Blog Layout

Elektromagnētisko traucējumu ietekmes uz radioastronomiskiem novērojumiem analīze

nov. 04, 2020

Radioastronomija ir fundamentālās zinātnes virziens, kas pēta tuvo un tālo kosmisko telpu. Daudzi kosmiskajā telpā notiekoši procesi rada elektromagnētisko starojumu, ko var fiksēt tikai ar lielām uztverošajām radio antenām. Kaut arī dažreiz kosmiskie objekti izstaro milzīgu enerģijas daudzumu, milzīgais starojuma izplatīšanās attālums, tā mijiedarbība ar dažādiem fizikāliem laukiem, kā arī Zemes atmosfēras esamība izraisa spēcīgu signālu vājināšanos. Tādējādi uztverto kosmoloģisko objektu signālu jauda bieži ir par vairākām kārtām vājāka, nekā uztverošo antenu tuvākajā apkārtnē esošo cilvēku darbības rezultātā radīto starojuma avotiem signāliem. Piemēra pēc varam aplūkot galaktisko māzeru emisijas reģistrāciju avotam MGJ0414 + 0543 no milzīga ūdens tvaiku mākoņa 11⋅109 ly = 1023 km attālumā. Lai fiksētu tā signālu ar intensitāti aptuveni 2 mJy = -287 dB [Wm-2⋅Hz-1], bija nepieciešama 14 stundas ilga avota novērošana ar 100 m diametra radioteleskopu.


Radioastronomijas observatorijās tiek izmantotas liela diametra antenas, kas bieži aprīkotas ar tuvu absolūtās nulles temperatūrām dzesējamiem maztrokšņojošiem pastiprinātājiem, piemēram, radioteleskopi RT-16 un RT-32 vai arī īpaši antenu lauki ar simtiem vai pat tūkstošiem mazāku antenu, piemēram, LOFAR-LATVIA HBA un LBA antenu lauki. Kombinācijā ar īpaši stabilu elektroniku, kas ļauj vairākas stundas uzkrāt ienākošo signālu, lai samazinātu faktisko trokšņu līmeni, iespējams iegūt milzīgu uztvērēju jutību, ļaujot īstenot Visuma vājo signālu uztveršanu. Turklāt pēdējās divās desmitgadēs ir izstrādāti daudzi dažāda tipa traucējošo radiostarojuma (RFI) avotu noteikšanas un to ietekmes mazināšanas paņēmieni, gan izmantojot aparatūras risinājumus (piemēram, supravadošo materiālu filtrus), gan reāllaika digitālo signālu apstrādi un konvolūciju neironu tīklus.



1. att. VSRC radioteleskopi RT-32, RT-16 un LOFAR-LATVIA LV614 LBA un HBA antenu lauki.


Starptautiskā telekomunikāciju savienība (ITU), konkrēti tās radiosakaru sekcija (ITU-R), jau pirms daudzām desmitgadēm, sākot no 1959. gadā, ir atzinusi radioastronomijas pētījumu (RAS) svarīgumu (Radioastronomijas frekvenču komiteja, CRAF 2005). Šai kontekstā ir formulēti speciāli kritēriji, lai nodrošinātu, ka dažās radiostronomijai vissvarīgākajās frekvenču joslās netiktu pieļauts traucējošs radiostarojums. Piemēram, viena no radioastronomijā vissvarīgākajām spektrālajām līnijām ir neitrālā ūdeņraža atomu (Hi) 21 cm pāreja ar izstarojuma frekvenci 1420,4 MHz. Lai garantētu Hi starojuma mērījumus bez traucējumiem, frekvenču diapazonā no 1400 līdz 1427 MHz nav atļauts cilvēku radīts starojums. Šis un citi noteikumi ir daļa no ITU-R radio noteikumiem. Turklāt metodika uztverto traucējumu limita aprēķināšanai ir aprakstīta ieteikumā ITU-R Rec. RA.769, 2003a, kura mērķis ir garantēt noteiktu reģistrēto datu minimālo kvalitāti astronomiem. Visu ITU-R pārstāvēto valstu valdības un administrācijas ir vienojušās ieviest ITU-R dienestu pieņemtos noteikumus un procedūras savos nacionālajos likumos.


Elektromagnētiskais starojums no vēja turbīnām.


Vēja enerģijas izmantošana ir viens no nedaudzajiem ilgtspējīgajiem veidiem, kā radīt enerģiju ar zemu CO2 emisiju. Ņemot vērā globālo klimata pārmaiņu radītos izaicinājumus un draudus, visi centieni izmantot atjaunojamos enerģijas avotus ir pelnījuši atbalstu.

Vēja turbīnām (VT), tāpat kā visām pārējām rūpnieciskajām ierīcēm radioteleskopu tuvumā, ir astronomisko novērojumu traucējumu potenciāls. Tāpēc ir nepieciešama darbību koordinācija, lai garantētu labvēlīgu līdzāspastāvēšanu radioastronomijai un sabiedrības interesei par vēja enerģijas izmantošanu.


