Forskarskolan en vecka med praktiskt vetande. Introduktion till projektarbetsuppgifter 2007

Transkript

1 Utskriftsdatum: Forskarskolan en vecka med praktiskt vetande Introduktion till projektarbetsuppgifter 2007 Per Carlsson Bengt Olof Danielsson Tomas Gullberg Mikael Grehk Mattias Gustavsson Peter Harström Claes Hellqvist Ingemar Johansson Anders Lindström Lars Nyhlén Jan Sims Eva Stattin Daniel Snel Jan-Erik Liss

2 SKOGEN NÅGRA PRAKTISKA PROBLEM 3 Snytbaggen 4 Rötter och trädstabilitet 5 Trädfällning 5 Beskogning av gruvavfall 6 Arbetsstudier 7 TEKNIK- OCH MATERIALUTVECKLING 8 Uppdrag brobygge 8 PLC programmerbart styrsystem 9 Limfog 9 ENERGI OCH MILJÖ 10 Solceller framtidens elgeneratorer? 10 Värmepellets 11 Energi i ungskog 12 BERGGRUNDEN SOM RÅVARUKÄLLA 12 Malm i berggrunden 13 Anrikning av mineral 14 Vattenmiljö 15 MIKROBIOLOGI 16 Leta ämnen med effekt mot bakterier 16 2

3 Skogen några praktiska problem Det som gör skogen så unik är att den är en förnybar råvarukälla med solen som drivkraft och att den har så många användningsområden. Tänk bara på allt vi kan göra av trä och vilken skön värme en brasa i spisen ger! Förutom nyttan vi människor har av skogen har den stor betydelse för miljön. Skogen förhindrar t ex erosion och utlakning av näring, den binder luftens koldioxid och fungerar som filter för luft- och markföroreningar. Sverige är mycket beroende av skogen och det är viktigt att vi sköter den på ett bra sätt. Exporten av skogsindustriprodukter är årligen ca 100 miljarder kronor och skogsindustrin är den industrigren i Sverige som ger det största nettoöverskottet. Det beror på att vi behöver importera så lite för att kunna tillverka och exportera produkter från skogen. Ungefär hälften av Sveriges landareal (41,7 miljoner ha) utgörs av skog. Årligen slutavverkar vi ca 1 % av skogsmarksarealen vilket motsvarar ca ha och varje år växer skogen med ca 100 miljoner m3. Av denna tillväxt tar vi vara på ca 75 miljoner m3. Om man skulle rada upp alla stockar som avverkats under ett år efter varandra skulle man få en sträcka motsvarande 100 varv runt jorden! För att det skall vara lönsamt att bedriva skogsbruk måste metoder för skötsel, avverkning och transport av virke vara kostnadseffektiva. För att uppnå detta används många gånger mycket avancerad teknologi. En modern skördare t ex har stöd av mycket kraftfulla datorer i sitt arbete, har tillgång till GPS och manövreras via joystick och tangentpanel. Det mesta virket avverkas med moderna helmekaniserade maskinsystem. Oftast är det en skördare som fäller/kvistar/och kapar träden medan en skotare transporterar virket till bilväg. Många skogsägare och vedhuggare jobbar dock fortfarande med motorsåg och andra enklare maskiner. Skogsarbete är ett ganska farligt arbete som dessutom utförs ensamt och långt från vägar och bebyggelse. Att kunna påkalla hjälp om en olycka har inträffat, eller för att bara tala om att man behöver hjälp för att bilen inte startar är därför viktigt. Det finns stora brister i täckningen utanför tätorter och större vägar. Täckningskartor ger troligtvis en överskattning av verklig täckning. Under de senaste 80 åren har skogsförrådet ökat kraftigt i Sverige genom att vi avverkat mindre än tillväxten. Trots detta måste vi för att långsiktigt kunna utnyttja skogen för våra behov se till att skapa ny skog på de marker som vi avverkat. Därför finns det en lag som säger att när man avverkat skall man också se till att få ny skog. De metoder man har att välja mellan är naturlig föryngring där man utnyttjar fröträd för besåning eller manuell sådd och plantering. Många gånger kan det vara svårt att lyckas med naturlig föryngring och sådd. Därför är plantering den vanligaste metoden att få ny skog idag och ca 60 % av arealen föryngras med den här metoden. Totalt planterar vi ca 325 miljoner plantor per år (60 % gran och 40 % tall). Det är dock väldigt lätt att misslyckas också med plantering och det är här ni kommer in och skall hjälpa till att komma med lösningar för att förbättra resultatet. Nedan presenterar vi ett antal uppgifter som har anknytning till skogen och där ni kan ha god nytta av det ni lärt er i skolan. Flera av uppgifterna kan betecknas som heta forskningsområden. 3

