Klímakutatáshoz fejleszt repülőgépre telepíthető, a légkör nedvességtartalmát mérő műszert a szegedi fizikus

– A Szegedi Tudományegyetem Fizika Doktori Iskola másodéves hallgatójaként publikált először. A tudományos önéletrajzába most az is belekerülhet, hogy az SZTE 2016-ban először meghirdetett innovációs pályázatán a „leginnovatívabb PhD munkáért kategória díjazottja” lett. Milyen sorozat része lesz ez az elismerés?

– Nyertem már Jedlik Ányos predoktori ösztöndíjat, illetve az új mérésvezérlő és adatgyűjtő rendszeremet az alaprendszert fejlesztő cég, a National Instruments is díjazta. A Szegedi Tudományegyetem Innovációs Díja megtisztelő. Hosszú távon pozitív hatása lehet. Ha például két jelölt közül kell majd választaniuk a bírálóknak, akkor ez az elismerés nyomós érv lehet mellettem.

A köztársasági elnöknek is elmagyarázta

– Dolgozatának címe: Légkörkutatási célú fotoakusztikus spektroszkópián alapuló kétcsatornás vízgőzmérő rendszer fejlesztése. Egy mondatban hogyan tudná összefoglalni e nyertes pályázatának a lényegét?

– A diódalézeres fotoakusztikus spektroszkópián alapuló mérőrendszer egyedülálló módon képes meghatározni a légkör vízgőz és teljes víz-tartalmát, méghozzá bármilyen, repülés során előforduló koncentráció esetén, a konkurens egycsatornás – azaz vagy csak vízgőzt, vagy csak teljes vizet mérő – megoldásokkal összevethető, vagy jobb precizitással és pontossággal.

– Mikor a legzöldebb magyarországi egyetemre, az SZTE-re ellátogatott a köztársasági elnök, Áder János, akkor neki is elmagyarázta, miként működik ez a klímaváltozás előrejelzésében kulcsszerepre pályázó műszer. A Repülőgépek kondenzcsíkja és a klíma címmel a közéleti televízió Kék bolygó műsorában is ön mutatta be a berendezést. Tehát: nézzük a részleteket! Mi a „fotoakusztikus spektroszkópia”?

– Olyan mérési technológia, amivel bizonyos anyagok koncentrációját lehet nagy pontossággal meghatározni. Ezzel a lézeres spektroszkópiai eljárással azt mérjük meg, hogy a vizsgált minta mennyi fényt nyel el. Ebből az eredményből tudunk következtetni arra, hogy mekkora a vizsgált anyagnak a koncentrációja.

– A vízgőzmérő rendszer az SZTE Szabó Gábor akadémikus által vezetett kutatócsoportjának az egyik fejlesztése. Milyen újdonságra utal, hogy a dolgozata címében is kiemelte: „kétcsatornás” ez a vízgőzmérő rendszer?

– A légkörben a víz adja az üvegház-hatásnak a 75 százalékát. E 75 százalék egyharmada a felhők, míg kétharmada a vízgőz járuléka. A pontosabb klímamodellek, előrejelzések elkészítésének feltétele, hogy mérjük a levegő nedvességtartalmát. Ennek egyik technikája, hogy a műszerünket kutató-repülőgépre, vagy menetrend szerint közlekedő utasszállító repülőgépre telepítik és azok normál útjain is méréseket végeznek. Ez utóbbi minimális plusz költséget jelent a működtetésben. Tudni kell: a felhő és a vízgőztartalom másként járul hozzá az üvegházhatáshoz, ezért célszerű ezeket megkülönböztetni méréskor is. Erre képes a mi kétcsatornás rendszerünk.

Egy berendezés tökéletesítésének lépései

– Mikor kapcsolódott be ezekbe a friss doktori címét is eredményező kutatásokba?

– 2008-ban, a doktori tanulmányaim kezdetén. Akkorra már a kutatócsoport tagjai kifejlesztettek egy olyan vízgőzmérő műszert, amelyik túljutott a laboratóriumi tesztelés fázisán, de még messze volt attól, hogy a gyakorlatban is megbízhatóan működjön.

– Ennek a berendezésnek a tökéletesítése lett az Ön feladata?

– Lényegében igen. Három fő területen járultam hozzá a műszerfejlesztéshez. Az egyik, hogy az alkalmazott lézer hullámhosszát nagy pontossággal kell beállítani arra a hullámhosszra, ahol a vízgőz elnyeli. Nekem egy nagyságrenddel sikerült pontosítanom a beállítás pontosságát egy újfajta algoritmus kifejlesztésével.

