2013. július 3.

Szerző:
Bogdán Zoltán

Infravörös képek: a kozmosztól a kristályokig

Negyven éve egyeduralkodó az infrás távirányító, a hőskorban infra volt az adatátvitel csúcsa a mobiltelefonokban, a lámpa, a szauna és a hősugárzó pedig még ma is hódít. Azt már kevesebben tudják, hogy az infravörös képalkotás eredményeit a bolygókutatástól az orvostudományig, a rakétatechnikától a mikroelektronikáig számtalan helyen használják, igen eredményesen.


A háttér egyértelmű. Infrasugárzást minden olyan élő vagy élettelen test kibocsát magából, amely az abszolút nulla foknál (–273 °C) melegebb. Ezt a láthatatlan elektromágneses sugárzást speciális eszközökkel (például hőkamerákkal) észlelni is tudjuk, majd pedig átalakítani az emberi szem számára is értelmezhető képekké. A kutatók bizonyos esetekben nem elégednek meg a passzív észleléssel, a vizsgálandó anyagot aktívan besugározzák infravörös fénnyel, és az elnyelésből, visszaverődésből vonnak le tudományos következtetéseket.

Természetesen csak a fizikai alapelvek azonosak, hiszen óriásiak a különbségek a különböző tudományágak és felhasználási területek képalkotási módszerei, technikái és eredményei között. Ebből a hihetetlen sokféleségből próbálunk felvillantani néhány érdekes részletet.

Az infravörös sugárzás olyan elektromágneses sugárzás, melynek nagyobb a hullámhossza, mint a látható fénynek, de kisebb, mint a mikrohullámnak és a rádióhullámoknak. Az infravörös sugárzás 780 nanométer és 1 milliméter között mérhető, hullámhossz alapján lehet közeli, középső és távoli.

Épülettermográfia

A termokamerák egyik legelterjedtebb és minden bizonnyal leglátványosabb felhasználási területe az épülettermográfia. Szinte mindenki látott már olyan színpompás képet, ahol kékkel jelzett, jól szigetelt családi ház ajtaja vagy ablaka vörösen izzik a termofelvételen, így jelezve, hogy ott bizony szökik a hő. Ugyanilyen felvételek segítségével a lakáson belül fel lehet fedezni a tervezési vagy kivitelezési hibára utaló hőhidakat. Ezek kicsapódó nedvességet, majd penészedést okozhatnak, ami pedig károsíthatja a padlót, a falakat, nem beszélve a lakók egészségéről. Az sem nagy öröm, ha ezeken a felvételeken azzal szembesülünk, hogy hőhidas a betonkoszorú, a lábazat vagy a terasz, esetleg rossz minőségű téglából készült az egyik falszakasz, de a felvételek segítségével megelőzhetjük a nagyobb károkat, ezért igen hasznos lehet a hőkamera.

Ezek alapján joggal hihetnénk, hogy a régebbi lakóépületek utólagos javításánál és szigetelésénél ma már elengedhetetlen a hőkamerás vizsgálat, sőt az épületek ma már kötelező energetikai tanúsítványa (az úgynevezett „lakás zöldkártya”) sem készülhet el ilyesfajta vizsgálat nélkül.
Pedig ez nem így van. Hogy miért nem?

Dr. Medgyasszay Péter, a BME Magasépítési Tanszékének docense szerint a hőkamera az építészetben nagyon hasznos és szemléletes segédeszköz lehet, de akad azért vele néhány probléma. A kamerát ingatlanos körökben alapvetően két célra lehet használni: hibafeltárásra és szemléletformálásra – és ez a kettő alapvetően összefügg. A lakástulajdonos, a bérlő, a kivitelező vagy az önkormányzat képviselője látványos képeken szembesülhet a hibákkal, főleg, ha a kalibrálás miatt azok vörösen ugranak ki a zöld háttérből, pedig esetleg csak egy fok a hőmérséklet-különbség.

Mindez igen hasznos és eredményes lehet, de egyúttal átvezet bennünket a problémákhoz is. Ezek a kamerák ugyanis meglehetősen érzékenyek, és könnyen torzítanak. Elég egy rossz helyen lévő radiátor, nedvesebb időjárás vagy erőteljesebb napsütés, és máris eltérő eredményeket kapunk. Ennek következtében valójában nem lehet a segítségükkel konkrét épületenergetikai számításokat végezni, mert nehezen fogjuk megtudni, pontosan mekkora a fal vagy az ablak hőátbocsátási értéke, enélkül pedig nem lehet terveket készíteni.

