Desenvolvendo Rádio Telescópio Decamétrico comoauxílio do en
Por: Bruno G.
16 de Dezembro de 2016

Desenvolvendo Rádio Telescópio Decamétrico comoauxílio do en

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Desenvolvendo Rádio Telescópio Decamétrico comoauxílio do ensino da Física e Astronomia para estudantesdo ensino médio

 

Dr. AntonioChavez Zena¹

Prof. Mst. Bruno Giordano²

¹ ² Universidade Anhanguera de São Paulo

 

 

 

Resumo: Infelizmente, hoje em dia, poucos jovens sequer sabem que o engenheiro elétrico italiano Gugliermo Marchese Marconi desenvolveu um sistema de transmissão de ondas pelo ar para longas distâncias, fez sua primeira transmissão sobre o Canal da Mancha em 1901 e outra que atravessou o Atlântico enviando sinais de código Morse, mas somente em 1906 ele conseguiu transmitir a voz humana.  Muito menos jovens sabem que um padre no Brasil, Roberto Landell de Moura, já havia transmitido voz humana em 1893, ou seja, 14 anos antes de Gugliermo Marchese. Neste trabalho veremos a importância do rádio, além da sua grande importância na comunicação. Veremos como podemos utilizar este invento tanto em pesquisas de grande complexidade bem como nas mais simples, e como  poderemos trazer (como um projeto) para a sala de aula o benefício do uso desta ferramenta.

 

Abstract: Unfortunately, nowadays, many young peopleeven know thatthe Italianelectrical engineerGugliermoMarcheseMarconideveloped awave transmissionsystemthrough the airfor longdistancesand madeits first broadcastonthe English Channelin 1901and another thatcrossed the Atlanticby sendingsignalsMorsecode, but only in 1906he managed totransmitthe human voice. Andmuch lessa priestin Brazil, Landell de Mourahadtransmittedhuman voicein 1893, i e 14years before, in this workwe willseethe importance of thisinstrumentbeyonditsimportancein communication.We will see howwe can usethis inventionboth in researchof great complexityasthe simplest, and how we canbringinto the classroomthe benefitof using thisform of schooldesigntool.

Introdução:Em 1899, o engenheiro elétrico italiano Gugliermo Marchese Marconi (1874-1937) desenvolveu um sistema de transmissão de ondas pelo ar para longas distâncias e fez sua primeira transmissão sobre o Canal da Mancha em 1901 e outra que atravessou o Atlântico enviando sinais de código Morse, mas somente em 1906 ele conseguiu transmitir a voz humana.

Já no Brasil, o padre Roberto Landell de Moura (1861-1928) já havia transmitido, em 1893, a voz humana e obtido a patente do transmissor e receptor no Brasil em 1901, e nos Estados Unidos em 1904  [I].

Em 1932, o americano Karl Guthe Jansky (1905-1950), engenheiro elétrico chefe da empresa de telefonia Bell, iniciou as primeiras observações de emissão de rádio provenientes do cosmo, quando estudava as perturbações causadas pelas tempestades nas ondas de rádio. Ele realizou observações na frequência de 20,5 MHz (λ=14,6 m) e descobriu uma emissão de origem desconhecida que variava com um período de 24h. Somente mais tarde demonstrou-se que a fonte dessa radiação estava no centro da Via – Láctea [II].

 

Magnetosfera Terrestre:A magnetosfera terrestre é uma região que se situa fora da região atmosférica, ela é composta pelo campo magnético da Terra o qual é parecido com um gigantesco imã e sua intensidade media é ~ 30.000 nT ou 30µT.

Grande parte deste campo, cerca de 90%, é gerado no núcleo metálico da Terra, sendo o restante gerado na alta atmosfera onde existe uma grande presença de partículas provenientes do sol, fótons e neutrinos, que interagem com os gases ionizados e assim gerando campos elétricos.

A magnetosfera e a atmosfera terrestre possuem suas divisões e também sua morfologia.

Segundo a descrição dada pela Enciclopédia Britânica – 2008, a parte mais interna, chamada de cinturão de Van Allen, possui uma altitude média de 1000 a 5000 quilômetros, formada por prótons altamente energizados os quais são decorrentes do decaimento de nêutrons que são provenientes de colisão de raios cósmicos[1].

 

 

 

Ionosfera:A ionosfera localiza-se entre 60 e 1500 km, uma das suas principais características é que ela dá a cor azulada ao céu, por meio da ionização solar.

