Kolejny Piknik Naukowy za nami, była to już 19 edycja tej wspaniałej imprezy, którą interesują się zarówno fani nauki jak i zwykli ludzie, którzy wraz z całymi rodzinami postanowili w bardzo ciekawy i niecodzienny sposób spędzić sobotę na terenie Stadionu Narodowego w Warszawie. W tym roku tematem przewodnim było światło, jednak nie zabrakło jak zwykle, pełnego przekroju nauk, zarówno tych ścisłych, jak i pozostałych. Jest to  tak uniwersalna i interdyscyplinarna impreza, że praktycznie każdy jest tam w stanie znaleźć coś dla siebie.

Jako pasjonat nauk ścisłych staram się być przynajmniej chwilę na każdej edycji Pikniku, więc i w tym roku wybrałem się wraz z siedmioletnim synem do Warszawy i naprawdę nie żałuję, bo pogoda była świetna, bez większych problemów udało się dojechać i znaleźć miejsce parkingowe a przygotowane stoiska przeniosły nas w świat, którego na co dzień nie widujemy. Niestety, jedynym dość uciążliwym problemem podczas takich imprez jest ogromna ilość ludzi. Na większość najciekawszych stanowisk i pokazów po prostu nie można się było przecisnąć, podobno w godzinach popołudniowych tłum zelżał, jednak my nie mieliśmy aż tak dużo czasu :) W każdym bądź razie udało nam się obejrzeć kilka stanowisk, posłuchać o wielu aktualnie prowadzonych pracach badawczych a syn posadził nawet zaszczepkę rośliny metodą In Vitro na podłożu agarowym. Poniżej mała fotorelacja:

Rys. 1 Demonstracyjna instalacja turbiny cieplnej produkującej prąd.

Mamy tutaj przykład, w jaki sposób produkowany jest prąd w naszych konwencjonalnych elektrowniach węglowych, z tym, że ta modelowa zasilana była gazem. Palnik gazowy ogrzewał zbiornik z wodą w której ta zmieniała się w parę i napędzała turbinę z prądnicą. Dowiedzieliśmy się o niezbyt wysokiej sprawności takich rozwiązań i o tym jak ważna jest kogeneracja czyli jednoczesna produkcja ciepła i prądu. W takiej sytuacji zysk energetyczny jest dużo większy jednak elektrownie zazwyczaj są bardzo oddalone od osiedli mieszkaniowych więc z tą kogeneracją bywa różnie. Przesył ciepła na duże odległości jest zbyt stratnym procesem więc zazwyczaj w elektrowniach mamy do czynienia z mało sprawną generacją prądu i ogromnymi ilościami ciepła odpadowego. Przykre marnotrawstwo.

Rys. 2 Tłoczenie na zimno oleju rzepakowego.

Rys. 3 Tłoczenie na zimno oleju rzepakowego.

Ta gęsta, oleista i niezbyt apetycznie wyglądająca ciecz, która wypływa z maszyny to bardzo zdrowy olej rzepakowy z pierwszego tłoczenia na zimno. Czy będąc w supermarkecie kupili by Państwo taki niezbyt ładnie wyglądający olej ? :) Na zdjęciu widzimy tłocznię mechaniczną składającą się z silnika elektrycznego z układem sterowania, przekładni oraz ślimakowej wytłaczarki, która pobiera nasiona rzepaku z zasobnika i przeciska przez coraz to mniejszą średnicę tak że olej jest po prostu z tych nasion wyciskany a na końcu maszyny wypada "makucha" czyli zgnieciona i prawie pozbawiona oleju pozostałość, która również jest wykorzystywana np. jako nawóz lub produkt do produkcji jednorazowych i biodegradowalnych naczyń.

Rys. 4 Demonstracja działania automatycznej dojarki krów.

Jak już wspomniałem, impreza interdyscyplinarna :) nawet demonstracja zasady działania automatycznej dojarki dogłębnie na modelu została zaprezentowana.

Rys. 5 Ognista Rura Rubensa.

