optiikka

Omituista: valolla voi hallita valoa

Ti, 10/04/2016 - 12:11 Toimitus
Lasersydämiä

Nykyaikainen tiedonvälitys ja -tallennus käyttää hyväkseen runsaasti valon ja aineen vuorovaikutusta. On kyse sitten DVD-levyistä tai optisista kuiduista, niiden toiminta perustuu valon ja aineen yhteistoimintaan. Kun tutkijat tavoittelevat yhä nopeampia yhteyksiä ja suurempaa tallennuskapasiteettia, katsotaan nyt uuteen suuntaan: orgaanisiin materiaaleihin.

Tulevaisuuden tiedonvälityksessä käytetään paljon nykyisiä tekniikoita enemmän orgaanisia materiaaleja, koska ne reagoivat poikkeuksellisen voimakkaasti valoon. 

Lisäksi orgaanisten aineiden etuja ovat edullisuus, helppo mekaaninen työstettävyys sekä ominaisuuksien räätälöitävyys aina molekyylitasolta lähtien.

Tampereen teknillisessä yliopistossa ensi perjantaina väittelevä Matti Virkki on paneutunut erityisesti supramolekulaarisiin materiaaleihin.

"Supramolekulaarisissa materiaaleissa molekyylit vuorovaikuttavat keskenään halutulla tavalla", kertoo Virkki. "Valjastin nämä vuorovaikutukset palvelemaan aineen uudelleenjärjestäytymistä, kun siihen kohdistetaan valoa." 

Aineen molekyylitason järjestys määrää suurelta osin miten valon ominaisuudet muuttuvat sen edetessä kyseisessä aineessa. Valolla aikaansaatu uudelleenjärjestäytyminen saa valon käyttäytymään aineessa eri tavalla. Lopputulos on siten valolla ohjattu materiaali valon hallintaan.

"Supramolekulaaristen vuorovaikutusten ymmärtäminen auttaa kehittämään materiaaleja, jotka muokkaavat valon ominaisuuksia entistä voimakkaammin ja nopeammin. Ennen kaikkea lähestymistavan etuna on kemiallisen synteesin yksinkertaistuminen: Aiempaa pienemmät rakenneosat muodostavat itsestään halutun rakenteen, kun ne sekoitetaan keskenään."

Tarkemmin sanottuna Virkin työmaana on epälineaarinen optiikka. Esimerkkejä tämän sovelluksista ovat valon värin muuttaminen uusien lasereiden valmistuksessa sekä valon modulointi eli muokkaaminen suurella taajuudella tiedonvälitystä varten.

Virkin fysiikan alaan kuuluvaan väitöskirjaan Supramolecular Materials for Photocontrolled Optical Nonlinearity (Supramolekulaarisia materiaaleja valolla ohjattuun epälineaariseen optiikkaan) voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-15-3825-4

Juttu perustuu Tampereen teknillisen yliopiston lähettämään tiedotteeseen.

Kameroiden optiikka kevenee pian huimasti

La, 06/04/2016 - 10:04 Jarmo Korteniemi

Uuden metalinssitekniikan uumoillaan parantavan mikroskooppien erotuskykyä, ja mullistavan kameratkin.

Tekniikan ja komponenttien kehittyessä monet laitteet ovat pienentyneet roimasti. Optisten laitteiden kokoa on kuitenkin aina rajoittanut yksi tekijä – linssi. Sellaiset kun ovat umpilasisia, raskaita ja paksuja.

Lisäksi laatukin maksaa, ja parhaat linssit ovat hyvin hintavia. Näin siis tähän asti.

Science-tiedelehdessä 3.6. julkaistussa tutkimuksessa käsitellään jännittävää uudistusta optiikan alalta.

Metalinsseiksi kutsutut ohuet levyt voivat tulevaisuudessa korvata perinteiset lasilinssit. Kokonsa puolesta ne ovat jo lyömättömiä.

Metalinssien salaisuus on titaanidioksidikerroksessa, joka sijoitetaan läpinäkyvän kvartsilevyn päälle. Pinnoite koostuu valoa kääntävistä satojen nanometrien korkuisista ja valoa taittavista torneista. Eri aallonpituudet saadaan käännettyä oikeaan suuntaan tornien sopivalla sijoittelulla.

