A csillagok titkaitól a jövő reaktoraiig: magyar kutatók dolgozhatnak együtt az MIT-vel

Három hazai kutatócsoport jutott támogatáshoz a Massachusetts Institute of Technology és a HUN-REN Magyar Kutatási Hálózat közös pályázatán. A Global Seed Funds típusú konstrukciók a nemzetközi kutatási együttműködések legkorábbi szakaszát segítik. Utazások, workshopok, kutatói találkozók és közös szakmai munka finanszírozásával teremtenek lehetőséget arra, hogy a különböző országokban dolgozó kutatócsoportok között tartósabb szakmai kapcsolat alakuljon ki.

A mostani pályázati kör fontos mérföldkő a HUN-REN számára, mert a hálózat kutatói először kapcsolódhattak be dedikált MIT–HUN-REN programba. A Global Seed Funds szűk nemzetközi körben működik, világszerte 23 ország, Európából Magyarországgal együtt tíz vesz részt benne. Az első közös ciklusban hat pályázat érkezett, ezek közül három kapott támogatást. A nyertes témák pedig nem egyetlen szűk tudományterületet fednek le, ami jól mutatja a program kiterjedtségét. Jakab Roland, a HUN-REN vezérigazgatója kiemelte, hogy a Seed Fund értéke, hogy elindítja az együttműködést olyan kutatócsoportok között, amelyek közös munkájából hosszabb távon nagyobb tudományos vagy technológiai programok nőhetnek ki.

Az MIT ebben a konstrukcióban nem kész témákat keres, hanem olyan kutatási ötleteket, amelyek az ottani kutatók számára is érdekesek, újak és világszínvonalúak lehetnek.

A HUN-REN számára a program a nemzetköziesítés egyik eszköze. Jakab szerint az ilyen együttműködések a hazai kutatás színvonalát is emelhetik, mivel a magyar csoportokat közvetlenül kapcsolják össze a nemzetközi élvonal kutatóival, infrastruktúrájával és módszertanával. Ez hosszabb távon publikációkban, közös pályázatokban és abban is megjelenhet, hogy a magyar kutatási hálózat vonzóbbá válik külföldön dolgozó kutatók, fiatal szakemberek és új kutatási irányok számára.

A csillagok fényében keresik az anyag eredetét

A Tejútrendszer kémiai múltjának egyik nyitott kérdése, hogy honnan származnak azok az elemek, amelyek a vasnál nehezebbek, de az aranynál, ólomnál vagy uránnál könnyebbek. Maria Lugaro és Marco Pignatari, a HUN-REN Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének kutatói ezeknek az úgynevezett „könnyű” nehéz elemeknek az eredetét vizsgálják.

A legnehezebb elemek keletkezéséről az elmúlt évtizedekben viszonylag stabil tudományos kép alakult ki, a könnyebb nehéz elemek eredete azonban továbbra is vitatott. Ide tartozik például a stroncium, a cirkónium, a molibdén, az ezüst és a palládium. Ezeket az elemeket rendkívül ősi, fémszegény csillagokban is látni lehet, vagyis már a korai univerzumban is működtek olyan folyamatok, amelyek létrehozták őket. Az viszont ma sem világos pontosan, milyen csillagtípusok vagy csillagrobbanások álltak mögöttük.

A kutatók ezért az egyes asztrofizikai folyamatok „ujjlenyomatait” keresik.

Minden elemképző folyamat sajátos kémiai mintázatot hagy maga után, mivel más elemeket, más arányban termel. Ezek a mintázatok a csillagok fényéből, nagy felbontású spektrumokból olvashatók ki. Az ősi, fémszegény csillagok ebben a kutatásban időkapszulaként működnek, mert külső rétegeik lényegében megőrizték azt az összetételt, amelyből a csillag született.

Az MIT-vel való együttműködés itt azért fontos, mert Anna Frebel professzor kutatócsoportja a megfigyelési adatoldalt biztosítja. A magyar kutatók csillagfejlődési és nukleoszintézis-modelljeit olyan nagy csillagminták elemgyakorisági adataival vetik össze, amelyekből kiderülhet, mely folyamatok milyen mértékben járultak hozzá az elemek kialakulásához.

A projekt egyszerre épít számítógépes modellekre, távcsöves megfigyelésekre és új statisztikai összevetésekre. A kutatás jelentősége túlmutat néhány elem eredetének pontosabb leírásán. Segíthet tisztázni a Tejútrendszer korai kémiai fejlődését, és közelebb vihet azoknak az elemeknek az eredetéhez, amelyek a csillagok, bolygók és a körülöttünk lévő anyag kémiai történetének fontos részei. A kutatók szerint bizonyos elemek, például

az ezüst eredetének vizsgálata a csillagrobbanások fizikájáról is többet elárulhat.