No i bardzo efektowna i bardzo profesjonalnie wykonana Rura Rubensa do demonstracji zjawiska akustycznej fali stojącej. Urządzenie składa się z długiej stalowej rury, którą nawiercono od góry bardzo cienkim wiertłem, otworkami w niedużych odległościach, źródła palnego gazu oraz na jednym z końców źródła dźwięku, drugi koniec jest zaślepiony. Po włączeniu dopływu gazu i zapaleniu małych płomyczków u ujść otworków mamy takie same płomyczki, jednak gdy z głośnika popłyną fale dźwiękowe o różnych częstotliwościach zaczyna się dziać spektakl ognia. fale dźwiękowe wytwarzają w różnych miejscach rury różne ciśnienia i wysokości płomieni bardzo efektownie zmieniają się.

Rys. 6 Demonstracja zjawiska przepływu dużego prądu przez materię organiczną.

Na tym zdjęciu z kolei mamy do czynienia z dość ważną lekcją wpływu prądu elektrycznego na materię organiczną. Mamy autotransformator, który służy do regulacji napięcia i dwie metalowe elektrody, na które nadziewany jest kiszony ogórek. Prowadzący, w dość ciekawy sposób obrazował fakt, że to nie napięcie zabija lecz przepływ prądu i to od czego tak naprawdę zależy przepływ prądu przez nasze ciało. Bardzo ciekawa lekcja bezpieczeństwa zwłaszcza dla przyszłych elektryków :)

Rys. 7 Zjawisko przepływu prądu o niewielkim natężeniu przez organizm.

Ciąg dalszy lekcji o przepływie prądu przez materię organiczną, w tym ciało człowieka. Z induktora Rumkorfa wysokie napięcie o niedużym natężeniu prądu zasila świetlówkę trzymaną przez człowieka. Świetlówka, mimo że jest zasilana tylko jednym biegunem, zaczyna świecić w dłoniach. Dlaczego ? Prąd elektryczny popłynął przez ciało osoby trzymającej świetlówkę. Zgodnie z prawem Ohma im wyższe napięcie przy stałej rezystancji tym wyższy popłynie prąd, napięcie mieliśmy wysokie, jednak wydajność prądowa zasilacza ograniczyła go do poziomu bezpiecznego dla osoby biorącej udział w eksperymencie.

Rys. 8 Magazynowanie energii słońca w postaci wodoru.

Obrazowanie jednej z ciekawszych metod magazynowania energii słońca wyprodukowanej za pomocą ogniw fotowoltaicznych. Obecnie fotowoltaika nie jest za bardzo opłacalna, nie tylko ze względu na koszt samych ogniw, ale przede wszystkim ze względu na wysokie koszty magazynowania zmiennych ilości energii np. w akumulatorach. Gdyby udało się naukowcom wymyśleć skuteczny i ekonomiczny sposób magazynowania dużych ilości wodoru mogli byśmy go produkować w procesie elektrolizy zwykłej wody pod wpływem energii elektrycznej z ogniw fotowoltaicznych. Na stanowisku zbierany był do probówek wodór i tlen powstający w procesie elektrolizy a następnie efektownie zapalany. Mieliśmy okazje zobaczyć proces zarówno magazynowania jak i uwalniania energii.

Rys. 9 Model turbiny wodnej.

Tutaj mamy zaprezentowane działanie turbiny wodnej, jako źródło energii zastosowana jest elektryczna pompa wodna, która wymusza obieg wody, energia strumienia tej wody odzyskiwana jest w modelu turbiny łopatkowej z przeźroczystym deklem więc można było dokładnie zobaczyć jak to działa.

Rys. 10 Fontanna zasilana energią słoneczną

Niepozorna fontanna ogrodowa i znów sposób na magazynowanie energii słońca, trochę powiązany z poprzednim zdjęciem. Jak to się robi ? Odpowiedzią jest elektrownia szczytowo – pompowa. Pompa wodna zasilana różnymi ilościami energii słonecznej z ogniw fotowoltaicznych pompuję wodę do zbiornika na wzniesieniu. Woda w tym wielkim zbiorniku zyskuję energię potencjalną, którą w każdej chwili można uwolnić spuszczając ją na dół przez turbinę i wyprodukować w każdej chwili dowolną ilość ciągłej i niezmiennej energii. Prosty i ciekawy sposób magazynowania energii słońca w wodzie :).