Tämä diffraktiolinsseihin perustuva menetelmä on jo vanha keksintö, mutta sen ongelma on ollut tarkkuus. Tutkijoiden mukaan nanoskaalan "tornit" mahdollistavat aiempaa paremman tarkkuuden.

Käytännön lopputulos kuvan laadussa on lähes sama kuin paljon paksummalla lasilinssillä*. Metalinssit ovat niin ohuita kuin pinnoitetta tukeva kvartsilevy vain antaa myöten.

Metalinssien avulla nähdään hyvin tarkasti alle valon aallonpituuden levyisiä kohteita. Uuden tekniikan avulla erotuskyky ja kuvan terävyys ovat vähintään samaa luokkaa kuin perinteisilläkin linsseillä. Linssin läpi pääsee parhaimmilla aallonpituusalueilla 86 % siihen tulleesta valosta, mikä on lähes samaa luokkaa kuin monilla hyvilläkin lasilinsseillä**. Tutkijat raportoivat saaneensa metalissillä aikaan 170-kertaisen suurennoksen.

Mikä parasta, optiikan valmistushinnan pitäisi tippua roimasti. Metalinssien massavalmistus kun on halpaa.

Uudella tekniikalla on merkitystä etenkin paljon suurentavissa ja läheltä kuvaavissa mikroskoopeissa. Myös kännykkäkameraan voidaan pian saada ainakin periaatteessa samanlaatuisia linssejä kuin parhaimman järjestelmäkameran objektiiveissa.

Kannattaa kuitenkin muistaa, että hienoimmastakin optiikasta huolimatta otettujen kuvien laatu riippuu eniten kuvaajan taidoista...

Alla vielä Sciencen julkaisema video, jossa metalinssien toimintaa havainnollistetaan. Jutun kuvat ovat kuvakaappuksia videosta.

Päivitys 4.6.2016 klo 13.15: Yleisön pyynnöstä lisätty kappale diffraktiosta ja maininta mikroskoopista. Tähdillä merkittyjä lauseita korjattu, aiemmin kohdissa luki "Systeemi toimii aivan kuten paljon paksumpi lasilinssi" (*) sekä "kuva ei himmenekään yhtä paljon kuin lasilinssillä" (**).

Metsä vesipisarassa

Ti, 04/19/2016 - 11:02 Jari Mäkinen
Metsä näkyy vesipisrassa

Luonto on täynnä optiikkaa – etenkin kun sataa. Valon leikki vesipisaroissa paitsi saa aikaan sateenkaaria, niin myös muunlaisia ilmiöitä. Yksi näistä on päivän kuvassa.

Päivän kuvaKirkas sadevesi toimii kuin linssi, eli sen läpi katsottuna taustalla oleva maisena näkyy samaan tapaan kuin pienen linssin läpi katsottuna. Pisaran muoto tekee kuvasta vääristyneen, mutta periaatteessa kyse on samasta kuin paksun linssin läpi tutkisi maisemaa.

Linssin läpi katsottuna kuva on kuitenkin ylösalaisin, minkä vuoksi kuva on itse asiassa ylösalaisin. Harvoinpa pisarat muodostuvat oksaan sen yläpuolelle odottamaan putoamista.

Tällaisia kuvia on suhteellisen helppo ottaa metsässä, kun olosuhteet ovat sopivat. Tässä tapauksessa todennäköisesti kuva on otettu sadekuuron jälkeen Auringon paistaessa maisemaan taas kauniisti. Parhaat tulokset saadaan pitkäpolttovälisellä makro-objektiivilla, joka tekee kohteista tarpeeksi suuren, tarkan kuvan kennolle, mutta jättää taustan epätarkaksi.

Nestettä voidaan käyttää aivan oikeasti myös linssinä. Ranskalaiskeksijä, professori Bruno Berge on keksinyt tavan myös säätää tällaisten nestelinssien polttoväliä sähköisesti. Linsseissä on läpinäkyvää öljyä ja vettä sisäkkäin siten, että ohut öljykerros pitää veden sisällään ja muutaman milliwatin sähkövirran avulla on mahdollista hallita öljyä, joka puolestaan kaitsii vettä. Virran voimakkuutta muuttamalla voidaan muuttaa pintajännitystä ja siten linssin muotoa, ja edelleen linssin polttoväliä.