2.att. Iespējamie vēja turbīnas elektromagnētisko traucējumu veidi



No elektromagnētisko traucējumu (EMI) viedokļa vēja turbīnas tiek uzskatītas par rūpnieciskām ierīcēm (1. grupa, A klase), kurām jāatbilst EN550011 (zināms arī kā CISPR-11) standartam: izmērītā elektriskā lauka intensitāte 30 m attālumā ar kvazimaksimuma (QP) detektoru ar joslas platumu 120 kHz nedrīkst pārsniegt 30 dBµV/m frekvencēm zemākām par 230 MHz vai 37 dBµV/m diapazonā starp 230 MHz un 1 GHz. (izmantojot CISPR-11 specifikāciju attiecīgi C un D joslām, 30 MHz – 1000 MHz).


Papildus savām galvenajām ierīcēm kā enerģijas ģeneratori un pārveidošanas iekārtas, vēja enerģijas ģeneratoru komplektos var tikt izmantotas arī datorizētas un tīklā funkcionējošas vadības un telemetrijas iekārtas, uz kurām var attiekties, piemēram, ieteikumā ITU-R SM.329-12 fiksētās rekomendācijas.


Teorētiski saskaņā ar ITU-R RA.769-2 ieteikumu radioastronomijas 611 MHz joslas tuvumā maksimālais pieļaujamais traucējumu spektra-jaudas-plūsmas blīvums ir -253 dB (W/(Hz⋅m2)) un -255 dB (W/(Hz⋅m2)) radioastronomijas 1413 MHz joslas tuvumā. Tā kā radioteleskopa antena nekad nav vērsta tieši pret vēja turbīnu, traucējumi no visiem uz zemes esošiem avotiem tiek uztverti caur antenas sānu lapām, kuru gadījumā tiek pieņemts antenas 0 dBi pastiprinājums. Tādējādi nepieciešamams, lai signālu izplatīšanās zudumi posmā starp vēja turbīnu un radioteleskopu būtu 130 dB radioastronomijas 611 MHz joslas tuvumā un 135 dB radioastronomijas 1413 MHz joslas tuvumā. Ņemot vērā ITU-R P.452 ieteikumā aplūkoto reljefa ietekmes un starojuma izplatīšanās modeli, var iegūt ģeogrāfiskās aizsardzības attālumus ap radioteleskopu, kuri atkarībā no reljefa īpašībām ir no 7 līdz 25 km pie VT gondolas izvietošanas 140 m augstumā.


Lai novērtētu VT ietekmi uz radioteleskopu novērojumiem, 2015. un 2016. gadā Minhenes un Vācijas Federālās tīkla aģentūras Konstances radionovērošanas dienesti veica elektromagnētiskā starojuma mērījumus vairāku veidu modernajās trīs spārnu vēja enerģijas stacijās, kādas tiek izvietotas Vācijas teritorijā. To torņi ir cauruļu tipa konstrukcijas ar gondolas augstumu no 134 līdz 140 m. Rotora diametrs svārstījās no 80 līdz 130 m. Nominālās jaudas bija 2,3 MW, 2,4 MW un 3,3 MW.



Fizikālo mērījumu rezultātā tika iegūti šādi galvenie secinājumi:


●      Izmērīto vēja turbīnu starojuma līmenis ir krietni zem DIN EN 55011 noteiktajām robežām (līdz 1 GHz). Tas bija no 25 dB līdz 31 dB mazāks par pieļaujamo limitu;

●      Aizsardzības zonas pret vēja turbīnām, kas nepieciešamas, lai nodrošinātu radioastronomiskos mērījumus bez traucējumiem, ir daudz mazākas, nekā to nosaka vissliktākais elektromagnētiskās savietojamības limita līmenis.


Īpaša uzmanība tiek pievērsta faktam, ka sevišķi 1413 MHz joslai mērījumi tika veikti tikai trim vēja turbīnām, lai gan pašlaik šie modeļi tiek izmantoti visbiežāk. Īpaši zemie izstarojuma līmeņi, ko mēra pie 1413 MHz, juridiski nav saistoši vēja turbīnu ražotājiem un operatoriem, un nav jāuzskata, ka tie attiecas uz visām uzstādītajām turbīnām. Tomēr mērījumi parāda, ka VT traucējumu līmeņi, kas ir krietni zem DIN EN 55011 noteiktajiem limitiem, ir sasniedzami, ieviešot vismodernāko tehnoloģiju turbīnas, pie kam bez jebkādiem papildu pasākumiem nevēlamā starojuma novēršanai.