A második, a legösszetettebb feladat a rendszer kalibrálásának, az adatok értékelésének a kifejlesztése volt. Itt a nehézséget az jelenti, hogy a vízgőz koncentrációja a földfelszínen – évszaktól és időjárástól függően – 5000 és 30000 ppm között változhat. A ppm, azaz a part per million az egész milliomod része. Például 30 ppm vízgőz-koncentráció azt jelenti, hogy minden egymillió molekulából átlagosan harminc a vízmolekula. Ám a magas légkörben a vízgőz koncentrációja 1 ppm körüli lehet, de azt is egytized ppm pontossággal kell meghatározni. Ezt a feladatot bonyolítja, hogy a berendezésünkkel – a repülőgépes felhasználás miatt – változó nyomás mellett kell mérnünk, amiből következően a rendszert egy összetett kalibrációs felülettel lehet csak jellemezni. Majd olyan eljárást kellett kidolgoznom, amivel a kalibrációs felületből és a mért adatokból meg lehet határozni a vízgőz-koncentráció pontos mértékét. Ez azért nem egy megoldhatatlan probléma, ám úgy kellett megvalósítani, hogy a mért nyers adatokat teljesen automatizáltan, valós időben fel is dolgozza a műszer, vagy a hozzá csatlakoztatott adatgyűjtő számítógép, azaz a jelfeldolgozás számolási igénye ne legyen túl nagy. A cél ugyanis az, hogy ez a műszer bekerülhessen egy repülőgép belsejébe, és felügyelő személyzet nélkül működjön: mérjen és az adatokat a másodperc ezredrésze alatt értékelje is.

A harmadik terület pedig az, hogy a műszerünkhöz egy új mérésvezérlő és adatgyűjtő rendszert is fejlesztettem. Ennek kettős célja volt: a minőségbeli előrelépés mellett a méret és tömegcsökkentés volt a fő cél. A fejlesztés során részben olyan alkatrészeket hasznltam, amelyeket bárki megvásárolhat, részben pedig egyedieket terveztem és készítettem el, például áramkört fejlesztettem. Valamint az egész rendszer működését programozással definiáltam. Ezzel az új vezérlőrendszerrel az egész berendezésünk akkora lett, mint egy nagyobb aktatáska.

– Ilyen összetett feladat megoldásához elegendő az ön fizikus képzettsége? Mi minden szükséges ahhoz, hogy helyt álljon?

– Fizikusként nagyon sok szükséges ismeretet megtanultunk a Szegedi Tudományegyetemen. A képzésünk része volt a programozási és az elektronikai ismeretek is, de szabadon választható órákon is lehetőségem volt az elmélyülésre. Idővel, ezekre alapozva, az önképzésé lett a főszerep. A munkám végzésekor igen sok villamosmérnöki ismeretre is szükség volt.

A problémamegoldó kutató jellemzői

– Hogyan határozza meg a neve után illeszthető titulust? Helyes, ha azt mondom: „műszerfejlesztő fizikus”?

– Inkább problémamegoldó kutatót mondanék.

– Mire van szüksége a problémamegoldó kutatónak a sikerhez?

– A józan paraszti ész, a logikus gondolkodás és a kreativitás az alap. A szegedi egyetemen menet közben alakult ki az érdeklődési területem. Az itteni nyugodt és támogató légkör, és általánosságban a megfelelő eszközpark is kell az eredményhez. Ugyanakkor érezhető, hogy az eszközparkunk számos területen nem veszi fel a versenyt az elérhető csúcstechnológiával. Ez azonban kreativitással sok esetben kompenzálható.

– Ez a laboratórium – csavarokkal, fúrókkal, csavarhúzókkal – nem a tudomány elefántcsont tornyára, inkább lakatos-műhelyre emlékeztet.

– Egy műszer fejlesztésének jelentős hányadát teszi ki a kétkezi munka. Egy-egy ilyen berendezés összeállításához valóban fémet kell fúrni, menetet kell vágni, a megtervezett áramköröket össze kell szerelni, az alkatrészeket be kell forrasztani. A munkához csavarokra, kábelekre, mindenféle szerszámra is szükség lehet.

Fény, hang, vízgőz

– Mi a lelke a készüléküknek?

– Legalább három lelke van a mi berendezésünknek. Az egyik a dióda lézer, aminek a fényét rá tudjuk hangolni a vízgőz elnyelési vonalára, és ennek segítségével tudunk méréseket végezni. A második lényeges elem a fotoakusztikus kamra, amiben a méréseket végezzük. Ennek működése egyszerű. A lézer modulált fényével átvilágítunk rajta, benne hangot keltünk és ennek a hangnak az intenzitását mérjük egy mikrofon segítségével.

– A hangnak és annak az intenzitásának mi a köze a vízgőzhöz?

– Önmagában nem sok, a mérési technikához van köze. A mérés során a fényt moduláljuk, vagyis ki-be kapcsolgatjuk 4-5 kilohertz frekvenciával, így érjük el, hogy a kamrában lévő gáz periodikusan fogja elnyelni azt, ezért periodikusan kicsit felmelegszik, majd lehűl. Ez a periodikus hőmérsékletváltozás periodikus nyomásváltozást fog generálni, ami pedig nem más, mint hang. Ezzel az Alexander Graham Bell ötletén alapuló módszerrel mérünk. Egyébként erre a technikára alapozva Bell az 1880-as – 1890-es években alapvetően vezeték nélküli telefonhálózatot próbált kiépíteni, ami irreális elképzelés volt, de a vezeték nélküli telefonhívása sikeresnek bizonyult.