Berge väittää, että nestelinssit ovat mm. teollisuuskameroissa kestävämpiä kuin perinteiset, ja että tekniikkaa voisi käyttää jopa kännykkäkameralinsseissä, koska nestelinssi voisi toimia yksinkertaisena zoom-objektiivina kuluttaen hyvin vähän virtaa.

Tuloksia odotellessa voi muistella maailman ensimmäistä linssiä, niin sanottua ‘Nimrudin linssiä'. Se on vanhin tiedossa oleva optinen laite, jota käytettiin mm. suurennuslasina.

Kyseessä on Assyriasta (nykyisen Irakin alueelta) löytynyt kivikristallipalanen, joka lienee ollut käytössä joskus vuonna 750 eaa.

Linssi suurentaa noin kolminkertaisesti ja todennäköisesti sitä on käytetty apuna kaiverruksia tehtäessä. Tai sitten se on ollut vain koru, jonka läpi näkyvä kuva teki siitä vain kauniin ja mystisen.

Nimrudin linssi on näytteillä British Museumissa (kuva alla).

Hyvää syntymäpäivää, 69-vuotias zoom-objektiivi!

La, 04/16/2016 - 11:41 Jari Mäkinen

Ensimmäinen kunnollinen zoom-objektiivi otettiin käyttöön tänään vuonna 1947 New Yorkissa, National Broadcasting Companyn TV-studioilla.

Päivän kuvaErilaisten kokeiluiden jälkeen kotikutoinen Zoomar-linssi asennettiin tuolloin Dumont -TV-kameraan, joskin tässä kuvassa uusi zoom-linssi on kiinnitettynä 1950-luvun TV-kameraan.

Aikaisemmin kameroissa oli pyörivään kiekkoon asennettuna eri objektiiveja, joita vaihdettiin käsin tai sähkömoottorilla. Yleensä vaihtaminen tapahtui studiotyöskentelyssä silloin kun jokin toinen kamera kuvasi lähetettävää kuvaa, mutta toisinaan kuvassa "muljahti", kun objektiivi kääntyi ensin pois kuvasta ja toinen pyörähti sen paikalle.

Etenkin urheiluohjelmissa zoom osoittautui erittäin käyttökelpoiseksi, koska lähettävää kameraa ei aina pystynyt vaihtamaan kesken ohjelman ja usein urheilijan seuraaminen zoomin avulla oli näyttävää ja kätevää.

Zoomarin keksi Frank Gerard Back, newyorkilainen tohtori, joka patentoi keksintönsä marraskuussa 1948 (siis zoomin oltua jo jonkin aikaa käytössä) nimikkeellä "vaihtuvafokaalinen linssi kameraa varten." 

Televisiokameroiden jälkeen zoom otettiin käyttöön elokuvakameroissa. Valokuvauskameroiden puolella ensimmäistä zoomia saatiin odottaa vuoteen 1959 saakka, jolloin varsin massiivinen Voigtländer-Zoomar julkistettiin. Sen polttoväliä saattoi muuttaa välillä 36 – 82 mm.

Kuva: Chalk Hill Media's Virtual Museum

Päivitys: Ensimmäiset zoom-linssit tulivat jo 1900-luvun alussa!

Jutun jälkeen Jarkko Silén huomautti Tiedetuubin Facebook-sivulla aiheellisesti, että zoomeja toki oli aikaisemmin, kuten alla oleva It-elokuvan alku vuodelta 1927 osoittaa.

Ajatus vaihtuvafokaalisesta linssistä on peräisin jo 1800-luvun alusa, mutta ensimmäisen toimivan linssin, joka pysyi zoomattaessakin jotakuinkin tarkennettuna, patentoi Clile Allen vuonna 1902. Ensimmäinen sarjatuotantoon tullut elokuvakamerakäyttöön tarkoitettu zoom oli Bell ja Howall Cooken "Varo" (40 – 120 mm) vuonna 1932.

Beckin linssi oli kuitenkin mullistava siksi, että se oli ensimmäinen kätevä ja käytännöllinen zoom-objektiivi – ja koska sitä hehkutettiin runsaasti televisiossa, etenkin pesäpallo-otteluiden yhteydessä, nousi se myös suuren yleisön tietoisuuteen.