Már ennyi is elég lenne a szakmai elbizonytalanodáshoz, de hátra van még a legnagyobb gond: ezek az ingatlanos hőkamerák tavasztól őszig gyakorlatilag használhatatlanok!
Ahhoz, hogy értékelhető felvételeket készítsünk, a külső és a belső hőmérséklet különbségének meg kell haladnia a 20 fokot. Tehát jószerével csak mínuszokban lehet dolgozni, az év háromnegyed részében nem. Ha ugyanis megközelítőleg azonos a külső és a belső hőmérséklet, nincs hőáramlás, illetve hőveszteség, tehát nincs mit mérni. Éppen ez a szezonalitás a fő oka annak is, hogy az energetikai tanúsítványról szóló kormányrendelet nem írja elő a kötelező használatukat. Az energiatanúsító szakember a saját hatáskörében döntheti el, felhasznál-e ilyen felvételeket vagy sem – és ez bizony nem használ az eljárás presztízsének és az ebből megélni szándékozók bevételeinek sem.

Természetesen nem csak lakóépületek vizsgálatára alkalmasak ezek az infrás készülékek, sőt az ipari és kereskedelmi létesítményeknél néha sokkal nagyobb a tét. Gondoljunk csak egy fűtött-hűtött hatalmas bevásárlóközpontra, ipari csarnokra, raktárra vagy éppenséggel egy hűtőházra. Az itteni termofelvételek esetenként súlyos milliókat hozhatnak az üzemeltetőnek, de a technikai-technológiai problémák itt is ugyanazok.

Űrkutatás, haditechnika, állambiztonság

Ezekről a területekről jóval kevesebb konkrét infrás információ jut el a földi halandóhoz, ami – az óriási téteket figyelembe véve – teljesen érthető is. Annyi viszont bizonyos, hogy mindhárom területen intenzíven használják az infravörös eszközöket, mert semmilyen más módszerrel vagy eszközzel nem helyettesíthetők.
A Föld körül keringő, infravörös kamerákkal (is) felszerelt polgári célú műholdak nagy része a bolygónkat, néhány kiemelt példányuk viszont a világmindenséget tanulmányozza.

Az infravörös tartománynak fontos szerepe van az időjárás-meg­figyelő műholdak méréseiben, amelyek az óceánok áramlásait, illetve a hurrikánok kialakulását követik nyomon (NASA – Mexikói-öböl). Ma már a mezőgazdaság és erdőgazdálkodás is hasznosítja az infravöröst érzékelő műholdak felvételeit, segítségükkel például igen jól megkülönböztethető az egészséges és a beteg vegetáció.

Már harminc éve is működött olyan amerikai–brit–holland csillagászati műhold (IRAS, Infrared Astronomical Satellite), amely a teljes égboltot figyelte infravörös hullámhosszon. Ma használt utódja, a Spitzer-űrteleszkóp összehasonlíthatatlanul nagyobb teljesítményre képes. A Mars és a Hold körül keringő műholdak egy része olyan infrakamerát is visz magával, amellyel nemcsak a felszín, de a felszín alatti rétegek hőmérséklete is mérhető. A tudósok általuk próbálnak végleges választ adni például arra az évszázados kérdésre, hogy volt-e valamikor víz (és élet) ezen a két bolygón.

A katonai műholdak vizsgálati céljairól és eredményeiről kevés információ szivárog ki, ám két dolog biztosnak tűnik. Egyrészt ezekben lehet a legmodernebb, legnagyobb felbontású infravörös technika, másrészt nem vizet, hanem olyan álcázott, esetleg föld alatt lévő haditechnikát és „élő erőt” keresnek velük, amelyek a látható fénnyel vagy rádióhullámokkal nem fedezhetők fel.