Rys. 11 Stanowisko demonstrujące tematykę widm.

Bardzo dobrze zobrazowana i zaprezentowana definicja widma częstotliwościowego  sygnałów. Cóż to takiego to widmo częstotliwościowe ?. Ano jest to rozkład natężeń składowych np. fal elektromagnetycznych (światła) , fal dźwiękowych lub przebiegów elektrycznych w sieci  w funkcji ich częstotliwości. Takie widmo częstotliwościowe otrzymuje się w wyniku tzw. Transformacji Fouriera. Na stanowisku mogłem sobie przypomnieć trudne czasy ze studiów, gdzie na zajęciach z przetwarzania sygnałów stałem pod tablicą z kawałkiem kredy w ręku i akurat pustką w głowie. Dziś już wiem jak ta transformacja jest ważna, w jej wyniku otrzymujemy wykres widma amplitudowego, takie piki obrazujące jakie są amplitudy składowych widmowych sygnału o różnych częstotliwościach.  Na szczęście Pan na stanowisku nie obliczał tego ręcznie i pokazał na oscyloskopie jak wygląd np. widmo częstotliwościowe przebiegów napięć w sieci elektrycznej, okazało się że to nie tylko jeden pik częstotliwości 50 Hz. Mamy jeszcze wiele składowych harmonicznych. Podobnie dla światłą różne jego źródła mają różne widma co można było zobaczyć np. po jego rozszczepieniu.

Rys. 12 Elektroniczna Cewka Tesli, tzw. SSTC.

Goście z Ukrainy przywieźli na piknik kilka transformatorów tesli w wersji półprzewodnikowej, gdzie zamiast iskrownika są tranzystory IGBT lub mosfet.

Rys. 13 Modele ogniw galwanicznych z cytryny, ziemniaka i octu.

Przykłady pozyskiwania energii zgromadzonej w układzie chemicznym reagentów – blaszki miedzianej i cynkowym w środowisku kwaśnego elektrolitu. Może ktoś ma ochotę zastąpić baterię w pilocie cytryną lub ziemniakiem ?.

Rys. 14 Mieszanie barw – krążek Newtona.

Na stanowisku głównie dzieci mogły pobawić się napędzanymi silniczkiem elektrycznym krążkami Newtona czyli kółkami, na którym znajdują się różnobarwne obszary. Te kolory obejmują różne  podstawowe barwy widma światła widzialnego – barwy proste. W chwili, gdy obracamy krążkiem, barwy zlewają się ze sobą i widzimy „barwę” powstałą po „zmieszaniu”.  Większość barw, jakie występują w przyrodzie, to barwy złożone, które powstają na przykład w wyniku dodania do siebie przynajmniej dwóch barw prostych. Taki krążek to świetna i prosta zabawa dla dzieci.

Rys. 15 Stanowisko:  pole magnetyczne – ruch – światło.

Jak zamienić naszą pracę w światło w najprostszy sposób ? Rozwiązań zapewne będzie wiele, ale jeśli pośrednio wykorzystamy indukcję magnetyczną sprawa sama się rozwiązuje. Cewka magnetyczna, trwały magnes i dioda LED, ich zestaw bądź żarówka. To wszystko widzicie Państwo na powyższym zdjęciu, prosta i jakże skuteczna prądnica. Każdy ruch magnesu wewnątrz cewki powoduje zapalenie się diod LED.

Rys. 16 Stadion Narodowy w trakcie wymiany nawierzchni.

Podczas pikniku naukowego można było oczywiście bezpłatnie wejść na teren Stadionu, niestety już na samą tafle boiska już nie bo trwały pracę polegające na wymianie nawierzchni, co też dla wielu było ciekawym punktem w całej imprezie.

Rys. 17 Interaktywna gra zręcznościowa.

Bardzo ciekawe urządzenie do gry polegającej na coraz szybszym naciskaniu zapalających się lampek w przypadkowych miejscach. Gra ćwicząca refleks i kondycję fizyczną, niestety kolejka oczekujących była baaardzo długa.

Rys. 18 Laboratoryjny elektrolizer do produkcji wodoru i tlenu.

Szklany elektrolizer z porowatą przegrodą półprzepuszczalną, przepuszczającą prąd elektryczny ale nie cząsteczki wody. Dzięki temu w procesie elektrolizy można produkować wodór i tlen i upuszczać z urządzenia w różnych ilościach bez przemieszczania się płynu wewnątrz.

Rys. 19 Wodorowe ogniwo paliwowe.

Wyprodukowany w elektrolizerze wodór zasila ogniwo paliwowe i produkuje ponownie energię elektryczną. Jak już wcześniej wspomniałem jest to jeden z najlepszych sposobów magazynowania energii np. z ogniw fotowoltaicznych w postaci gazowego wodoru.

Rys. 20 Przeźroczyste kostki lodu.

Trudno powiedzieć w jakim celu znalazły się na pikniku bo akurat na stanowisku był duży tłum i nie było okazji zapytać, jednak większą frajdę uczestnicy mieli z ich dotykania, przesuwania, rozbijania, lizania …

Rys. 21 Spalanie mieszaniny pirotechnicznej z dodatkiem soli strontu.

Na tym pikniku naukowym było raczej bardzo mało efektownych pokazów chemicznych lub po prostu ich nie zauważyliśmy z powodów przepastnych tłumów. Jedynie mała porcyjka spalającej się mieszaniny pirotechnicznej z solami strontu nie umknęła naszemu wzrokowi.

Rys. 22 Rośliny rozmnażane metodą In Vitro

Bardzo ciekawe zajęcia z udziałem publiczności prowadzone były w pomieszczeniach Stadionu Narodowego. Na kilku stanowiskach można było dokonać samodzielnego przygotowania sadzonki rośliny i posadzić ją w szkle czyli metodą In Vitro.

Rys. 23 Ukorzenione i rozwinięte rośliny na odżywczym podłożu agarowym.

Podłoże hodowlane zastępuje ziemię w warunkach laboratoryjnych z co najmniej kilku powodów. M.in. sterylności, łatwości przygotowania i sposobu zapewnienia izotoniczności czyli odpowiedniego składu wartości odżywczych dla danej rośliny. Podłoże hodowlane składa się z bulionu odżywczego i masy żelującej, którą zazwyczaj jest pozyskiwany a alg morskich agar. Po rozpuszczeniu w wodzie destylowanej odpowiedniej ilości agaru, którego ilość decyduje o stopniu zżelowania i twardości podłoża dodaje się odpowiednie ilości wszystkich potrzebnych mikro i makroelementów i w sterylnych warunkach odstawia do zestalenia. Później, zazwyczaj w komorach laminarnych dokonuje się nasadzeń.

Rys. 24 Wiktor dokonuje posadzenia rośliny metodą In Vitro.

Na pikniku staliśmy w dość długiej kolejce by posadzić swoją własną roślinkę na przygotowanym wcześniej podłożu. Mój syn miał dużą frajdę z tej pracy laboratoryjnej i bardzo dbał o bezpieczny przewóz probówki z roślinką do domu.  Niestety nie zapamiętaliśmy tylko jaką roślinę posadziliśmy więc jeśli sadzonka się rozwinie będziemy mieć niespodziankę.

Rys. 25 Kwiaty barwione wodą z dodatkiem barwnika.

Jak zabarwić kwiat na inny kolor ? Wystarczy włożyć go do wody zabarwionej odpowiednim barwnikiem, kwiat ją pobiera a przy okazji także barwnik wbudowując go w swoją strukturę.

Rys. 26 Ogniwo fotowoltaiczne z dwuosiowym napędem elektrycznym.

Ogniwa fotowoltaiczne zazwyczaj montuje się pod odpowiednim kontem i w odpowiednim kierunku by pozyskać jak najwięcej energii ze słońca. Jednak optymalnym rozwiązaniem jest zamontowanie panelu na napędzie elektrycznym połączonym z czujnikiem nasłonecznienia i układem elektronicznym śledzącym słońce.  Taki układ cały czas śledzi słońce i ustawia panel fotowoltaiczny tak, by przez cały dzień był ustawiony w pozycji zapewniającej ciągłą produkcję jak największej mocy.