4 Snytbaggen Handledare: Claes Hellqvist & Anders Lindström Snytbaggen är en insekt som allvarligt skadar nyplanterad skog. Årligen orsakar den kostnader för flera 100 miljoner kronor genom att den gnager av barken på plantor som i många fall dör av angreppen. Snytbaggen tillhör familjen vivlar, den är mörkbrun till svart i färgen och har fläckar av ljusgula hår spridda över kroppen. Den är 8-14 mm lång och kännetecknas av att huvudet framtill är utdraget till ett så kallat snyte. Snytbaggen förekommer allmänt i Europa och Asien och här i Sverige är den vanlig framför allt i landets södra och mellersta delar. När man avverkat skog lockas snytbaggarna av doften från stubbarna och de hungriga snytbaggarna kommer flygande och landar då ofta i närheten av en nyplanterad planta. Baggen tar sig fram till plantan, kryper upp och börjar gnaga. För att hindra angreppen använde skogsbruket tidigare DDT som man doppade plantorna i före plantering. Medlet var effektivt men påverkade miljön mycket negativt. Preparatet förbjöds 1975 och skogsbruket stod en period helt utan behandlingsmetoder mot snytbaggen. I samband med förbudet började alternativa skyddsmetoder utvecklas bl a i Garpenberg mot snytbaggeangrepp. Metoderna byggde bl a på att skydda stammen med hylsor eller nät och flera olika utformningar prövades. I början på 80-talet började en sådan metod att användas i större skala i skogsbruket. Samtidigt utvecklades det ett nytt kemiskt preparat baserat på pyrethrum, ett gift framtaget ur en prästkrageart. Man lyckades syntetisera den aktiva substansen vilken började användas i stor skala inom skogsbruket och detta innebar att de alternativa bekämpningsmetoderna snabbt slogs ut. Pyrethrum visade sig dock i vissa sammanhang ha negativa effekter på miljön. Om man hanterar preparatet ovarsamt kan t ex djurlivet i sjöar och vattendrag störas allvarligt och ett antal missöden har också inträffat. Preparatet får inte användas f o m 2004 och inom skogsbruket är man mycket angelägen att hitta nya metoder för att skydda plantorna mot snytbaggeangrepp. Hjälp oss att hitta på nya skyddsmetoder mot snytbaggen! Lyckas ni hitta på något bra kan er lycka vara gjord. Om ni betänker hur många plantor som sätts ut varje år så förstår ni att det finns en marknad för en produkt... Ni kommer att få tillgång till diverse material för att skydda plantor, t ex plastfilm, lim, olja, teflon, doftämnen mm. Sedan får ni pröva era idéer fungerar med hjälp av laboratoriestudier. Ni får själva tillverka prototyper av plantskydd och plantera dom i försöksburar med snytbaggar och avläsa resultatet. Snytbaggarna är väldigt trevliga försöksdjur och har stort tålamod med tokiga forskare. Snytbaggarna släpps ut i naturen för återhämtning när de varit med ett tag. 4