Évtizedek óta léteznek persze olyan infravörös katonai eszközök is, amelyeket nem az űrből irányítanak. Igen erős infravörös hullá­mokat bocsát ki például a repülőgépek hajtóműve. Az ellenséges ra­kéta hőkeresője érzékeli ezeket a hullámokat, és földi irányítás nélkül is megsemmisíti a gépet. Feltéve, ha az nem bocsát ki megtévesztő infracsapdákat, vagy nincsenek infravörös zavaróberendezései. Ezekre persze már az ellenségnek is megvannak az ellen-zavaróberendezései, és így folyik tovább a fejlesztés. Ugyanígy nehéz eltitkolni az infrás felderítőeszközök elől a robbanómotorral felszerelt, és ezért hőt kibocsátó földi harceszközöket (tankokat, mozgó rakétakilövőket, szállítójárműveket stb.).

Ami az állambiztonságot illeti, a rejtőzködő terroristák és más bűnözők (éjszakai) felkutatása elképzelhetetlen infraeszközök nélkül, de a határőrség is nagy hasznát veszi az ilyen berendezéseknek. Például a „nem schengeni” magyar határszakaszokra az elmúlt években 10-30 méter magas, infrás felderítőtornyok tucatjait telepítették. Főleg ezek segítségével kapják el az éjszakai gyalogos határsértőket, s így szűrik ki a kamionokban megbújó próbálkozókat is. Különleges felhasználási területük volt a hőkameráknak, amikor a madárinfluenzás időkben így próbálták felfedezni a súlyosan lázas egyéneket a repülőtereken.

Ipar, szolgáltatás

Az ipari termelésben, az energiaszolgáltatásban, illetve a szolgáltató szektorban is számtalan területen használják az infravörös kamerákat. A „telepített” kamera különösen ott terjedt el, ahol állandó kontrollra van szükség (nagyfeszültségű elektromos távvezetékek, transzformátorállomások, távfűtővezetékek, kohászat, üvegipar stb.), illetve ahol egy-egy nem kifejezetten drága alkatrész meghibásodása hatalmas anyagi károkat okozhat. A gépészet területén (nagy értékű, nehezen felügyelhető berendezések, erőművi futószalagok stb.) például az elkopott, meghibásodott mechanikus alkatrészek súrlódása nagyobb hőmennyiséget termel, s ez hőkamerával kimutatható.

Több mint 50 százalékban valamilyen hőmérsékleti problémára vezethető vissza az elektronikus berendezések meghibásodása, a nedvesség, a por, a rázkódás csak ezután következik. A fokozott hőtermelés pedig egy hordozható hőkamerával könnyen kideríthető.

A BME Elektronikus Eszközök Tanszéke szakmai körökben elsősorban két dologról ismert: egyrészt ők is részt vettek az első magyar műhold (Masat–1) létrehozásában, másrészt pedig nemzetközi szintű kutatásokat végeznek az elektronikus eszközökben zajló termikus hatások vizsgálata terén.
Még címszavakban sem tudjuk felsorolni a különböző integrált áramkörök, nagy teljesítményű és organikus LED-ek, mikroszenzorok, nanoelektronikai eszközök, rendszerek és szoftverek terén folytatott tevékenységüket, ám a háttérben nagyon sok területen feltűnik a bennünket érdeklő infravörös sugárzás és az annak vizsgálatára szolgáló eszköz.

Az infravörös kamera legfőbb előnye – hogy érintés- és roncsolásmentesen lehet vele vizsgálódni – itt is fontos szerepet játszik. A tanszék rendelkezik egy általános célú, de kiegészítőivel egészen speciálissá varázsolt, több mint tízmillió forint értékű, hordozható hőkamerával is, amely, némi túlzással, szinte reggeltől estig működésben van. A kutatómérnökök különböző saját fejlesztésű programokkal és egyéb kreatív megoldásokkal (majdnem) olyan szintre hozták, mintha egy 60-80 millió forintos, tizedfokokat is mérni képes tudományos eszközt vásároltak volna.

A kamera a laborban érthető módon a saját eszközrendszerével segíti a mikroelektronikai kutatásokat. Olyan pluszinformációkat nyújt a szakembereknek az egyes eszközök termikus sajátosságairól és várható meghibásodásairól, amelyek a látható fény spektrumában – vagy más eszközök révén – rejtve maradnának, vagy csak nehezen lehetne őket diagnosztizálni.