Optisia ohutkalvoja lähes räätälintyönä rakennuspalikoiden avulla

Ti, 11/17/2015 - 16:10 Toimitus

Aurinkokennoissa, viihde-elektroniikassa ja monissa muissa valoa hyödyntävissä sovelluksissa tarvitaan erilaisia ohutkalvoja optisissa pinnoissa. Kyseessä ovat erilaiset modernin fotoniikan sovellukset, joita voidaan tehdä nyt lähes räätälintyönä nanomittakaavassa. 

Näiden ohuiden ja järjestäytyneiden rakenteiden suunnittelu täytyy aloittaa atomi- ja molekyylitasolta, ja Tampereen teknillisessä yliopistossa ensi perjantaina väittelevän diplomi-insinööri Essi Sariola-Leikkaan väitöstyössä on keksitty uusi tapa tehdä näin uudenlaisilla itsekiinnittyvillä kemiallisilla rakennuspalikoilla.

"Itsekiinnittyvät molekyylit mahdollistavat jopa monikerroksisten ohutkalvojen valmistuksen yksinkertaisella tavalla", selittää Essi Sariola-Leikas, joka toimii tutkijana TTY:n kemian ja biotekniikan laitoksella supramolekulaarisen valokemian tutkimusryhmässä.

Väitöstyössään Sariola-Leikas valmisti useita valoaktiivisia orgaanisia väriaineita, muun muassa klorofyllin eli lehtivihreän johdannaisia. Näihin molekyyleihin liitettiin erilaisia niin sanottuja ankkuriryhmiä. Ankkurit kiinnittivät molekyylit kiinteille pinnoille tasaiseksi kaksiulotteiseksi kerrokseksi.

"Kukin pintamateriaali vaatii oman ankkuriryhmänsä", jatkaa Sariola-Leikas.

"Kiinnittyminen pintaan tapahtuu kuin itsestään, spontaanisti. Molekyyleille on vain annettava suotuisat olosuhteet toteuttaa tämä prosessi itse."

Tutkimuksessa molekyylit kiinnittyivät pinnalle kontrolloidusti. Yksinkertaisella tekniikalla onnistuttiin valmistamaan jopa kymmenen molekyylikerroksen paksuisia, stabiileja ja hyvin voimakasvärisiä rakenteita.

Ja mikä mielenkiintoisinta, rakentuivat nämä kerrokset kuin legopalikoiden muodostamat tornit, kerros kerrokselta.

Menetelmässä hyödynnettiin kemiallista metalli-ligandi-vuorovaikutusta.

Kyse on supramolekulaarisen kemian perustutkimuksesta, jolla ei ole suoraa, välitöntä sovelluskohdetta, mutta paljon mahdollisuuksia erilaisten – mahdollisesti jopa mullistavien – valoaktiivisten rakenteiden hyödyntämisessä.

Esimerkiksi valolla toimivat, kehitteillä olevat optiset tietokoneet tarvitsevat hyvin paljon uudenlaista fotoniikkaa, kuten myös uudenlaiset aurinkopaneelit. Samoin tiedonvälityksessä valoa käyttävät laitteet ovat riippuvaisia fotoniikasta sekä optisten osien pinnoitteista.

Essi Sariola-Leikkaan väitöskirjaa voi lukea osoitteessa http://URN.fi/URN:ISBN:978-952-15-3623-6.

Tämä teksti perustuu TTY:n lähettämään tiedotteeseen.

Katsomisen keinot, näkemisen tavat

To, 08/20/2015 - 10:23 Helena Sederholm

Tänä vuonna on julkaistu kaksi kiinnostavaa kirjaa, jotka linkittävät toisiinsa taiteen ja tieteen. Molempien sanoman ydin on, etteivät asiat ole sitä miltä ne näyttävät, eikä näkeminen ole mikään yksinkertainen asia vaan taito, joka täytyy opetella. Ja se pitää opetella aina uudestaan, sillä eri aikoina erilaiset kulttuuriset, poliittiset, aatteelliset ja teknologiset tekijät vaikuttavat paitsi siihen, mitä katsotaan, myös siihen miten nähdään ja miten nähtyä kuvataan. 

Johanna Vakkarin toimittama Perspektiivi kuvataiteen historiassa (Gaudeamus 2015) tarkastelee erilaisia tapoja luoda tilaa ja käsitellä aikaa taiteessa. Kun taiteessa puhutaan perspektiivistä, monen mieleen tulee ensimmäisenä renessanssin keskeisperspektiivi, joka on matemaattinen konstruktio. Kun katsoo yhdellä silmällä, asiat katoavat samassa linjassa yhteen pakopisteeseen. Ongelma vain on, että kun siirtyy piirunkaan verran siitä yhdestä näkökulmasta – tai avaa molemmat silmät – koko kuva muuttuu. 

