2018. szeptember: portré, jegyzet, agrárium, genomika, kémia, tudomány, lézer, innováció, energiagazdálkodás, közlekedés, építés, vízgazdálkodás, zöldkörnyezet, biztonságtechnika, it, ipari automatizálás, ipar 4.0
2018. szeptember 5.

Szerző:
Horváth Dániel

Az optika reneszánsza

Minden kornak megvan a leginkább szem előtt lévő innovációs területe, amely a leglátványosabban fejlődik, miközben más fejlesztési ágazatok, úgy tűnhet, parkolópályán vannak. Ma a biotechnológia, a mesterséges intelligencia van a fókuszban, miközben például az optikáról keveset hallani. Ez azonban csak érzéki csalódás, hiszen, mint látni fogjuk, a fény „megmunkálásával” foglalkozó tudományág ott van szinte minden modern kori találmány hátterében, a LED-ektől a mobiltelefonokig, az atomerőművektől az olajfúró tornyokig.


Két fiatalt látunk a videón, egyikük furcsa napszemüveget tart a kezében. Megkérdezi a másiktól, hogy milyen színeket lát a környezetben, de az szomorúan mondja, hogy számára minden szürke, egyszínű, hiszen színvak. Ekkor odaadja neki a szemüveget, ezután pedig hollywoodi filmeket idéző érzelemáradat következik. A szemüveget ugyanis a színvakság korrigálására fejlesztették ki, emberünk pedig (már amennyire hihetünk egy reklámcéllal készített videónak) életében először lát színeket.
Az illetőnek boldogságában potyognak a könnyei, mert akkor jött rá, hogy megváltozott az élete. Mindez hosszú évtizedek optikai fejlesztésének köszönhető, hiszen az eszköz működési elve a látott fény komponenseinek szelektív hullámhossz-módosításán alapul. Noha a videóban szereplő szemüveg egy amerikai cég terméke, a színtévesztés optikai korrigálásának ötlete először a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen (BME) dolgozó optikus kutatók agyából pattant ki, és az innovációs folyamat eredményeként ma már Magyarországon is készülhetnek hasonló (sőt a megkérdezett szakember szerint ennél is jobb) segédeszközök.

Optikai minőségellenőrök

„Az optika jelenleg a reneszánszát éli. Amerre csak néz az ember, mindenhol optikai újdonságokat lát. Szinte nincs is modern elektronikai, technológiai eszköz, amelyben ne lennének ott az optikai elemek – jelenti ki Ábrahám György egyetemi tanár, a BME Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszékének professor emeritusa. – És nem csak a fényképezőgépekre kell gondolni. Ott vannak például a lézerlemezek, a CD vagy a DVD. A lézerletapogatású lemezek működése olyan optikai elveken alapul, amelyekről túlzás nélkül állítható, hogy zseniálisak. Nemcsak a megvilágító lézernyalábhoz elengedhetetlen az optika, de a lemez felületéről visszavert fény detektálása is elképzelhetetlen nélküle. A fókuszban megtartásától a barázdák követéséig trükkös optikai megoldások sora biztosítja a működést.”

„Az optika felfutó időszakát éljük. Új fényforrások jelentek meg mind a köznapi használatban, mind az ipari területeken. Ma már egy nagyságrenddel nagyobb teljesítményű lézereket használunk, mint tíz-tizenöt évvel ezelőtt – mondja Bozóki Zoltán, a Magyar Tudományos Akadémia – Szegedi Tudományegyetem Fotoakusztikus Kutatócsoport tudományos tanácsadója. – Ezáltal, pusztán a lézerek fejlődésének köszönhetően, egy nagyságrenddel érzékenyebb fotoakusztikus műszereket tudunk készíteni. Emellett az optikai eszközök élettartama is megnövekedett. Nekünk van olyan műszerünk ipari körülmények közé telepítve (a földgáz vízgőztartalmát méri, erről később még bővebben lesz szó – a szerk.), amely tizenöt éve folyamatosan, leállás nélkül működik. Ez annak tudatában igazán nagy szó, hogy a műszerbe telepített lézer másodpercenként négyezerszer ki-be kapcsolódik. Ez összesen kétbillió bekapcsolódást jelent. Ezek tehát lenyűgöző, strapabíró eszközök.”