5 Rötter och trädstabilitet Handledare: Anders Lindström & Eva Stattin För att ett träd skall växa och må bra måste det ha tillgång till energi, näring och vatten. Genom fotosyntesen fångas solenergin upp och omvandlas tillsammans med koldioxid och vatten till bränsle för trädets tillväxt. För vatten- och mineralnäringsupptag, t ex kväve, fosfor och kalium, svarar i huvudsak de finaste delarna av trädets rötter. De här finrötterna som är mindre än 1 mm i diameter har ofta ett utvecklat affärsutbyte (symbios) med omgivande svampars nätverk av tunna mykorrhizarötter. Rötterna levererar kolhydrater till svamparna och i utbyte betalar svamparna med mineralnäring. Förutom att rötter skall försörja trädet med näring och vatten måste trädet också ha rötter för att inte ramla omkull. Här har vi faktiskt drabbats av problem när det gäller planterade plantor. För att ett träd skall stå stabilt måste det ha väl fördelade rötter som ger en god förankring i marken. En stor del av de plantor som produceras i plantskolor idag odlas i små plastkrukor, s.k. täckrotsplantor. Odling av skogsplantor i krukor kom igång i stor skala under 70-talet och tekniken ersatte till stor del den gamla där man odlade plantorna direkt i jorden. Plantkrukorna kan om de är olämpligt utformade orsaka rotsnurr eller andra typer av rotdeformationer. Det har också visat sig att det är viktigt att man inte orsakar deformationer när man planterar. I värsta fall resulterar deformationerna i rotbrott eller rotvältor. Många av de träd som inte ramlar blir sneda och får fiberstörningar i veden. Om man i teorin kan visa hur ett rotsystem skall se ut för att plantorna skall bli stabila kan man också utforma odlingskrukor, odlingsteknik och planteringsteknik så att träden i våra framtida planteringar blir stabila. Det här tänkte vi att ni får hjälpa oss med. Ni kommer att få tillgång till försöksmaterial bestående av plantor, träkorkar, pinnar, ståltråd, dynamometrar, planteringslådor med jord etc. Er uppgift blir att pröva er fram till ett optimalt rotsystem ur stabilitetssynpunkt och också undersöka hur några faktorer påverkar trädens förankring i marken såsom planteringsdjup, jordart och markfuktighet. Trädfällning Handledare: Tomas Gullberg Vid trädfällning med motorsåg sågar man så att en bit av trädet sparas och fungerar som ett gångjärn och styr trädet så det faller dit man önskar. Ibland krävs det stor kraft för att få trädet att börja falla, t.ex. om det är stort och lutar åt fel håll, eller om det är motvind. Att trycka med händerna direkt på trädet räcker bara i enkla fall. Vi vill ha hjälp med att visa vilka krafter som det går att prestera med olika på marknaden befintliga redskap. Försök också bedöma kraftens placering och riktning i ett fällskär. Ni kommer naturligtvis hålla till utomhus och de hjälpmedel ni har till ert förfogande är bl a brytjärn, fällkil, stalp (en lång stång med utväxling som tar stöd mot marken och trycker mot stammen), trädslana med piggar, dynamometrar, vågar och stamtrissor. 5

6 Beskogning av gruvavfall Handledare: Anders Lindström och Eva Stattin På många håll i landet, inte minst i Bergslagen finns det stora områden med gruvavfall. Ofta består avfallet av sand från anrikningen av malm som ger varierande halter av svavel och metaller i sanden. Med tiden börjar anrikningssanden vittra och då kan det uppstå metalläckage som påverkar omgivande miljö negativt. Det finns flera olika sätt att begränsa metalläckaget. Ett sätt är att lägga avfallet under vatten för att begränsa syretillträdet och på så vis minska utlakningen av metaller. Ett annat sätt är att täcka sanddeponierna med jord (morän) och därefter så in gräs. Nackdelar med den sista metoden är att marken under lång tid ligger outnyttjad. När väl gräset etablerat sig är det svårt att få träd att växa där. Förr eller senare kommer dock träd att etablera sig okontrollerat och då kan rötterna bilda kanaler som transporterar ner syre till sanden. Syret gynnar sedan vittringen och metalläckaget. Hösten 1999 la vi ut försöksytor tillsammans med Boliden Mineral AB och Stora Enso Fors AB på ett äldre gruvområde i Garpenberg. Vi ville pröva om man kunde bromsa vittringsprocessen genom att täcka sanden med restprodukter från Stora Ensos kartongfabrik. Restprodukterna bestod av slam av olika kvaliteter och flygaska. Flygaskan lades ut närmast anrikningssanden i ett skikt på ca 30 cm och tanken var att det skulle utgöra en spärr mot rotgenomväxning, syrgasdiffusion och utgöra ett bärlager. Ovanpå detta lades ett ca 45 cm tjockt lager med olika materialblandningar som skulle fungera som växtsubstrat. Målet var också att pröva olika trädslags förmåga att växa på olika blandningar av täckmaterial. Tillsammans skall vi undersöka hur några olika trädslag har klarat sig på ytorna efter 7 vegetationssäsonger. Vi skall ta reda på hur de olika materialblandningarna påverkat trädens tillväxt och överlevnad. Ni kommer att få tillgång till mätredskap, instrument för ph-analyser, datorer etc under ert arbete och ett glatt handledargäng! 6