Umas das principais e interessantes características da ionosfera é que ela reflete as ondas de rádio entre as frequências de 0,5 a 30 MHz [III] sendo essa característica essencial para este estudo.

Sua densidade varia conforme a composição química da atmosfera do local, a hora do dia e a estação do ano. Portanto, depende da quantidade de energia que é incidida (principalmente proveniente de UV e Raios-X) a qual separa a ionosfera em camadas conforme sua densidade.

 

Sol:O Sol, como todos nós sabemos, é a fonte de vida em nosso planeta, sem ele a vida seria impraticável: não teríamos atmosfera, enzimas essenciais à vida, nem formação de qualquer tipo de bioma; o planeta seria uma grande rocha vagando no espaço.

O Sol se encontra no centro do sistema solar e todos os planetas, incluindo os menores, e todos os corpos como cometas e asteroides, inclusive os que compõem o cinturão de Kuiper, realizam órbitas gravitacionais em torno dele.

Ele possui 99,8% de toda a massa do sistema solar (vide tabela 1), sendo que 0,2% pertencem a todos os corpos do sistema solar[V].

Sendo o Sol fonte dos ventos solares e tempestades magnéticas, o vento solar é composto por gases ionizados e partículas que chegam a Terra com velocidade média de 500 Km/s ~ 2 milhões de Km/h, sendo a velocidade, medida na data de 08/03/2015, de 400,1 km/s (1.440.360 Km/h)[IV], mas esses valores mudam dia a dia.

Essas flutuações de velocidade influenciam diretamente no campo magnético da Terra juntamente com a radiação ultravioleta e a emissão de raios-x que aquecem nossa alta atmosfera.

Essa condição é chamada de “clima solar”; ela pode influenciar diretamente em órbitas de satélites e danificá-los, reduzir tempo de missões espaciais, constituindo perigo direto aos astronautas.

Além disso, pela lei de Faraday, um campo magnético, inclusive os gerados pelo Sol, ao atingir um circuito elétrico, induz a correntes elétricas, ou seja, uma tempestade solar, que gera campos magnéticos, ao atingir linhas de alta tensão ou transformadores de estações elétricas, gera uma sobrecarga, danificando (muitas vezes destruindo) o equipamento, causando, assim, apagões.

 

Ciclo de Manchas Solares:Hoje em dia sabemos que o número de manchas solares está intimamente ligado com a atividade solar, portanto o monitoramento das manchas solares é uma poderosa ferramenta de previsão de tempestades, não que seja uma regra direta, mas é um bom indicativo.

Um dos primeiros astrônomos que observou as manchas solares foi Galileu Galilei; isso gerou grande controvérsia e problemas para o cientista na época.

A partir de meados de 1800, o observatório nacional de Zurich iniciou observações sistemáticas: usando observações antigas, completou dados a partir de 1610.

Médias mensais de manchas solares mostram, conforme o período, aumento ou diminuição de manchas, ao longo de 11 anos, e a esse fenômeno dá-se o nome de ciclo de atividade solar vide figura abaixo.

 

 

Para entendermos como é gerado o processo de geração de energia e magnetismo, devemos entender como é a estrutura interna do Sol. Para isso devemos dividir seu interno em quatro regiões distintas.

Toda a energia é gerada em seu núcleo por meio de processo de fusão nuclear, e toda a energia que é gerada nesse processo é transferida por processo de radiação (raios-x e raios gama) até a zona radioativa.

A partir da zona radioativa, a energia se propaga por uma fina camada chamada de taco-clima, onde se acredita que todo o fluxo magnético seja gerado.

A importância dessa camada reside justamente na mudança brusca de velocidade do plasma a qual é responsável pela geração do campo magnético solar, por de um processo de dínamo [IV].

A taco-clima está a Rʘ = 0,7 e possui uma espessura de 0,04 Rʘ(~ 20.000 km), extremamente fina se compararmos com toda a estrutura solar.

Esse campo magnético é impelido pela massa plasmática até a superfície solar onde emerge principalmente em regiões menos carregadas energeticamente, ou seja, um pouco mais frias: são as chamadas manchas solares (Sun spots).

Em uma região de Sun spots, os cientistas já conseguiram registrar campos magnéticos 1000 vezes maiores do que os que normalmente encontramos na superfície solar. Devido à estrutura física do Sol, as manchas solares não se apresentam aleatoriamente; geralmente se encontram em regiões medianas próximas ao equador solar, e, ao passo que atividade solar vai aumentando, vão se espalhando em direção aos pólos.