Ám ahhoz, hogy az ipari alkalmazásokban szerepet játsszon az optika, még csak az sem szükséges – ahogy a CD-lemezek esetében –, hogy a végtermék optikai elveket tartalmazzon. Számos modern termék gyártástechnológiája ugyanis kifinomult, és legfőképpen érintésmentes minőségbiztosítási módszereket igényel. Sokszor ugyanis, ha fizikai érintéssel járó mérésekkel próbálnánk ellenőrizni a minőséget, akkor ezzel a beavatkozással mi magunk tennénk kárt a termékben. Emellett a modern sorozatgyártás gyorsasága sem teszi általában lehetővé azt, hogy minden egyes elkészült darabnál megálljon a szállítószalag, hogy elvégezzünk egy mérést a tárgyon. Ehelyett menet közben kell ezt megoldani, a másodperc tört része alatt. A minőség ellenőrzése, a selejt kiválogatása ilyen esetekben lézerfénnyel vagy a kamerafelvételek automatikus képfeldolgozásával történik. Így mérik a termékek alakját, színét, méreteit, darabszámát.

A modern sorozatgyártás gyorsasága sem teszi általában lehetővé azt, hogy minden egyes elkészült darabnál megálljon a szállító­szalag, a minőség-ellenőrzést, a selejt kiválogatását menet közben kell megoldani a másodperc tört része alatt. Ez lézerfénnyel vagy a kamerafelvételek automatikus képfeldolgozásával történik. Így mérik a termékek alakját, színét, méreteit, darabszámát.

„Egy tatabányai villanymotorgyárban a kész villanymotorok minőség-ellenőrzése például úgy történik, hogy a szállítószalag megállása nélkül áramforrás kapcsolódik rájuk, és megpörgeti a motort – magyarázza a professzor. – Az üzemelő motort polari­zált lézerfénnyel világítjuk meg, majd a visszavert fény polarizációjának elemzéséből ki tudjuk értékelni a motor teljes rezgésképét. A rezgéskép alapján pedig meg lehet állapítani, hogy van-e benne hiba, sőt azt is, hogy mely részén van a hiba. Mindez magas szintű optikai fejlesztések nélkül elképzelhetetlen lenne.”

Ábrahám professzor és munkatársai a Paksi Atomerőműben is végeztek optikai fejlesztéseket, amelyek hatására nőtt az erőmű biztonsága, ezáltal megnövelhetővé vált az élettartama. Az egyik ilyen fejlesztés során a reaktorok fölött, harminchárom méteres magasságban üzemelő daru irányítását oldották meg távvezérléssel, így a kezelő már a sugárzástól távol, biztonságos körülmények között dolgozhat. A kezelő több kamera képe alapján látja, hogy éppen hol áll és hogyan mozog a daru, de mivel a feladat rendkívüli precizitást igényel, így elsőrendű fontosságú, hogy minden pillanatban nagy pontossággal lehessen meghatározni a daruhorog pozícióját. Ezt optikai távmérők segítségével oldották meg. Több, infravörös fénnyel működő távmérőt helyeztek el a reaktorcsarnokban. Az általuk mért távolságokból milliméter pontossággal meg lehet határozni a daruhorog helyzetét.
Ugyancsak a Paksi Atomerőműben valósult meg egy másik optikai fejlesztés, amelyhez meglehetősen szokatlan helyről, a tankokból vették az ötletet. A páncélozott harci járművekben olyan optikai szögmérők működnek, amelyek biztosítják, hogy a tank zötykölődése dacára is folyamatosan egy irányba, a célra mutasson az ágyú csöve. Ezt a technológiát alkalmazták az atomerőműben, amikor a karbantartás előtt egy acél védőhengert emeltek rá a reaktorblokkra, hogy megvédje a környezetet a szétszerelt reaktorelemek sugárzásától. Nagyon fontos volt, hogy e műveletet tökéletesen pontosan, a tervezett pozíciótól zéró eltéréssel hajtsák végre. A szögek, esetleges dőlések ellenőrzését pedig a katonaságtól „kölcsönzött” optikai szögmérő technikával oldották meg. Azóta tovább modernizálták az eszközöket, így ma már elektronikus vízszintező berendezések üzemelnek az atomerőműben.