Ahogy mondani szokták, szép dolog a kutatás, de valamiből meg is kell élni. Ezért a tanszék munkatársai – a különböző EU-s pályázatokon való részvételen kívül – külső, ipari vagy kereskedelmi felkéréseknek is eleget tesznek, egyebek között a hőkamerával is. Itt persze nem olyan „kommersz” feladatokra kell gondolni, mint egy családi ház hőhídjainak a felmérése, hanem nagy léptékű, komplex felmérésekre, amelyek kiértékeléséhez nemcsak speciális villamosmérnöki szaktudás, de magas szintű termovíziós gyakorlat is szükséges.

Az alapokat ugyanis elég könnyű elsajátítani a hőkamerázásban, ám a profi szinthez már több száz órás gyakorlat és mérnöki háttérismeret kell, hogy az illető értse is, amit lát. Hiszen az a technológia, amely elméletben vagy netán a „steril”, tükrözés- és sugárzásmentes laboratóriumi körülmények között tökéletesen működik, a kinti feltételek között kudarcot vallhat. Elvégre mégsem mondhatjuk a Napnak, hogy másfelé süssön, a szél ne fújjon, az ablak ne csillogjon, és a vízpárát sem vonhatjuk ki a levegőből csak azért, mert úgy pontosabb hőmérséklet-eloszlást tudnánk mérni a termokamerával.

Egy nagy kereskedelmi lánc például több száz bolt elektronikus hálózatának termikus állapotfelmérését bízta a tanszékre. A munkában Kollár Ernő adjunktus, tanszéki mérnök is részt vett. A provokatív kérdésre, miszerint termokamerás diagnosztika tud-e a laboron kívüli „való világban” is olyan pluszt adni, amilyet más eszközök nem, a szakember elegánsan válaszolt: „Az kétségtelen, hogy a különböző elektromos hálózatok és elosztó rendszerek már évtizedekkel korábban léteztek, mint az infravörös kamerák, de akkor is voltak tervezési szabályok és megoldások a vezetékek méretezésére, illetve a túlterhelések ellen. A problémát ma az okozza, hogy egyre több alkatrészt szeretnénk egyre kisebb helyen összezsúfolni, mindemellett az energiafelhasználás sem lett kisebb, sőt…

A termokamera nem csodaeszköz, a maga területén azonban hatásos. Ez a terület pedig a megelőzés. Aki látta már belülről egy ezer négyzetméteres áruház elektromos kapcsolószekrényét, kismegszakítós rendszerét, az tudja, hogy ezeken belül több száz alkatrész és ezren fölüli csatlakozási pont van, amelyek bármelyike bármikor meghibásodhat. Márpedig – az előző példánál maradva – ha az áruház 24 órás üzemben lévő komplett hűtési rendszeréből egy-egy relé „megadja magát” vagy egy kismegszakító a nyári forróságban hamarabb leold, és a hűtési rendszer csak kisebb hűtési teljesítménnyel képes tovább működni (netán teljesen leáll), abból igen komoly anyagi és erkölcsi kár keletkezhet.

A termokamerás felmérés értelemszerűen nem akadályozza meg a meghibásodást, de rámutat a kritikus csatlakozási pontokra, és ezzel a problémák jelentős részét ki lehet szűrni: meg lehet előzni egy komolyabb üzemzavart vagy elektromos kábeltüzet. Gyorsabban, olcsóbban és megbízhatóbban, mintha mindezt hagyományos eszközökkel végeztük volna el. Ha a megrendelő tisztában van ezekkel a peremfeltételekkel, akkor nem fog csalódni. Elvégre minden rendszertől csak olyasvalamit várhatunk el, amit az teljesíteni tud.”

Orvosi termográfia

Természetgyógyász és egyéb alternatív orvosi honlapokon gyakran feltűnik a két fogalom: „humán infra diagnosztika”, illetve „orvosi termográfia”. Közelebbről nézve mindez egy speciális, nagy felbontású termokamerát jelent, amelynek segítségével mintegy „feltérképezik” az emberi test belsejét, a fokozott hőleadás alapján esetleges kóros elváltozások, betegségek után kutatva. A korrektebb honlapokon azt is megjegyzik, hogy mindez csak „prediagnosztikai eljárás”, tehát inkább amolyan általános szűrővizsgálatnak felel meg, és nem helyettesíti a szakorvosi vizsgálatokat. Arra is felhívják a figyelmet, hogy a rendkívül látványos termoképeket csak gyakorlott orvos képes értelmezni, de ő is csak több, megismételt felvétel után.

A nem annyira korrekt honlapokon és rendelőkben minderre már nem fektetnek akkora hangsúlyt, inkább azt emelik ki, hogy a vizsgálat gyors, olcsó és – szemben a röntgen, CT, MRI, PET diagnosztikával – teljesen ártalmatlan. Innen pedig már csak néhány lépés a kuruzslás, amikor nem orvosi végzettségű egyének „megállapítják” a betegséget, és rögtön különleges gyógymódot is ajánlanak – természetesen nem ingyen.

De hogyan is áll az „igazi” orvostudomány az infravörös képalkotáshoz?
Dr. Kellermayer Miklós, a Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetének igazgatója kétfelé bontja „infravörös” kérdéseinkre adott válaszát: „Intézetünk kizárólag kutatással és nem gyógyítással foglalkozik, ezért csak ebből a sajátos aspektusból tudom megítélni az infravörös sugarak felhasználhatóságát. Ami a molekuláris kutatásainkat illeti, szinte magától értetődik, hogy használunk infravörös mikroszkópiát és infravörös spektroszkópiát is, mert az infravörös sugárzás a molekulaszerkezet vizsgálatára kiválóan alkalmas: mélyen behatol a szövetekbe, de nem roncsol.
Fontos megjegyezni, hogy ezekben az esetekben mi sugározzuk be a vizsgálandó anyagot az infravörös tartományba – jellemzően a 800–1100 nanométer közé – eső elektromágneses sugárzással, és az elnyelésből, visszaverődésből, illetve különleges effektusokból vonunk le következtetéseket. Ami a kérdése másik, »diagnosztikai« felét illeti, nem tudok nyilatkozni arról, hogy a mindennapi orvosi munkát milyen hatékonyan segíti egy termokamera.

Ezek az eszközök kétségkívül alkalmasak az emberi test hőmérsékletének pontos mérésére, és ezen belül olyan területek feltérképezésére, ahol fokozott hőleadás tapasztalható. Az ilyen lokális hőmérséklet-emelkedések mögött viszont állhat gyulladás, tumor, de nagyon sok más folyamat is. Mivel standardizált orvosi protokoll tudomásom szerint nem létezik az ilyesfajta vizsgálatokra – valószínűleg nem véletlenül –, a diagnoszta egy ilyen felvételből jó lelkiismerettel egyértelmű következtetést nem, vagy csak nagyon nehezen vonhat le. Legfeljebb annyit, hogy újabb vizsgálatokra küldi a beteget egy szakorvoshoz. Ő azután dönthet arról, hogy a legmodernebb, és az intézetünk által kísérletekben használt orvosi képalkotó berendezések közül – CT, MRI, PET, SPECT, illetve ezek kombinációi – melyik lenne a célnak leginkább megfelelő. Abba a szituációba pedig ne is gondoljunk bele, amikor valaki orvosi végzettség nélkül próbálja értelmezni ezeket a hőkamerás felvételeket…”

Tudományos hungarikum: infrás földköpenyvizsgálat

Laikusok számára meglepő lehet, hogy az infravörös technika egy olyan klasszikus kutatási terepen is kiemelten nagy szerepet játszik, mint amilyen a geológia.
A Magyar Földtani és Geofizikai Intézet (MFGI) több mint száz éve a hazai földtani kutatás legfontosabb intézménye. Kutatási területe igen széles, ezért érthető, hogy laboratóriumaiban szinte minden elképzelhető műszer és berendezés fellelhető, a pásztázó elektronmikroszkóptól az infravörös spektrométerig.