Portanto, os índices de tempestade solar aumentam quando o Sol está em atividade máxima, no ciclo de 11 anos.

Quando duas manchas se encontram em um mesmo ponto ocasionam um Flares Solar. Um Flare Solar é uma enorme explosão, ou seja, uma enorme liberação de energia e radiação que se espalha ao longo de todo o espectro magnético até a região de raios gama.

Portanto temos em consequência dessas explosões, as chamadas ejeções de massa coronal, que são compostas por bolsas de gases ionizados de massa de até 10 bilhões de toneladas lançadas no espaço a velocidades de 500 a 1500 km/s. Desse modo, essa matéria ejetada leva em média de 2 a 3 dias para percorrer 150 milhões de km, que é a distância média entre Terra e o Sol.

I

Classe X

Flares grandes são muito importantes para nosso planeta, pois podem desencadear bloqueios em telecomunicação, bloquear transmissão e geração de energia elétrica, interromper todo o tipo de localização com GPS, provocar curto circuito em transformadores e circuitos de linhas telefônicas, curto circuito em linhas de dados, paralisação de sinal de celulares.

II

Classe M

Esses Flares são de intensidade média, eles, em geral, afetam regiões polares, provocando rápidos apagões nas telecomunicações e, geralmente, são acompanhados por tempestades de radiação.

III

Classe C

Esses tipos de Flares não produzem consequências notáveis para o nosso planeta, porém há diminuição de propagação nas faixas de HF e aumento de ruído nas faixas de SVHF (faixa de satélites).

Existe uma classificação adotada mundialmente, pela agência de monitoramento de clima espacial (NOAA) e também pela agência norte-americana que cede, graciosamente, dados para conclusão deste trabalho, a qual classifica os tipos de flares, levando em conta o impacto de consequência para Terra.

Desenvolvendo tecnologia para detectar Flares:

Analisando todo o cenário anteriormente apresentado, selecionou-se uma tecnologia capaz de apresentar alguns parâmetros:

  • Sensibilidade no registro de dados
  • Acuracidade no posicionamento de eventos
  • Custo baixo em obtenção dessa tecnologia

Uma opção apresentada pela Dr.a Zulema Abrahan Herman – IAG USP, seria escanear uma determinada janela de RF (Radio Frequência) e passar esses dados para um espectrógrafo para uma leitura em real-time, método similar que temos em rádio telescopia para pesquisa de buracos negros e quasares. Como esses flares provocam uma interferência eletromagnética em toda a faixa eletromagnética simultaneamente, poderemos visualizar no espectrógrafo pistas demodulação, assim, poderemos quantificar e avaliar a intensidades desses sinais.

Uma das principais barreiras que se enfrentou para construção desse projeto foi o custo elevado dessas tecnologias aqui no Brasil, pois toda a tecnologia desenvolvida para esse propósito, principalmente as bobinas de frequência, é proveniente da Europa ou dos Estados Unidos onde já existe uma prática de incentivo à pesquisa nessa área desde o ensino médio.

Instituições de grande porte como NASA desenvolvem constantemente projetos educacionais para disseminação e incentivo à pesquisa para alunos e professores.

Um desses projetos, no qual esse trabalho foi baseado, é o “Radio JOVE – Solar & Planetary Radio Astronomy for Schools”  desenvolvido pelo departamento pedagógico da NASA, (National Aeronauticsand Space Administration, Gordon Space Flight Center) que se consta de um kit de montar (alta facilidade), de um rádio receptor que opera na faixa dos 20 MHz até 20.1 MHz, de um conjunto de antena para operação, além de material didático para o ensino de física ondulatória, introdução a circuitos eletrônicos (como cálculo de resistores, bobinas etc.) e teoria básica para rádio astronomia.

Notamos bem a adequação desse conteúdo para a grade curricular dos colégios norte-americanos, a qual pode ser facilmente adequada para o currículo brasileiro por meio de oficinas curriculares e de uma pequena capacitação do corpo docente, já que o estudo da astronomia  faz parte do currículo brasileiro desde o ano 2000.

A tecnologia adotada provém da empresa AMSAT-UK que já possui experiência de fabricação de equipamentos para esse propósito e também de micro-satélites utilizados, principalmente, pela agência espacial europeia (ESA).