Sākot no 200 m attāluma, no vēja turbīnām uztvertie traucējumu signālu jaudas līmeņi bija krietni zemāki par citu traucējumu avotu (t.sk. cilvēku darbības radīto elektromagnētisko trokšņu) radīto trokšņu līmeni, ar ko teleskopu operatoriem jārēķinās arī šodien. Taču lielākā daļa no dabiskā un fona trokšņa ir gandrīz baltais troksnis, un to var efektīvi samazināt, pielietojot ilgu integrācijas laiku. Pētījums kā tāds aplūko sliktāko iespējamo scenāriju, kas balstīts uz pieņēmumu, ka, ņemot vērā to radīto signālu spektrālās īpašības, vēja turbīnu traucējumus nevar novērst mērīšanas gaitā, savukārt citu trokšņu avotu signālu ietekme var tikt novērsta.


ASTRON inženieri un astronomi kopā ar Nīderlandes frekvenču regulatora aģentūru (AT) veica aprēķinus un modelēšanu elektromagnētisko traucējumu un atstaroto signālu ietekmei uz LOFAR antenu mezglu (24 stacijas) no 24 VT vēja staciju parka 5 - 10 km attālumā. ASTRON noteiktais limits, kas ir vispāratzīts, ir 35 dB zemāks par EN55011 fiksēto 50 dBηV/m 10 metru attālumā, 100 m augstumā, mērot 120 kHz platā joslā ar efektīvās vērtības detektoru. Visproblemātiskākie LOFAR zinātniskie pētījumi ir Rejonizācijas laikmets ar 2000+ novērojumu stundām, kā arī lēno pulsāru pētījumi. Divu nedēļu mērījumu kampaņas laikā, kas notika 2019. gada septembrī, pētnieki konstatēja Dānijas ciparu audioapraides (DAB) starojuma atstarošanos no VT spārniem, protams, tiešais DAB signāls no raidītāja bija intensīvāks. Bija ļoti grūti izmērīt līmeni zemāku par 15 dBµV/m, un to varēja izdarīt tikai ar pašu LOFAR. Bet vēja turbīnu ražotājiem izdevās uzbūvēt jaunas VT ar izstarojumu, mazāku par noteikto elektromagnētiskās savietojamības līmeni. VT darbojoties tukšgaitā, to izstarojuma līmenis ir pat 0 dBηV/m.


LOFAR starptautiskā tīkla vai ILT stacijām, piemēram, Irbene LV614 vajadzētu pietikt ar teritoriju 2 km rādiusā, kur cilvēkiem būtu jāinformē par VT vai saules staciju būvniecības plāniem. Apmēram 20 km attālumā no LOFAR antenu lauka izplatīšanās attāluma un reljefa radītais vājinājums nodrošina to, ka pat 50dBµV/m intensitātes starojums ir vairāk nekā pietiekams, lai uztvertajos signālos tas būtu zemāks par trokšņu līmeni.


Signāli no paša starojuma avota vienmēr ir spēcīgāki par atstarotajiem signāliem, un tas nozīmē, ka uztveršanas joslā jau ir elektromagnētisko traucējumu avoti. Tādējādi tas rada pārliecību, ka standarta vēja turbīnām ir pietiekami zems elektromagnētisko traucējumu līmenis gan attiecībā pret atsevišķu, gan starptautiskajā LOFAR tīklā funkcionējošu staciju.





Atsauces:

❏    Winkel, B. and Jessner, A., “Compatibility Between Wind Turbines and the Radio Astronomy Service”, Journal of Astronomical Instrumentation, vol. 8, no. 1, 2019. doi:10.1142/S2251171719400026. https://arxiv.org/abs/1812.04731

❏    S&T Final Report “Measuring the EMI radiation with Lofar at the test turbine at location DEE-2.1 - Windpark De Drentse Monden en Oostermoer”. Reference: ST-WDMO-WTEM-REP-005, Version: 1.2 Date: 19 Nov 2019. https://www.rvo.nl/sites/default/files/2020/01/Bijlage_1_EM_Testing_Eindrapport_deel_1.pdf

❏    ECC Report 321 “Radio frequency test methods, tools and test results for wind turbines in relation to the Radio Astronomy Service”. Approved 2 October 2020 https://docdb.cept.org/download/0ccdddf8-5803/ECC%20Report%20321.pdf

❏    “I-LOFAR, Radio Astronomy and Radio Frequency Interference”. A submission, dated 27th Sept. 2019, made on behalf of the I-LOFAR Consortium to Offaly County Council in relation to the Offaly County Development plan 2021-2027. https://www.offaly.ie/eng/Services/Planning/County-Development-Plan-2021-2027/Stage-1-Pre-Draft/CDP-PD40-ILOFAR-Consortium.pdf

❏    Private discussions with Mr. Menno Norden, systems engineer at the department Astronomy and Operations (A&0) at ASTRON and with Mr. Waleed Madkour, CRAF Frequency Manager at JIVE-ERIC.


Share by: