Spring naar de inhoud
Home » Nieuws » Verslag Astro Pi

Verslag Astro Pi

Ons jaarproject van 2021-2022, namelijk de deelname aan de European Astro Pi Challenge, is officieel af. We hebben onze certificaten ontvangen en zijn zelfs vermeld op de website van de ESA. Een mooier eerste project hadden we niet kunnen wensen. Hieronder vind je het finale verslag over dit avontuur en onze resultaten.

Inleiding

De European Astro Pi Challenge is een initiatief van de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) en de Raspberry Pi Foundation. Aan de hand van het Astro Pi-project hopen ze jongeren te enthousiasmeren voor de ruimte en te laten kennismaken met de wereld van het programmeren. De bedoeling is dat alle deelnemers (in groepjes) een experiment ontwikkelingen dat uitgevoerd kan worden op een Astro Pi, een kleine computer met tal van sensoren, om vervolgens uitgevoerd te worden in het Internationale Ruimtestation (ISS). 

De ‘wedstrijd’ bestaat uit enkele fases. Eerst moet je een experiment verzinnen. Je stelt een hypothese op en bedenkt wat je wil onderzoeken. Is je idee duidelijk genoeg en origineel? Dan ga je door naar fase twee, waar het echte werk begint: het experiment bedenken en programmeren. Om het experiment op aarde te testen, krijg je een Astro Pi toegestuurd. Eind februari moet je dan het programmaatje doorsturen, waarna het grondig getest wordt. Gelukkig: ons programmaatje werkte perfect en we mochten door naar fase drie. Dat wil zeggen dat het experiment wel degelijk uitgevoerd wordt in het ISS, joepie! Nadien krijg je alle verzamelde gegevens toegestuurd en wordt er nog gevraagd om een verslag te schrijven, wat ze fase vier noemen. 

Wij zitten in fase vier: we kregen de verzamelde gegevens terug en het verslag is af. Het is dan ook dit verslag dat we graag aan jullie presenteren.

De experimenten

Een experiment ontwerpen dus, maar wat was “ons experiment”? We hadden eigenlijk twee experimenten. Enerzijds wilden we foto’s maken vanuit het ISS om het wolkendek boven aarde te bestuderen (Life on Earth) en anderzijds waren we geïnteresseerd in het magnetisch veld van de aarde op 400 km hoogte (Life in Space). Omdat het wetenschappelijk gehalte van dat eerste experiment (Life on Earth) niet denderend hoog lag, o.a. omwille van een te laag aantal bruikbare foto’s, focussen we ons op het tweede experiment. Maar om toch een sfeerbeeldje te geven hebben we een foto toegevoegd waarop je twee eilanden van Indonesië kan zien (coördinaten: 5° 52′ 58.20″ S, 105° 53′ 52.00″ E). 

Figuur 1: een afbeelding genomen door de Astro Pi vanuit het ISS. Meer informatie over de afbeelding lees je in de tekst. Bron: JVS Hyperion/ESA

Voor ons experiment betreffende het magnetisch veld van de aarde werden we geïnspireerd door figuur 2. De aarde wordt voortdurend gebombardeerd met geladen deeltjes die van de zon komen. Gelukkig leidt een magnetisch veld die deeltjes naar de polen. Dit constante bombardement laat het magnetische veld van de aarde echter niet onaangeroerd, zoals te zien is in de figuur. Daarom wilden we weten of we ter hoogte van het ISS een verschil in de sterkte van het magnetische veld tussen de dag- en nachtzijde van de aarde konden meten. Onze hypothese luidde: “Als het ISS zich aan de dagzijde van de aarde bevindt zal intensiteit van de magnetische veldsterkte hoger zijn, dan wanneer het ISS zich aan de nachtzijde bevindt.” 

Figuur 2: interactie tussen het magnetisch veld van de aarde en de zonnedeeltjes. Bron: NASA.

Methode

Voor ons experiment hebben we drie sensoren van de Astro Pi gebruikt: de magnetometer, de temperatuursensor en de vochtigheidssensor (de laatste twee moesten verplicht gebruikt worden). Elke 15 seconden werden deze sensoren uitgelezen en samen met de datum, tijd en locatie van het ISS, op een regeltje van een csv-bestand gezet. Dat is een soort van primitief excelbestandje, waarmee computer heel makkelijk overweg kunnen. 

Toen we de data (maar liefst 694 regels) terugkregen hebben we die op aarde verwerkt. Om de gegevens gemakkelijk te manipuleren, hebben we Python gebruikt en verschillende grafieken gemaakt. Eerst hebben we drie grafieken gemaakt om de gegevens van de magnetometer te visualiseren. We plaatsten de tijd op de horizontale as en op de verticale as de sterkte van het magnetische veld in een van de drie richtingen (x, y of z), want de magnetometer gaf ons een andere waarde voor elk van die richtingen. We hebben toen een vierde grafiek gemaakt met weer de tijd op de horizontale as, maar op de verticale as de totale intensiteit van de magnetische veldsterkte. Die totale intensiteit bekom je door de sterkte in elk van de drie richtingen te kwadrateren en vervolgens alles op te tellen.

Aangezien we geïnteresseerd waren in de relatie tussen die magnetische veldsterkte en het feit of het ISS zich al dan niet aan de dagzijde bevond, hebben we ook die gegevens toegevoegd aan de laatste grafiek.