Perspektiiviproblematiikkaa pohdittiin paljon jo antiikissa ja keskiajalla optiikan tutkimus tuotti tuloksia, joilla oli suuri merkitys äärettömyyden ja avaruuden käsitteiden ja siinä mielessä myös keskeisperspektiivin kehittymiselle. Roger Bacon kirjoitti 1200-luvulla joukon tutkimuksia, jotka hän lähetti paaaville yhdessä optisen linssin kanssa. 

Yhdessä kirjoituksessa Bacon vaati, että taiteilijat tulisi perehdyttää geometriaan, jotta heidän uskonnolliset maalauksensa olisivat paremmin jäsennettyjä. Baconille matematiikka oli keino hankkia tietoa maailmasta ja taiteilijoiden piti hänen mielestään kuvata luomakuntaa mahdollisimman selkeästi.

Edes renessanssin aikana 1400-luvulla taiteilijat eivät kuitenkaan käyttäneet keskeisperspektiiviä maalauksissaan johdonmukaisesti. Kun he pyrkivät luonnonmukaisen havaintotodellisuuden toistamiseen, he poikkesivat keskeisperspektiivistä kokonaisvaltaisen katsojakokemuksen hyväksi. Matematiikan tärkeyttä näkökokemuksen ymmärtämisessä saatettiin korostaa, mutta käytännössä taiteilijat tukeutuivat aistihavaintoon ja erilaisiin tapoihin kuvata tilaa.

Niin kutsuttu renessanssiperspektiivi onkin ollut vain yksi kuvataiteen tapa luoda tilaa ja kertoa tarinoita. Vakkarin toimittamassa kirjassa kuvataan myös monipuolisesti empiiristä perspektiiviä, käänteisperspektiiviä, arvoperspektiiviä, väriperspektiiviä, ilmaperspektiiviä, epäeuklidiseen matematiikkaan perustuvia perspektiivinäkemyksiä, kaarevaa perspektiiviä, simultaanisuutta ja taiteilijoiden näkemyksiä neljännestä ulottuvuudesta.

Näkeminen on fysiologisen ja psykologisen yhteistoimintaa. Kiinnitämme huomion johonkin, mutta kyse on myös kommunikatiivisuudesta: haemme näkemästämme kokonaisuuksia, pyrimme selkeyteen ja tartumme tuttuun. Jo filosofi John Locken mukaan havainto on yhtä lailla tottumuksen tuottamaa kuin kerätyn tiedon soveltamista. Sittemmin on oivallettu, että myös käyttämämme havaintoväline, olipa se kaukoputki tai mikroskooppi, vaikuttaa katsomiskokemukseen. 

Siksi perspektiivi-kirjan luettuaan onkin hyvä tarttua Laura J. Snyderin kirjaan Eye of the Beholder. Johannes Vermeer, Antoni van Leeuwenhoek, and the Reinvention of Seeing (Head of Zeus 2015), joka käsittelee muun muassa sitä, kun nähdään jotakin uutta, eikä katsoja tiedä mitä näkee. 

Äkkiseltään voisi ajatella, että camera obscuran, linssien ja peilien tuottama perspektiivikuva, Johannes Vermeerin taiteellinen toiminta ja Antoni van Leeuwenhoekin mikroskooppikokeilut eivät liity toisiinsa juuri muuten kuin, että Leeuwenhoek ja Vermeer asuivat samaan aikaan 1600-luvun puolimaissa samassa kaupungissa, torin vastakkaisilla puolilla. Snyderin mukaan on todennäköistä, että he tunsivat toisensa, vaikka siitä ei suoria historiallisia todisteita olekaan. Miehiä yhdisti kuitenkin kiinnostus linsseihin. 

1600-luvun taiteilijat käyttivät paljon optisia välineitä: linssejä ja peilejä. Niiden avulla he tekivät perspektiivisiä ja optisia kokeiluja. Perspektiivin saattoi luoda kuvaan ilman työlästä matematiikkaa. Esimerkiksi koveran linssin avulla taiteilija saattoi tutkia korostuneita värejä ja yksityiskohtia sekä esineiden ulottuvuutta suhteessa ympäristöön. 