A nem jó színre érzékeny csapok

Ábrahám György sok évtizedes optikai mérnöki pályafutásának legismertebbé vált fejlesztése nem is állhatna távolabb az atomerőműtől, pláne a tankoktól. Mégis optikáról, közelebbről a színek érzékeléséről, módosításáról van szó. De mielőtt rátérnénk a bevezetőben már beharangozott innovációra, megint csak látszólag messziről kell kezdenünk. Méghozzá a paradicsomkonzervtől.

„Sokszor a véletlenen múlik, hogy egy egyetemi kutató fejéből végül sikeres innovációhoz vezető ötlet pattan ki. Ahhoz, hogy a Műszaki Egyetemen valaki jó oktató, kutató lehessen, jó mérnöknek kell maradnia, ehhez pedig folyamatos ipari kihívásokra van szükség. Így az egyetemi–ipari együttműködések a pénzügyi bevételek mellett szellemi gyakorlatokként is értelmezhetők
– magyarázza a professzor. – Ebben az esetben a Kecskeméti Konzervgyártól érkezett megbízás azzal kapcsolatban, hogy hogyan lehetne a paradicsomkonzervek színét objektív módon mérni. A német importra készített paradicsomkonzerveket ugyanis az átvevő sokszor a nem megfelelő színre hivatkozva utasította vissza. A konzervgyár ezt akarta megelőzni azzal, hogy már a gyárban ellenőrzi a termék színét (hogy elég piros-e), és ha nem, akkor még idejében beavatkozik.”

A probléma megoldására felkért – akkori nevén – Finom­mecha­­nika-Optika Tanszék munkatársai az elvárt fejlesztés megvalósítása közben nagy gyakorlatot szereztek a színszűrők használatában, és abban, hogy általuk hogyan módosítható szelektíven a környezetből érkező fény színe. De annak elméletébe is komolyan bele kellett ásni magukat, hogy az ember szeme miként érzékeli, agya pedig hogyan ítéli meg a látott színt. Ebből jött az ötlet, hogy esetleg színszűrők révén a színtévesztésen is lehetne segíteni, konkrétan egy szemüveg lencséjére készített színszűrő réteggel.
A fejlesztés nem haladt gyorsan, mert a szemüveg kutatását nem támogatta senki. Az innováció az első időkben a színtévesztés elméletének hibái miatt is rossz irányba ment. Korábban ugyanis úgy hitték, hogy a színtévesztés azért alakul ki, mert az emberi retinában elhelyezkedő egyes csap receptorok fényérzékenysége gyengébb a normálisnál. Később azonban kiderült, hogy nem az érzékenység erőssége okozza a problémát, hanem annak hullámhossz menti eltolódása. Tehát a receptorok nem pont arra a színű fényre a legérzékenyebbek, amelyre „figyelniük kellene”.
A kutatók a fejlesztés során egyszerre és egyre mélyebben értették meg az emberi színlátás fiziológiai hátterét, és tökéletesítették terméküket, a színlátást korrigáló szemüveget.

A színvakság korrigálására használható szemüveg hosszú évtizedek optikai fejlesztésének köszönhető, az eszköz működési elve a látott fény komponenseinek szelektív hullámhossz-módosításán alapul.