Rys. 27 Model iskrownika demonstrujący uderzanie pioruna w obiekty na ziemi.

Bardzo ciekawe urządzenie wysokiego napięcia zbudowane z zasilacza oraz tablicy z powbijanymi w równych odstępach pinezkami. Te pinezki mogą obrazować cząsteczki powietrza, które zostają zjonizowane gdy potencjał elektryczny chmury znajdzie drogę ujścia do ziemi. Pomagają w przepływie tego prądu by nie trzeba było stosować bardzo wysokiego napięcia, które wytworzyło by iskrę na takiej odległości. Przeskakuje wiele małych iskierek pomiędzy pinezkami i przeskakują tam, gdzie znajdą najkrótszą drogę do ziemi więc wystarczy ustawić odpowiednie elementy na dolnej części by zobaczyć gdzie uderzy piorun. Naprawdę rewelacyjna lekcja i bardzo efektowne wyładowania.

Rys. 28 Prawdziwa, jedna z pierwszych żarówek Tomasza Edisona.

Na Pikniku można było zobaczyć żarówkę z włóknem węglowym z drzewa bambusowego wykonaną w taki sam sposób jak dokonał tego Tomasz Edison. Pionierzy żarówki mieli do przezwyciężenia duże trudności, musieli dobrać właściwy materiał, aby przewodził prąd elektryczny nie topiąc się jednocześnie pod wpływem gorąca, następnie zaś uzyskać stosunkowo wysoką próżnię, aby umieszczone w niej włókno nie utleniało się. Praktyczną, w pełni użyteczną żarówkę wynalazł zespół badawczy pod kierownictwem Thomasa Edisona. Jego pierwsza żarówka paliła się tylko 8 minut, ale po kilkumiesięcznych żmudnych pracach udało się im w skonstruować żarówkę z włóknem węglowym świecącą przez kilkadziesiąt godzin, a później przedłużyć czas jej świecenia do ponad 100 godzin. Żarnik tej żarówki był wykonany ze zwęglonych włókien wyselekcjonowanej odmiany bambusa.

Rys. 29 Ekran pomalowany farbą fluorescencyjną wzbudzany do świecenia światłem fioletowego lasera.

Bardzo ciekawy eksperyment z zastosowaniem płyty drewnianej sklejki pomalowanej zwykłą farbą fluorescencyjną, taką samą jak wykorzystuje się do malowania elementów które po naświetleniu światłem słonecznym mają świecić w nocy. Po zaświeceniu światłem fioletowego lasera można było obserwować szybko znikającą poświatę i próbować rysować szybko znikające zielone rysunki.

Rys. 30 Roztwór substancji fluorescencyjnej wzbudzanej do świecenia światłem lasera.

Rys. 31 Rewelacyjny cyfrowy oscyloskop firmy Tektronix o paśmie 1 GHz, DPO 5104

Wielka i potężna maszyna na pasmo 1 GHz, marzenie wielu …. Na pikniku używana była do obserwacji ultrakrótkich impulsów światła lasera femtosekundowego.

Rys. 32 Laser femtosekundowy.

Laser generujący impulsy światła o czasie trwania od kilku do kilkudziesięciu femtosekund (1 femtosekunda to 10^-15 sekundy). We współczesnych laserach tego typu ośrodkiem czynnym jest często kryształ syntetycznego szafiru domieszkowanego tytanem (Ti:Al₂O₃) albo światłowód domieszkowany iterbem . Dzięki tak krótkim impulsom, przy bardzo małej mocy średniej lasera, można uzyskać potężne moce w impulsie, tak wielkie, że w powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym mogą wytwarzać wysokotemperaturową plazmę. Takie lasery otwierają przed naukowcami całkiem nowe drzwi do zjawisk, które mogą pomóc np. w badaniach nad reakcją termojądrową.

Rys. 33 Model instalacji demonstrującej zjawisko chromatografii cieczowej.

Rys. 34 Drukarka 3D drukująca zestalającą się żelatyną.

Mamy już bardzo popularną i całkowicie skomercjalizowaną branżę drukarek 3D, niebawem znajdą się w bardzo wielu domach podobnie jak zwykłe drukarki, ale do czego nam drukarka drukująca żelatyną ? Do drukowania organów do przeszczepów, które mogą przerastać rodzimymi tkankami pacjentów, do drukowania modeli żywego organizmu na potrzeby edukacji przyszłych lekarzy i wielu nowych zastosowań.

Rys. 35 Przestrajanie długości fali diody LED schłodzonej ciekłym azotem.

Zmiana koloru świecenia diody LED po zanurzeniu jej w ciekłym azocie – eksperyment wykonany i opisany na naszej stronie internetowej w dziale kriofizyka.

Rys. 36 Lewitujący samochodzik na torze z magnesów neodymowych.

Sztandarowy eksperyment na pikniku naukowym – samochodzik lewitujący nad torem z magnesów neodymowych dzięki zjawisku  Meissnera występujący w nadprzewodniku schłodzonym ciekłym azotem.

Rys. 37 Model silnika elektrycznego napędzanego energią światła.

Silnik elektryczny zbudowany z cewek, paneli fotowoltaicznych oraz magnesów neodymowych. Sam rotor wykonany z cewek magnetycznych i paneli zawieszony jest na statycznej części silnika za pomocą łożysk magnetycznych tak więc może obracać się bez strat ta tarcie. Gdy na rotor zaświecimy światłem ogniwo wytworzy prąd, który popłynie przez cewkę wytwarzając pole magnetyczne, które będzie oddziaływać z magnesem trwałym odpychając się od niego i wykonując ruch. Wtedy panel przestanie być oświetlany ale za to oświetli się kolejny i włączy kolejna cewka która znów odepchnie rotor.

Rys. 38 Demonstracja zjawiska jonizacji i powstawania plazmy.

Rewelacyjnie przygotowany eksperyment demonstrujący zjawisko jonizacji atomów. Uczestnicy eksperymentu z pomalowanych kuleczek styropianowych i drucików budowali cząsteczki gazów, które następnie wrzucane były do przeźroczystej rury z wentylatorem. Ta rura była modelem świetlówki do której dostarczamy energii za pośrednictwem tego wentylatora. Teraz po włączeniu, wentylator poruszał tymi przygotowanymi cząsteczkami rozwalając je, elektrony odrywały się od atomów i wirowały oddzielnie, jeszcze chyba nie widziałem lepiej przygotowanego eksperymentu, tak dobitnie pokazującego czym jest plazma. Tylko dzieci były smutne, że ich pięknie przygotowane cząsteczki zostały …. zjonizowane :).

Rys. 39 Harfa optyczna

Urządzenie z wieloma torami laserowego światła i czujników, przerwanie konkretnego toru optycznego skutkowało wydźwiękiem o konkretnej częstotliwości podobnie jak w harfie szarpnięcie struny powoduje powstanie konkretnej częstotliwości dźwięku. Efekt bardzo ciekawy, tylko grać nikt nie potrafił.

Rys. 40 Stół świetlny z soczewkami

Stół optyczny ze źródłami światła laserowego czerwonego i zmieszanego, za pomocą soczewek z plexy można było bawić się ze światłem na różne sposoby, zobaczyć jak działa soczewka, pryzmat czy światłowód.

Rys. 41 Podpisy złożone przez zwiedzających ...

Zakończona w tym roku impreza, już po raz kolejny pokazała jak ważna jest edukacja techniczna i jak duży efekt edukacyjny przynosi nauka, nie tylko kredą po tablicy, ale w sposób interaktywny z użyciem nawet prostych urządzeń, modeli czy instalacji. Tym bardziej, że zarówno dzieci, młodzież jak i dorośli są żądni takiej formy przekazywania wiedzy. Za rok 20, jubileuszowa edycja ... Na pewno będzie ciekawie, tylko boję się, że tłum będzie jeszcze większy.