Outra vantagem é que ele não requer cabos de acoplamento ao computador. Sua conexão se faz por meio de conector USB, integrando seu circuito de forma completa ao computador, e sua janela de frequência é de 60 kHz até 1400 GHz, muito maior que o proposto pelo projeto Radio JOVE que é de 1Khz.

Coletando Dados:Pararecepção dos dados, utilizamos horário UTC (hora média legal de Greenwich), respeitando os horários de nascer e pôr do sol contidos na tabela de efemérides do Observatório Nacional.

É importante salientar que nesse tipo de modalidade de rádio-telescopia pode-se utilizar o horário legal, pois estamos tratando de sinais dessimétricos, e a fonte emissora está próxima, caso contrário, pode-se utilizar horário sideral.

Na figura abaixo, encontram-se os gráficos obtidos por meio do Matlab, comparados com os dados recebidos no dia 11/08/2015 em várias estações norte americanas, comparando-os com dados gerados pela nossa estação.

CONCLUSÃO: Fazendo uma análise dos dados recebidos nesse experimento, acreditamos que o projeto (com base em rádio JOVE, desenvolvida pela agência espacial norte-americana) consegue de imediato, e dentro das devidas alterações curriculares, alcançar todos os objetivos planejados em várias áreas do conhecimento dos alunos tais como:

Matemática:

Poderemos mostrar aos alunos as várias formas de gráficos e suas devidas interpretações, conceitos básicos de estatística, e a real necessidade de saber usar todas essas ferramentas no dia a dia.

 

Física:

Recapitulação de conceitos de ondulatória adquiridos no ensino médio, questões sobre frequências, amplitude, e vários outros pontos que são trabalhados nessa matéria os quais podem ser revistos usando a prática.

Vimos também questões sobre estados da matéria, revendo as várias formas, inclusive o pouco falado plasma.

 

Biologia:

Os alunos tiram suas próprias conclusões de como o Sol afeta a vida de nossa sociedade, tanto na questão biológica, como também na questão de sociedade. Os alunos poderão perceber que o conceito de tecnologia que estamos infundidos pode ser muito frágil perante esse panorama.

 

Astronomia:

Levar ao aluno o real conhecimento do que são estrelas, como elas funcionam, como geram calor, e seus derivados.

Trazer ao aluno uma nova visão da astronomia moderna de uma forma mais similar a países mais desenvolvidos.

 

Por último, e pode-se dizer a mais importante questão, há o incentivo ao aluno fazer ciência. Nesse tipo de projeto, consegue-se facilmente envolver o aluno a fazer parte da pesquisa e não simplesmente consultá-la; mostrar ao aluno a sua importância para a geração do conhecimento e a valorização do seu desempenho. Isso, por sua vez, traz a um amadurecimento do aluno na hora da escolha e ingresso no ensino superior.

 

Bibliografia

 

[I] Adriana V.R. Silva. 2006.Nossa Estrela O Sol. SãoPaulo : Editora Livraria da Fisica, 2006. Vol. 1.

[II]Agency, European Space. Solar and Heliospheric Observatory. [Online] http://www.soho.esac.esa.int.

2007AstronomicaAustraliaH.F. Ullman2007

[III]IFRGS, Instituto de Fisica Universidade Federal RGS. 2010. Instituto de Fisica. O Sol. [Online] 2010. [Citado em: 04 de marco de 2015.] http://astro.if.ufrgs.br/esol/esol.htm.

[IV]NASA, National Aeronautics and Space Administration, Gordon Space Flight Center. Radio JOVE - Solar & Planetary Radio Astronomy for Schools. [Online] http://radiojove.gsfc.nasa.gov.

[V]NOAA, NATIONAL OCEANIC AND ATMOSFHERIC.SPACE WEATHER PREDICATION CENTER. [Online] [Citado em: 09 de Março de 2015.]

[VI]Oliveira, Kepler de Souza e Saraiva, Maria de Fatima Oliveira. 2004.Astronomia & Astrofisica. 2. São Paulo : Livraria da Física, 2004.

[VII]Radio-Sky.Radio-Sky Publishing - Resources for Amateur Radio Astronomers, Teacher and Students. [Online] http://www.radiosky.com.

 

 

 

[1] Raios Cósmicos: Partículas de alta energia, provenientes do espaço ou do Sol, elas podem viajar grandes distâncias devido a sua baixa densidade no espaço. Quando colidem com a atmosfera, produzem partículas subatômicas como pions, káons e mesons.

 

 

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