Ezekben szerepük lehet a neutrínóknak, vagyis a csillagokban és szupernóvákban nagy számban keletkező, rendkívül nehezen észlelhető elemi részecskéknek. A szerepük pontosabb megértése közelebb vihet ahhoz is, hogyan formálódott a Tejútrendszer korai anyaga. 

Új modellek segíthetik a fejlettebb nukleáris rendszerek irányítását

A jövő nukleáris rendszereinél az egyik kulcskérdés az lehet, mennyire lehet biztonságosan automatizálni az üzemeltetés egyes folyamatait. Ehhez azonban olyan reaktorfizikai modellekre van szükség, amelyek a mainál pontosabban írják le a reaktorban zajló folyamatokat. Ványi András Szabolcs és Böröczki Zoltán István, a HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont kutatói ennek a modellezési háttérnek a megteremtésén dolgoznak.

A fejlesztés alatt álló fejlett reaktoroknál, ezen belül főként a kis moduláris reaktoroknál egyre fontosabb lehet, hogy az üzemeltetés bizonyos folyamatai pontosabb modellekre és megbízhatóbb számításokra támaszkodjanak. Ha sok kisebb teljesítményű reaktor jelenik meg,

az egységnyi megtermelt energiára jutó személyzeti és működési költség is hangsúlyosabbá válik.

Az autonóm működés a nukleáris energetikában fokozatos fejlődési irányt jelent, amelyben először egyes részfeladatok támogatása vagy automatizálása jelenhet meg. A kutatás technikai magja a reaktorban zajló folyamatok pontosabb leírása. A kutatók azt vizsgálják, hogyan változik a neutronfluxus térben és időben, különösen olyan helyzetekben, amikor a reaktor teljesítménye változik. Ehhez multipont kinetikai módszert, nagy pontosságú Monte Carlo-számításokat és kutatóreaktoron végzett méréseket használnak, majd azt ellenőrzik, hogy a számítógépes modellek előrejelzései mennyire egyeznek a valós mérésekkel. A módszer validálásához több, eltérő kísérleti és szimulációs környezetet kapcsolnak össze. A vizsgálatok

az MIT MGEP szubkritikus rendszerére, valamint a budapesti Kutatóreaktorra és a BME Oktatóreaktorára épülnek.

Az MIT oldaláról a fejlett szimulációs eszközök és a kísérleti infrastruktúra, a magyar kutatócsoport részéről pedig a reaktorfizikai tudás és a hazai kutatóreaktorokhoz kapcsolódó mérési háttér adja az együttműködés alapját.

A modellek pontossága különösen azokban a helyzetekben válik kiemelt jelentőségűvé, amikor a reaktor teljesítménye változik, és a számításoknak térben és időben is változó folyamatokat kell követniük. Ha ezek a módszerek kísérletekkel is igazolhatók, később biztonsági elemzésekben, tranziens folyamatok vizsgálatában, teljesítményváltoztatási manőverek tervezésében és fejlettebb irányítási rendszerek megalapozásában is szerepet kaphatnak.

A projekt a fiatal kutatók bekapcsolódása miatt is túlmutat a szűk szakmai modellezési feladaton. A 20 hónapos keretben hangsúlyos szerepet kap a hallgatói munka, az utazás és a tapasztalatcsere. A modellezési és mérési feladatokon magyar egyetemi hallgatókból álló csapat dolgozik majd, az MIT-n pedig hasonló felépítésű csoport kapcsolódik be a projektbe. A tervek szerint lesz amerikai és magyarországi mérési program, a hallgatók és a témavezetők pedig rendszeres szakmai egyeztetéseken vesznek részt. Így a projekt a konkrét módszer validálása mellett egy későbbi MIT–HUN-REN együttműködés és egy fiatal kutatói kör nemzetközi beágyazódásának alapját is megteremtheti.

Amikor néhány milliszekundum is számít

Aki próbált már virtuális vagy kiterjesztett valóság alapú eszközt, találkozhatott azzal, hogy a digitális kép akadozása, késése vagy a valós mozgáshoz képest elcsúszó megjelenítés kellemetlen érzést, szédülést vagy fejfájást okozhat. Ennek oka, hogy az agy és az idegrendszer szokatlan jeleket kap. A látott kép, a test mozgása és a digitális tartalom nem tökéletesen ugyanabban a ritmusban érkezik.

