egyszerű történet.
Egy fiaskót azért elmondok, mert mi is emberből vagyunk a hibáinkkal együtt. Felküldtünk egy olyan eszközt, ami jó ötletnek tűnt először. Úgy hívják, hogy Fridge Rover. Láttak ilyet? A Fridge Rover egy gyerekjáték, egy játékautó. Játszani úgy kell vele, hogy először fel kell húzni, ekkor a kerekei forogni fognak, forgatja azokat a beépített rugós szerkezet. Ha az asztalra tesszük, akkor a súrlódási erő révén haladni fog az asztalon. Haladni fog a függőleges felületeken is, ha az anyaga ferromágneses, mint például a hűtőgépeké. A Fridge Roverbe beépítettek két mágnest is. Ennek köszönhetően, egy ferromágneses lapon, amely függőleges, ha úgy tetszik tetszőleges helyzetű lehet, tud közlekedni a Fridge Rover. A hűtőgépek éppen ilyen ferromágneses lapokkal vannak borítva. Hűtőmágnest mindenki látott nos ez egy „mozgó hűtőmágnes’. Az ISS asztalára „letéve” nem fog a felhúzott Fridge Rover mozogni, mert a súrlódás nem jön létre a kerekei és az asztal között. Súlytalanság van, nincs összeszorító erő. Úgy volt a tervekben, hogy egy Fridge Rovert fölvisznek az űrállomásra. Egyetlen egy gond az volt, hogy az ISS-en nincs ferromágneses felület sehol sem, vagy alumíniumból, vagy titánból készülnek az eszközök, mert a sűrűségük sokkal kisebb, mint az acélé és kellően szilárdak. Ezeket könnyebb és olcsóbb feljuttatni az űrbe. Az ISS-en található fémek az alumínium és a titán paramágnesek. Vagyis ezekkel a kísérletet nem lehet elvégezni, hiszen nincs a felület és a Fridge Rover között vonzóerő.
Végül szeretnék egy internetes oldalt[3] a figyelmükbe ajánlani, ez itt a reklám helye! A Műegyetemen a HUNOR program fizikaórájáról, a kísérletekről találhatnak hasznos információkat ott.
Az előadásom végére értem, köszönöm a figyelmet!
[1] https://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A1jl:Dzhanibekov_effect.ogv