Ez utóbbi műszer egyébként igen fontos szerepet játszik szűkebb témánkban, az úgynevezett infravörös spektrometriában. A tudományág alapjait és jelentőségét egy jól képzett „tolmács” segítségével próbáljuk megérteni.
Dr. Kovács István János, az MFGI Laboratóriumi osztályának vezetője fiatal kora (33 év) ellenére már letett néhány eredményt a tudomány asztalára. PhD-fokozatát az Ausztrál Nemzeti Egyete­men szerezte, és harmincéves korában már társszerzőként szerepelt a világ leghíresebb tudományos folyóiratában, a Nature-ben. A magyar szakember ugyanis ausztrál kollégáival együtt egy új filozófiára épülő infravörös analitikai eljárást fejlesztett ki, amelynek segítségével az ásványszemcsékbe bezárt „illókat”, elsősorban az igen kis mennyiségben jelen lévő vízmennyiségét pontosan, olcsóbban és mintegy tizedannyi idő alatt tudják meghatározni. A módszer (és ezáltal Kovács István János neve) azóta már nemzetközileg is ismertté vált, de az általános elismertségig és elfogadásig persze még hosszú és rögös út, valamint rengeteg további kísérlet és konferencia vezet. (Az „infravörös” témában az intézet egyébként együttműködik az MTA Természettudományi Kutatóközpontjával és a Bűnügyi Szakértő és Kutatóintézettel is.)

Gyorsan kiderül, hogy a FTIR (Fourier-transzformációs infra­vö­rös spektrometria) elméleti hátterét nehezen fogja fel a hétköznapi újságíró. Meg kell elégednünk annyi szellemi útravalóval, hogy a speciális színképelemzés segítségével olyan minőségi és mennyiségi információhoz juthatunk az ásványok illótartalmáról és szerkezetéről, ami sok esetben jelentős többletinformációt jelent a más módszerekkel meghatározhatóakhoz képest.

A Kovács-féle szakmai stáb kutatásainak témája a Föld mélyében, a kéreg-köpeny határán lejátszódó folyamatok elemzése, illetve az ásványokban szerkezetileg megkötött „víz” mennyisége és szerepe ezekben a folyamatokban. Ez az alapkutatás egyébként nem is esik olyan messzire az emberiség hétköznapjaitól, mint gondolnánk, hiszen a földi vulkánok éppen ebből a mélységi régióból származó olvadékokat lövellnek a felszínre, a tűzhányó viselkedése pedig (robban vagy csendesen folyik) nagyban függ a magma víz- és szén-dioxid-tartalmától.

Mivel az emberiség eddig még nemhogy a földköpenybe nem tudott lefúrni, de a kéregnek is csak a legfelső, mintegy 10 kilométeres rétegébe volt képes bepillantani, a kutatócsoport, érthető módon, a vulkáni tevékenység által a mélyből felszínre hozott kőzetek és ásványok – amelyekből hazánk területén is viszonylag bőségesen található a Balaton-felvidéken és Nógrád-Gömörben – vizsgálata révén tud választ kapni a kérdéseire. Ez a gyakorlatban úgy néz ki, hogy a speciálisan csiszolt, áttetsző metszeteket inframikroszkóp alá helyezik, majd az infrafénynyalábot a kiválasztott helyre fókuszálják. A színképelemzés megmutatja, hogy az ásványon belül milyen mennyiségben és milyen kristálytani pozícióban található „víz”, vagyis a hidroxilgyök. Ebből aztán igen fontos következtetéseket lehet levonni a 30-40 kilométer mélyen zajló folyamatokkal kapcsolatban, hiszen a víz már meglehetősen kis koncentrációban is számottevően csökkenti az ásványok „szilárdságát” és olvadáspontját. A kísérletekkel persze szimulálni is lehet a Föld mélyének hőmérséklet- és nyomásviszonyait, így még korrektebbek lehetnek az adatok.

A szakember mindenesetre nagyon bízik az új – és kollégáival továbbfejlesztett – eljárásban, amolyan „tudományos hungarikummá” szeretné tenni. Ennek érdekében a módszert elkezdték alkalmazni agyagásványokra is, amelyek nagy mennyiségben, de szinte észrevétlenül vesznek körül bennünket. Pedig bizonyos esetekben nagyon fontos szerepet játszhatnak az életünkben, mert egyrészt szennyeződéseket (veszélyes anyagok, radioaktív hulladékok) köthetnek meg, másrészt viszont veszélyes földcsuszamlások is a számlájukra írhatóak. Ez nagyban függ attól, hogy kristályrácsukba mikor, hogyan és mennyi hidroxilgyök épül be. Így ér össze a földköpenyre és a Duna-parti löszfalas csuszamlásokra irányuló infravörös kutatás…•


 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020  2021  2022  2023  2024
Címkék

Innotéka