Az XR-alapú edzőrendszereknél kulcskérdés, hogy a digitális visszajelzés mennyire pontosan követi a sportoló valós mozdulatát. Toka László, a BME Villamosmérnöki és Informatikai Karának egyetemi tanára, a HUN-REN–BME Felhőalkalmazások Kutatócsoportjának tagja ezt a problémát vizsgálja vívók bevonásával, ahol a reakcióidő és a mozdulatpontosság különösen gyorsan láthatóvá teszi a késleltetés hatását. 

A sportban ez a probléma különösen élesen jelenhet meg. A vívás gyors reflexekre, rövid reakcióidőkre és pontos mozdulatokra épül, ezért akár 10-100 milliszekundumos késleltetés is számíthat. Ami egy kevésbé időérzékeny alkalmazásban még elfogadható, az egy párbajtőrvívó mozdulatainál már zavaró lehet. A kutatás célja annak feltérképezése, hogy hol húzódnak ezek a határok. A kutatók azt vizsgálják,

mikor válik a késleltetés olyan mértékűvé, hogy már rontja a tanulást, a koncentrációt vagy a taktikai döntéshozatalt.

A munkában technikai késleltetésmérés, szimuláció és vívók bevonásával végzett kísérletek is szerepelnek, a végén pedig olyan tervezési irányelvek születhetnek, amelyek alacsony késleltetésű XR–AI rendszerek fejlesztését segíthetik. Toka László szerint a sportadatok kifejezetten motiválóak a hallgatók számára, amikor mesterséges intelligenciát, adatelemzést vagy felhőalapú rendszereket tanulnak.

Az MIT-vel való együttműködés emberközpontú nézőpontot is ad a technológiai kérdéshez. A késleltetésnél ugyanis nem elég azt mérni, hogy egy rendszer hány milliszekundum alatt reagál. Legalább ilyen fontos, hogy az ember mikor érzi ezt zavarónak, mikor csökken a teljesítménye, és milyen feladatoknál válik kritikussá a késés. A kutatás első körben sporttechnológiai alkalmazáshoz vezethet, például egy vívók felkészülését segítő XR-alapú edzőalkalmazáshoz. A kérdés tágabb jelentősége azonban ennél nagyobb.

Az oktatásban, a rehabilitációban, az orvosi alkalmazásokban vagy az irányítóközpontokban is fontos lehet,

hogy a digitális visszajelzés gyorsan, pontosan időzítve és az emberi mozgáshoz vagy döntési helyzethez igazodva jelenjen meg. Ezeken a területeken már az is kritikus kérdés lehet, hogy mekkora késésnél válik a csúszás zavaróvá, vagy mikor kezd teljesítményromlást okozni. 

Nemzetközi kapcsolatokból épülhet tovább a magyar kutatás

A három projekt távoli területekről indul, mégis hasonló ponton találkozik. Mindegyik olyan kutatási kérdésre épül, amely erős magyar szakmai alapokra támaszkodik, de nemzetközi adatokkal, infrastruktúrával, módszertannal vagy partnerkapcsolatokkal léphet tovább. A Seed Fund szerepe ebben a korai szakaszban különösen fontos. Lehetőséget ad arra, hogy

a kutatócsoportok közös kérdéseket fogalmazzanak meg, adatokat és modelleket kapcsoljanak össze, méréseket és kísérleteket tervezzenek,

illetve fiatal kutatókat és hallgatókat is bevonjanak a nemzetközi munkába. Egy ilyen programnál a támogatás nem végállomás, inkább annak a próbája, hogy a közös munka kinőhet-e később nagyobb kutatási együttműködéssé.

Jakab Roland szerint a jó kutatás értékét nem az adja, hogy alapkutatásként vagy alkalmazott kutatásként lehet-e besorolni. A fontosabb kérdés az, létrehoz-e új tudást, és képes-e hosszabb távon tudományos, társadalmi, technológiai vagy gazdasági hatást kiváltani. A mostani projektek értéke a konkrét kutatási eredményeken túl abban is mérhető, hogy a magyar csoportok olyan partnerekkel, adatokkal és módszerekkel dolgozhatnak együtt, amelyekhez önállóan nehezebben férnének hozzá. Ha ezekből a korai kapcsolódásokból tartós együttműködések lesznek, a Seed Fund jelentősége is ott válik igazán láthatóvá, ahol egy magyar kutatási ötletből nemzetközi tudományos program épül. 

A cikk megjelenését a HUN-REN támogatta.

Címlapkép forrása: Portfolio