Monet taiteilijat käyttivät koveria linssejä myös laajentaakseen kaupunkinäkymien kuva-alaa. Esimerkiksi Carel Fabritius käytti todennäköisesti kaksoiskoveraa linssiä maalatessaan Näkymää Delftissä 1652, mikä selittäisi perspektiivin vääristymät kuvan laidoilla.

Vermeer käytti joko kuperaa peiliä tai kaksoiskoveraa linssiä maalatessaan Nukkuvaa palvelijatarta (n. 1656–57) ja eräitä muita teoksia 1650-luvulla. Mutta kuten keskeisperspektiiviä käyttäneet renessanssitaiteilijat, ei Vermeerkään toistanut orjallisesti optisten välineitten läpi näkemäänsä, vaan teki maalauksiin muutoksia, jos ne paransivat esteettistä vaikutelmaa. Vermeerin sommitelmat ovat myös hyvin geometrisia ja on arveltu, että hänen mestarillista ja intensiivistä värien ja sävyjen käyttöään avitti myös camera obscura.

Samoihin aikoihin kun Vermeer maalasi koverien linssien kanssa, hänen naapurinsa, kangaskauppias van Leeuwenhoek kiinnostui myös linsseistä, joita hän valmisti itse. Hän teki pienen herneen kokoisia pisaralinssejä ja valmisti joidenkin laskelmien mukaan elämänsä aikana kaikkiaan 566 mikroskooppia, joista vain yhdeksän on säilynyt. 

Jos erilaisten perspektiivien avulla taiteessa voitiin kuvata asioiden välisiä suhteita ja luoda erilaisia tiloja, niin 1600-luvulla kehitetyt teleskooppi ja mikroskooppi mullistivat asioiden mittakaavan. Taivaalla oli enemmän tähtiä kuin oltiin laskettu ja mikroskooppi paljasti aiemmin kokonaan näkymättömissä olevia maailmoita.

Snyderin kirjaa lukiessa on kiehtovaa yrittää ymmärtää, miltä Lontoossa Royal Societyn herroista tuntui, kun he yrittivät käsittää, miten van Leeuwenhoek näki tuhansia ja taas tuhansia pieniä otuksia yhdessä vesipisarassa. Tarvittiin mielikuvitusta, jotta opittiin tajuamaan mitä oikeastaan nähtiin ja mitä ei. 

Vielä pitkään monet tutkijat tuijottivat mikroskooppiin yrittäen löytää jotakin, mitä he tiesivät olevan, kuten Nicolaas Hartsoeker, joka "löysi" 1690-luvulla siittiön sisältä valmiin pikkuihmisen, homunculuksen; sitä myös Leeuwenhoek etsi, muttei koskaan väittänyt löytäneensä.

Leeuwenhoekia kiinnosti myös näkemisen fysiologia: hän tutki toistuvasti mikroskoopeillaan yhtä lailla mehiläisen kuin lehmänkin silmiä: näköhermostoa, iiristä, sarveiskalvoa ja verkkokalvoa.

Vermeerin ja Leeuwenhoekin tekemisten yhdistäminen samoin kuin tieteenhistorialliset viittaukset Perspektiivi-kirjassa konkretisoivat sekä tieteen että taiteen tutkimuksellista luonnetta. Molemmilla alueilla mielikuvitus on tärkeä tekijä sekä näkemään oppimisen että nähdyn tulkitsemisen kannalta. 

Kumpikin kirja kuvaa lisäksi sitä kuinka kansainvälisesti ideat ja ajatukset levisivät Euroopan eri kolkkiin ja miten niitä kehitettiin. Ei ole ollenkaan yllättävää, että tiedettä ja taidetta yhdistäviä kirjoja julkaistaan juuri nyt, kun mikroskooppi on myös taiteen tekemisen väline, solu- ja nanotaso taiteen materiaaleja ja kun esimerkiksi avaruustutkimuksen löytöjen ymmärtämiseksi niitä täytyy jäsennellä visuaalisesti eri tavoin.

Avaruustekniikka pelastaa sarvikuonoja

Vuosi 2014 ei ollut erityisen hyvä sarvikuonoille. Virallisten lukujen mukaan laiton metsästys kaatoi viime vuonna vieläkin enemmän sarvikuonoja kuin vuonna 2013, jolloin 1004 eläintä tapettiin.