Figuur 3: Onze verzamelde data over de magnetische veldsterkte (blauw), samen met de gegevens van het WMM (groen) en de indicatie over het ISS zich aan de dagzijde of nachtzijde bevond (zie tekst). Bron: JVS Hyperion/M. Deryck.

Resultaten

Op die manier bekom je de grafieken weergegeven in figuur 3. Nu konden we aan de slag met het interpreteren van de gegevens! Hoewel je nu natuurlijk onmiddellijk alles kan zien in figuur 3, nemen we je toch mee op chronologische tocht doorheen de rollercoaster van emoties toen wij de gegevens voor het eerst verwerkten en bekeken.

Bij de drie grafiekjes die de magnetische veldsterkte van de afzonderlijke componenten weergaven (niet afgebeeld), zagen we onmiddellijk al variaties. Dat is een goed teken, we gingen immers op zoek naar variaties in het magnetisch veld. Ook toen we de totale magnetische veldsterkte (in z’n geheel) in een grafiek plotten (blauwe lijn figuur 3), zagen we variaties: super! Zou het? Zouden die fluctuaties afkomstig zijn van het verschil in dag- en nachtzijde en onze hypothese bevestigen? We besloten onmiddellijk die gegevens over dag- en nachtzijde bij in de grafiek te plaatsen. De donkere ‘banden’ zijn de perioden dat het ISS zich ‘in het donker bevond’, terwijl de lichtoranje ‘banden’ de perioden zijn dat het ISS zich ‘in het licht bevond’. 

Ongelooflijk: dit kwam volledig overeen met wat we voorspeld hadden, toch? Misschien hadden we iets over het hoofd gezien: kon er nog een verklaring zijn voor deze fluctuaties? Helaas wel. De magnetische veldsterkte is niet overal hetzelfde op/boven aarde. Langs de polen bereikt die al snel een waarde van 60 microtesla, terwijl de veldsterkte boven Zuid-Amerika amper boven de 30 microtesla komt (zie figuur 4). Het zou toch niet? Maar één manier om erachter te komen: het wereldmagnetisch model (WMM)! 

Figuur 4: Kaart van de totale intensiteit van de magnetische veldsterkte op zeeniveau. Bron: British Geological Survey.

Dit model, gebaseerd op waarnemingen, geeft een totaalbeeld van het magnetisch veld van de aarde. Voor elk punt op aarde vind je in dit model de magnetische veldsterkte op zeeniveau. We downloadden het volledige model (zo’n 8 bestanden van 25 megabyte, samen goed voor zo’n 3.755.376 regels aan magnetische veldsterktes) en begonnen aan de moeilijkste taak, die Maxime op zich nam. Uit al die gegevens van het WMM hadden we alleen de veldsterktes nodig die overeenkwamen met een plaats waar het ISS had overgevlogen terwijl ons experiment liep. Na wat gezweet en gezwoeg lukte dit en je ziet die voorspelde waarden (op zeeniveau!) in het groen op de grafiek. 

Hoewel we overduidelijk een verband zien tussen onze gegevens en die van het WMM, wat wil zeggen dat (het grootste deel van) de variaties afkomstig zijn van de intrinsieke variaties in het magnetisch veld en niet zozeer van het verschil tussen dag- en nachtzijde, zijn er ook enkele punten die niet verklaard kunnen worden door het WMM. 

Zo zou je ten eerste verwachten dat onze metingen over het algemeen een iets zwakker magnetisch veld meten (of op z’n minst niet sterker), aangezien de magnetische veldsterkte verminderd naarmate je verder van de bron (dat is de rond de kern van de aarde) komt. Maar beide extremen (de pieken en dalen) van de metingen met de Astro Pi zijn ‘extremer’ dan die bij het wereldmagnetisch model.  Daarnaast loopt de blauwe lijn (ons experiment) ‘achter’ op de groene lijn (WMM). Ook hier zien we dus een verschil. Tenslotte is er nog het opvallende dal in de gegevens van het WMM rond de 4800 s die wij niet hebben gemeten.

Conclusie

Als we alle gegevens samennemen, dan kunnen we onze hypothese niet verwerpen noch bevestigen. Op onze laatste plot zien we duidelijk variaties in de grootte van het magnetische veld tussen dag- en nachtmetingen, waarbij de magnitude ’s nachts daalt en overdag weer stijgt. Deze variaties kunnen echter ook worden verklaard via het wereldmagnetisch model: het magnetische veld van de aarde is niet constant en de door ons gedetecteerde dalingen in intensiteit kunnen ook te wijten zijn aan dalingen in de WMM. We zien wel wat verschillen tussen onze data en de WMM, maar we zouden wat meer metingen nodig hebben over een langere tijdspanne om te bepalen of deze verschillen blijven optreden of gewoon meetfouten zijn.

Nog een laatste woordje

Hoewel we geen definitieve conclusie hebben, zijn we erg blij met hoe onze deelname aan de European Astro Pi Challenge is verlopen.

Van het proces van brainstormen, ontwerpen en programmeren van ons experiment tot het wachten op de resultaten en het uiteindelijk verwerken van de gegevens, het was een zeer verrijkende ervaring en een eer om ons programma op het internationale ruimtestation te mogen uitvoeren.Tenslotte nodigen we iedereen die geïnteresseerd is uit om eens een kijkje te nemen op https://github.com/PrincepsMaximus/Astro-Pi-2022. Daar kan je alle programmacode (zowel van de experimenten als van de data-analyse) terugvinden (met Engelse commentaar).

Een reactie achterlaten

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.