– Mi a harmadik lelke a berendezésnek?

– Az elektronika, ami az egész rendszert vezérli: meghajtja a lézert, méri a mikrofon jelét, azt feldolgozza, illetve a nyers adatokat is „kiértékeli”.

– Hol és mikor lesz kész és használható a műszerük?

– A műszer egy korábbi változata évek óta alapeleme a CARIBIC projekt műszerparkjának. A legújabb fejlesztéseket is tartalmazó változatban néhány apró technikai módosítás van hátra. Például a műszert új dobozba kell áttenni, ott újból fel kell építeni, biztonságosabbá kell tenni hardveresen és szoftveresen, fel kell készíteni a rendkívüli esetekre is. De ebben már nincs sem technikai, sem ötletbeli kihívás. Ha minden alkatrész rendelkezésre áll, akkor 1-2 hetes munkával elnyerheti végleges formáját a műszerünk. A műszert kiválasztották a IAGOS projektben való részvételre is: ha sikerül a csoportunknak, a szegedi egyemnek, valamint a magyar államnak is minden feltételt teljesítenie, akkor 20-30 repülőgépre is felkerülhet, és része lehet egy globális légkör-monitorozó hálózatnak. Ez további feladatokat ad majd.

– Tehát a doktori képzése kezdetén megismert berendezéshez képest egy jobban működő, kisebb méretű és könnyebb műszert sikerült elkészítenie. De mi ösztönözte önt és kutatótársait, hogy repülőgépbe helyezhető vízgőzmérő műszert fejlesszenek?

– Először a németországi Karlsruhei Kutatóközpontból kerestek meg minket, illetve az akkori kutatócsoportot, hogy fejlesszünk ki egy ilyen műszert. Részben azon berendezés sikerének köszönhetően egy uniós és egy OTKA-pályázat keretéből sikerült továbbfejleszteni.

Egy kezdő hátterei

– Mit tekint kihívásnak?

– A cél számomra mindig az, hogy a munkám eredménye egy működő valami legyen, ami jobban teljesít, mint a hagyományos vagy más csoportok által fejlesztett megoldások. Ha egy probléma megoldása nem triviális, akkor megéri foglalkozni vele.

– Egy kutatócsoport részeként dolgozik. Mit jelent ez a háttér egy kezdő számára?

– Ennek a műszernek a fejlesztésén leginkább egyedül dolgoztam. Persze ha a csoport többi tagja kezdetben, illetve a későbbiekben egy-egy probléma megoldásában nem segített volna, akkor nem tartanék itt. Emellett a fejlesztés mellett több kisebb-nagyobb projektben dolgoztunk együtt, hol én segítettem, hol nekem segítettek. Jelenleg két másik projektben veszek részt. A Mol megbízásából kőzetek földgáz-áteresztő és -megtartó képességét vizsgáljuk. Ez a nem konvencionális földgázkitermelés szempontjából is fontos projekt. A másikban pedig a dieselmotorok szennyezőanyag kibocsátását monitorozásához fejlesztünk egy rendszert. Mindkettőben igen sok feladat áll előttünk. Ráadásul az oktatásba is bevontak: programozást tanítok fizikusoknak, informatikusoknak és vegyészeknek, továbbá fotoakusztikus spektroszkópiát adok elő fizikus, vegyész, biológus és környezettan, illetve környezetmérnök hallgatóknak.

– Az ipari megbízások megoldásán dolgozó tudományos kutatót csábítgatják cégekhez, jól fizető állásba?

– Hazudnék, ha azt mondanám, hogy nem kaptam felkéréseket. Egyelőre a legfontosabbnak a szakmai fejlődést tartom, az önképzést helyezem előtérbe, elsősorban mechanikai-hardveres, illetve a villamosmérnöki területeken. Hogy pontosan mit hoz a jövő, azt még nem tudom.

– Ez nehezen fér bele napi 8 óra munkaidőbe. Mit csinál a kurta szabadidejében?

– Szeretek biciklizni, horgászni, olvasni, elsősorban tudományos-fantasztikus irodalmat. Kedvenceim Isaac Asimov és a gyakran korunk Asimovjaként is emlegetett Dan Simmons regényei.

– Tizenkét éve egyetemi polgár. Tervei szerint tizenkét év múlva mit fog majd csinálni?

– Fogalmam sincs. Tudományos munkában nehéz, ha nem lehetetlen ilyen távra tervezni. De bízom benne, hogy értelmes, érdekes, a gyakorlatban is használható, hasznosítható fejlesztésekkel foglalkozom.

SZTEinfo – Újszászi Ilona

Fotók: Bobkó Anna