Kolme opiskelijaa Iso-Britanniasta, Cranfieldin yliopistosta keksi ajatuksen käyttää avaruuskaukoputkien kuvantamistekniikaa hyväksi metsästäjien paljastamissa. 

Satelliittien sijaan uudenlaiset kameralaitteet asennettaisiin mehittämättömiin lentokoneisiin, jotka voisivat partioida riistanvartijoiden kanssa alueilla, missä sarvikuonoja metsästetään salaa.

“Ehdotuksemme voisi olla avuksi paitsi villieläinten suojelussa, niin myös etsintä- ja pelastustoimissa”, toteaa Idriss Sisaid. 

Hän sekä opiskelijatoverinsa Enrique Garcia Bourne ja Edward Anastassacos voittivat ideallaan vuoden 2014 Space Solutions University (S2UN) -kilpailun, jonka järjestäjänä toimii ESAn teknologiansiirtotoimisto.

Keksintö käyttää hyväkseen ESAn patentoimaa tekniikkaa, joka kehitettiin korjaamaan optiikan kuvaisvirheitä. Sen avulla esimerkiksi yksinkertaisten linssien muodostama hieman pallomainen kuva voidaan lukea tasomaissella kuvakennolla ja korjata oikeaksi. Tämä auttaa tekemään kuvista teräviä ja tarkkoja ilman monimutkaista optiikkaa korjaavaa laitteistoa.

“Kyseessä oleva ESAn patentti numero 561 auttaa meitä tuottamaan korkealaatuisia, vääristymättömiä laajakulmakuvia”, selittää Enrique ja jatkaa: “Kun tällainen laitteisto asennetaan miehittämättömään lentolaitteeseen, voimme kattaa suuremman alueen ja tehdä sen tarkemmin kuin olisi mahdollista perinteisillä kameroilla ja lentolaitteilla”.

Keksintö tekee havainnoinnista paljon aiempaa edullisempaa, ja näin voidaan kartoittaa nopeasti laajoja alueita. Siten metsänvartijat voisivat paikantaa helposti missä salametsästäjät ovat vaanimassa esimerkiksi sarvikuonoja tai elefantteja.

Havainnonteon edullisuus on tärkeää salametsästäjiä etsiville eläinsuojelujärjestöille ja pienimäärärahaisille metsänvartijoille. Toimiva valvonta vaatii jatkuvaa havainnontekoa sekä laajojen alueiden seurantaa, missä lentolaitteet kameroineen voisivat olla suuri apu.

Hätätilanteissa jokainen sekunti on kallis. Siksi nopeasti ilmaan saatavat ja tehokkaasti laajalta alueelta kuvia keräävät lentolaitteet voivat olla suureksi avuksi myös pelastusjoukoille. Heillä voisi olla näin ajantasaista tietoa heti käytettävissään.

Opiskelijat pohtivat parhaillaan tapoja kehittää ajatustaan eteenpäin ja muuttaa se toimivaksi liiketoiminnaksi – mahdollisesti jonkun ESAn yrityshautomon kanssa.

“Toivomme, että ideamme saa siivet mahdollisimman pian!”

Otsikkokuvassa on eläimiä Virungan kansallispuistossa Kongossa (Kuva: ESA)

Roistoaallot kuriin!

To, 10/02/2014 - 08:58 Toimitus
Suuria aaltoja Atlantilla

Tampereella tutkitaan roistoaaltoja, eli suuria yksittäisiä, vaarallisen korkeita hyökyaaltoja, jotka näyttävät syntyvän tyhjästä tyynen merenpinnan keskellä. Paitsi että nämä elokuvistakin tutut tappaja-aallot ovat sinällään mielenkiintoisia, jännittävää on myös se, että niistä on kiinnostunut juuri Tampereen teknillisen yliopiston optiikan tutkijat.

Kansainvälissä tutkijaryhmässä, missä tamperelaisetkin ovat mukana, on keksitty miten lasereiden ja kuituoptiikan tutkimus voi lisätä ymmärrystämme näistä merionnettomuuksienkin aiheuttajista.