Ma már szabadalom védi a szemüveget a világ legnagyobb piacain, bár időközben megjelent néhány konkurens cég hasonló terméke is. Ez nem is csoda, hiszen rengeteg a színtévesztő ember a világon. A férfiak nyolc százalékát érinti ez az állapot, ami több százmillió potenciális vevőt jelent világszerte. (Azért szinte kizárólag a férfiak érintettek, mert az eltérés az X-kromoszómán öröklődik, és recesszív, tehát csak akkor jelenik meg, ha nincs mellette „egészséges” gén. Így a két X-kromoszómával rendelkező nők csak akkor lesznek színtévesztők, ha mindkét szülőjüktől színtévesztő gént örökölnek.) Az innováció mára olyan szintre jutott, hogy hamarosan a potenciális vevők már bárhol a világon az interneten keresztül is „bevizsgálhatják” a saját színtévesztésüket, és olyan szemüveget rendelhetnek, amely pontosan az ő állapotukat kompenzálja. A szemüveget viselve pedig egy soha nem látott (színű) világ tárulhat fel előttük.

Fényhozó diódák

Az elkövetkező években az optikai innovációnak várhatóan a fényforrásfejlesztés területén lesz a legnagyobb hatása mindannyiunk mindennapi életére. A fénykibocsátó diódák, a LED-ek (light emitting diode) már ma is soha nem látott gyorsasággal hódítanak a világban, és várhatóan a jövőben szinte egyeduralkodóvá válhatnak. A LED-ekről mindenki tudja, hogy a korábbi világítástechnikai megoldásokhoz képest jóval hatékonyabbak, hiszen kevesebb energiát fogyasztanak, és üzemidejük is hosszabb. Abba azonban kevesen gondolnak bele, hogy e hatékonyság mögött milyen kifinomult mérnöki – főként optikai és elektronikai – megoldások állnak. Különböző színű fényeket hoznak létre, majd szűrőkkel változtatnak a színén (amely például a fehér LED esetében a kezdeti kritikák szerint túl kékes volt, nem a jól megszokott sárgásabb „meleg fehér”).

„Az optikai fejlesztéseknek hála ma már a régi izzólámpákat idéző fényű karácsonyi LED-eket is kapni. Bár persze ez jórészt csak megszokás kérdése. Hiába ugyanolyan a LED fénye, mint a természetes nappali napfény, azt az emberek többsége kéknek, kellemetlennek fogja találni
– mondja Ábrahám György. – De ez nem jelenti azt, hogy köteleznünk kéne az embereket, hogy szeressék a kékesfehér színű LED-eket. A mérnöki innováció mindig is alkal­mazkodott az emberi igényekhez, így mára már kifejlesztették a legkülönfélébb színű LED-eket, illetve a színhőmérsékletük objektív mérését lehetővé tevő eszközöket.”

A fénykibocsátó diódák, a LED-ek nagyon gyorsan elterjedtek a világban, és várhatóan a jövőben szinte egyeduralkodóvá válhatnak. A korábbi világítástechnikai megoldásokhoz képest jóval hatékonyabbak, kevesebb energiát fogyasztanak, üzemidejük hosszabb. Az optikai fejlesztéseknek köszönhető, hogy ma már a régi izzólámpákat idéző fényű karácsonyi LED-ek is kaphatók.

Bár a LED-ek hatékonysága már ma is meghaladja a hagyományos fényforrásokét, a fejlesztésük folyamatos, így várhatóan olcsóbb és még megbízhatóbb fénykibocsátó diódák jelenhetnek meg a piacon. A kutatások egyik iránya új anyagok használatát teszteli a diódák előállításában. A Princeton Egyetem villamosmérnöki tanszékén például egy új ásvány, a perovszkit felhasználásának lehetőségeit vizsgálják. A perovszkit maga nem új, hiszen már a 19. században felfedezték. Kémiai összetételét tekintve kalcium-titanát egységekből épül fel. Később az elnevezést kiterjesztették más összetételű ásványokra is, amelyek kristályszerkezetükben az eredeti perovszkitra hasonlítanak – és ezért fizikai tulajdonságaik is hasonlóak.

A perovszkit 1839 óta ismert anyag. Gustav Rose német ásványkutató fedezte fel az Urál hegységben, nevét egy orosz mineralógusról, Lev Alekszejevics Perovszkijról kapta.

E tulajdonságok pedig igen érdekesek lehetnek az ipar számára, így a perovszkitot – a szilíciumot kiváltandó – egyre sikeresebben használják például a napelemek gyártásához. A Princeton kutatói ugyancsak a szilíciumot és más, meglehetősen drága alapanyagokat szeretnék kiváltani a perovszkit segítségével a LED-ek gyártásánál is. Reményeik szerint az így kifejlesztett jövőbeli LED-ek nemcsak olcsóbbak, de strapabíróbbak, hozzá még energiahatékonyabbak lehetnek. Ammónium-halogén származékok rétegeinek alkalmazásával elérték, hogy rendkívül apró, 5–10 nanométeres perovszkit kristályok alakuljanak ki, majd ezek önszerveződve a korábbiaknál lényegesen vékonyabb és egyenletesebb szerke­zetű nanofilmréteget hozzanak létre. E réteg kvantumhatékonysága (tehát az általa kibocsátott fotonok száma, azonos mennyiségű áthaladó elektron hatására) – legalábbis a laborban – lényegesen jobbnak bizonyult, mint a hagyományos LED-ek hatékonysága. Magyarul azonos áramerősség esetén fényesebben világítanak.

Hangkeltő lézerek

Az optika és a méréstechnika mindig is nagyon közel állt egymáshoz, nemritkán e két innovációs terület egybe is fonódik. E jelenség szép példája a fotoakusztika, amelyben – ahogy neve is mutatja – a fény mellett a hangok is ugyanolyan fontos szerepet játszanak. Segítségével legtöbbször keverékek egyes össze­tevőinek koncentrációját mérik. Az eljárás lényege, hogy a precízen kiválasztott fényforrás (például lézer) hullámhosszát ráhangolják a mérendő komponens egy jellegzetes elnyelési vonalára, tehát olyan színű fénnyel világítják meg, amelyet az anyag jól el tud nyelni.
A lézert periodikusan ki-be kapcsolják (méghozzá nagyon gyorsan, másodpercenként több ezerszer), így az anyag fényelnyelése is periodikussá válik. Ezáltal gyakorlatilag energiát pumpálnak például a mérendő gázba, periodikusan melegítik. Emiatt a sűrűsége is pulzálni kezd, ami hangot hoz létre. E hang erőssége arányos lesz a koncentrációval, és ha egy mikrofonnal detektáljuk, a hangerősségből következtethetünk az adott összetevő koncentrációjára.

„A lézerek hullámhosszát hihetetlenül pontosan, hat-nyolc tizedesjegy pontossággal tudjuk szabályozni. Ez rendkívül hasznossá teszi őket a méréstechnikában. A fotoakusztikában is e jellegzetességet hasznosítjuk
– magyarázza Bozóki Zoltán. – A technológia alapját képező jelenség nemcsak gázokban, de folyadékokban és szilárd anyagokban is fellép, így elméletben ott is lehetne alkalmazni a módszert. Vannak próbálkozások például noninvazív vércukormérésre fotoakusztikus módszerrel. Más kollégák az élelmiszer-hamisítás kimutatására használják. Mi azonban maradunk a gázok mérésénél.”