Roistoaallot ovat harvinaisia, eikä niiden olemassaolosta ei ole aiemmin ollut tieteellistä todistusaineistoa, vaan suuri osa niistä olevasta tiedosta on peräisin merenkulkijoiden kertomuksista. Nämä aallot tulivat mieleen, kun optiikan tutkijat huomasivat, että tietyissä olosuhteissa optisessa kuidussa kulkevat lyhyet ja voimakkaat valopulssit muistuttavat kovin paljon roistoaaltoja. Niiden syntyä voidaan kuvata samoilla matemaattisilla kaavoilla.

"Optiikkaa voidaan käyttää testialustana monien sellaisten kiehtovien luonnonilmiöiden tutkimuksessa, joiden tarkkailu luonnollisessa ympäristössä on vaikeaa", sanoo Associate Professor, akatemiatutkija Göery Genty Tampereen teknillisestä yliopistosta.

Hän kuuluu kansainväliseen tutkimusryhmään, jonka työn tuloksia julkaistiin äskettäin arvostetuissa tieteellisissä aikakauslehdissä Nature Photonics ja Nature Communications.

Gentyn lisäksi tutkimusryhmään kuuluivat professori John M. Dudley (Franche-Comtén yliopisto, Ranska), professori Frédéric Dias (University College Dublin, Irlanti) ja tutkija Miro Erkintalo, joka väitteli Tampereen teknillisessä yliopistossa Gentyn ohjauksessa ja työskentelee tällä hetkellä Uudessa-Seelannissa Aucklandin yliopiston fysiikan laitoksella.

Nature Photonics -lehden lokakuun numerossa julkaistussa artikkelissaan Instabilities, breathers and rogue waves in optics tutkimusryhmä kuvaa tieteenalalla saavutetut edistysaskeleet, selvittää ilmiön taustalla vaikuttavat fysiikan lainalaisuudet ja tuo esiin optiikan tutkimuksen yhteyden hydrodynamiikan ymmärtämiseen.

Tutkimus on tulosta pitkäaikaisesta kuituoptiikan ja merentutkijoiden välisestä yhteistyöstä, joka sai alkunsa Suomen akatemian rahoittaman optisiin roistoaaltoihin keskittyvän hankkeen aikana vuonna 2009. Hankkeeseen osallistuneet tutkijat julkaisivat yli 30 tieteellistä artikkelia kansainvälisissä vertaisarvioiduissa lehdissä ja saavuttivat uraauurtavia tuloksia optiikan tutkimuksen kytköksistä muihin fysiikan osa-alueisiin.

Toinen optisessa kuidussa ilmenevä yllättävä fysikaalinen ilmiö on mustaa aukkoa ympäröivä tapahtumahorisontti. Mustaa aukkoa, jonka vetovoima on niin suuri, ettei edes valo pääse pakenemaan sen vaikutuspiiristä, ympäröi näkymätön, laskennallinen raja, jonka sisäpuolelta mikään ei pääse enää ulos. Tätä kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Se ympäröi myös valkoista aukkoa, jonne edes valo ei pääse. Samat fysiikan lainalaisuudet ovat havaittavissa optisessa kuidussa, jossa kulkee heikkoja ja voimakkaita valopulsseja eri nopeuksilla.

"Sen lisäksi että tulokset viittaavat mielenkiintoisiin yhteyksiin ilmiön ja yleisen suhteellisuusteorian välillä, mekanismin oletetaan vaikuttavat myös optisten roistoaaltojen muodostumiseen", selittää Genty.

Nature Communications -lehden syyskuun numerossa julkaistussa artikkelissa Nonlinear optics of fibre event horizons professori Genty kollegoineen Franche-Comtén ja Aucklandin yliopistoista kuvaa kuituoptisten tapahtumahorisonttien muodostumista. Yksinkertaisella ja kattavalla esityksellä voi olla välittömiä vaikutuksia painovoiman optiseen mallinnukseen liittyvien kvanttiominaisuuksien analyysiin.

Tutkimus tehtiin Gentyn viisivuotisen akatemiatutkijakauden aikana. Ajanjaksolla on julkaistu yli 50 vertaisarvioitua artikkelia johtavissa tieteellisissä lehdissä.

Roistoaalloista voi lukea lisää TTY:n Rajapinta-lehden jutuissa Roistoaallon prototyypin jäljillä ja Roistoaalto on merimiehen painajainen ja tutkijan unelma.

Tämä juttu perustuu TTY.n keskiviikkona 1.10. julkaisemaan tiedotteeseen.