A fotoakusztikát pontossága rendkívül hasznossá teszi a méréstechnikában. Segítségével legtöbbször keverékek egyes összetevőinek koncentrációját mérik nemcsak gázokban, de folyadékokban és szilárd anyagokban is. Használható például az egészségügyben vércukormérésre, élelmiszer-hamisítás kimutatására vagy a földgáz nedvességtartalmának mérésére. A képen: melanóma korai kimutatása fotoakusztikus spektroszkóp segítségével.

Bozóki Zoltán és munkatársai már több mint két évtizede alkalmazzák sikeresen a fotoakusztikus módszereket a földgáziparban, és mindmáig szinte egyeduralkodók e területen. Műszereik már a tengeri fúrótornyokon is üzemelnek a messzi Északi-tengeren. Amikor 1995-ben először vették fel a kapcsolatot a Mollal, a cég figyelmét a földgáz nedvesség (vízgőz)-tartalmának mérése keltette fel. Ezután felgyorsultak az események, és a szakemberek ki­fejezetten hamar kifejlesztették az eszközt, amely immár nemcsak a laborban, de a Mol algyői gázüzemében is szolgálatba állhatott.
A gyakorlatban a gáz koncentrációmérése mintavételezéssel történik. Van egy mintavételi pont a nagy nyomású gázvezetéken, amelyen folyamatosan áramlik ki a méréshez szükséges minta. Nagyon fontos, hogy folyamatos gázáramlásban mérnek, hiszen ha leállítanák az áramlást, akkor a csövek faláról a vízcseppek azonnal visszaoldódnának a gázba, így meghamisítanák a mérést. A magyar szakemberek fotoakusztikus módszere, pontossága mellett, azzal is a konkurens (nem optikai elvek alapján működő) koncentrációmérő eljárások fölé nő, hogy jóval kevesebb gáz szükséges hozzá, ezért aztán kevesebb lesz a mintavételezés okozta veszteség is. Percenként két deciliter gáz elegendő a méréshez.
A nemzetközi piacra jutás azonban, a módszer minden előnye dacára, nagyon nehéznek bizonyult.

„Fiatal fejjel, a hazai telepítés sikerein felbuzdulva optimistán azt gondoltam, hogy majd külföldön is könnyű lesz a műszereinket értékesíteni. De messze nem ez volt a helyzet. Talán a földgázipar konzervatív volta miatt, hosszú éveken keresztül nem értünk el igazán sikert a nemzetközi piacon
– emlékszik vissza a Szegedi Tudományegyetem professzora. – Mi egy teljesen új módszerrel léptünk a piacra, és azóta sincs versenytársunk a földgázipari fotoakusztika területén. Egy norvég szakember például azt mondta nekünk, hogy azt tudja, hogy a magyarok finom gulyást főznek, de arról még nem hallott, hogy jó optikai mérőműszereket is tudnának készíteni. Az ilyen megjegyzések eléggé lelombozóak voltak.”
Idővel aztán megjött a nemzetközi siker is. Egy holland céggel sikerült kapcsolatot kialakítaniuk, amely segített a marketingben és a módszer terjesztésében, az eszközök telepítésében, szervizelésében. Utóbbi korántsem egyszerű, például akkor, ha a műszer egy tengeri fúrótornyon üzemel, és csak helikopterrel lehet megközelíteni. Ilyenkor ugyanis, meséli Bozóki Zoltán, a műszerésznek is tudnia kell helikoptert vezetni, ha netán valami baj történne a pilótával. Az együttműködésnek köszönhetően ma már Norvégia, Skócia, de Brazília, Ázsia partjainál is üzemelnek olyan földgázkitermelő szigetek, ahol a magyar kutatók által kifejlesztett fotoakusztikus koncentrációmérők dolgoznak. Vannak olyan régi tankerhajók is, amelyeket úszó gázfinomítóvá alakítanak át, és ezeken is működnek a Bozóki Zoltánék által alkotott eszközök. A műszerek fejlesztése és gyártása azonban továbbra is Magyarországon folyik.•

 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018

Innotéka