7 Arbetsstudier Handledare: Ingemar Johansson Arbetsstudier är ett viktigt redskap för att kartlägga olika arbetsmoment bl a för att bedöma hur hårt människan belastas och för att förbättra arbetsteknik och ergonomi. Ni kommer att stifta bekantskap med hur det går till att utföra arbetsstudier. Skogsarbete är ett väldigt tungt arbete och vi kommer att tillsammans att kontrollera arbetsbelastningen vid två olika typer av skogsarbete, huggning med motorsåg och motormanuell röjning. I uppgiften ingår också att testa några försökspersoners kondition genom test på ergometercykel, detta för att kunna kalibrera försökspersonerna inför arbetsstudierna. Arbetet kommer bl a att omfatta följande moment: 1) Kalibrering av försökspersoner 2) Uppdelning av arbetscyklerna vid huggning och röjning i olika moment och därefter cmin studier och/eller frekvensstudier 3) Beräkna arbetsmängden genom att mäta trädens storlek (diameter och höjd, m 3 sk) 4) Beräkna utfallet i m 3 f pb 5) Registrera pulsen vid olika moment 6) Beräkningar och sammanställning av försöksverksamhet; Totaltid för hela arbetet Fördelning på olika moment Arbetsbelastning totalt Arbetsbelastning för olika moment Utfallet i (huggning) respektive m 2 (röjning) Ni kommer att få tillgång till ergometercykel, pulsmätare, klockor, datorer, mätinstrument etc. Motorsåg och röjsåg hanteras av handledaren. 7

8 Teknik- och materialutveckling Uppdrag brobygge Handledare: Per Carlsson Uppgift Projektet går ut på att du och dina lagkamrater får i uppgift att konstruera och bygga en bro som ska kunna bära en radiostyrd bil som ska ta sig över ett vattendrag som är 1 m brett. Eftersom priset på byggnadsmaterial är högt så eftersträvas en så liten materialåtgång som möjligt. I uppgiften ingår även att beräkna materialkostnaden för hela bron. Ditt lag tävlar mot ett konkurrerande lag där lägst kostnad kombinerat med bäst funktion vinner! Utrustning För att lösa uppgiften finns följande utrustning att tillgå: 5 kg pasta i olika former (5 kr/kg) 200 g smältlim (1000kr/kg) Smältlimpistol Kokplatta Kastrull med vatten Durkslag Digitalkamera Tekniska handböcker Dokumentation Projektet skall dokumenteras väl under arbetets gång. Använd digitalkameran! Utförande: Dela gärna upp arbetet i följande arbetsmoment: Brainstorming Val av koncept (konstruktion, materialval, fogningsteknik, etc) Skiss Ritning Brobygge Tester Modifiering Slutgiltig produkt Ett tips: Det kan ibland behövas fördela arbetsuppgifterna mellan gruppmedlemmarna för att lösa uppgiften på ett effektivt sätt! Att reflektera över under arbetets gång: Hur hade Vägverket tagit sig an denna uppgift? Använder de samma arbetssätt? Behövs smältlimmet verkligen? Pasta består ju i huvudsak av stärkelse, vilket som bekant är ett effektivt klister! 8

9 PLC programmerbart styrsystem Handledare: Karl-Erik Norell och Daniel Snel med flera Inom alla industrigrenar pågår det ständigt ett rationaliseringsarbete. Målet är att skapa system som underlättar arbetet och ger ett bra flöde. Robotiseringen är t o m på väg ut i skogsmarken. För att en robot skall kunna utföra det man vill måste den bl a programmeras så att den får rätt information. Ni kommer att få pröva PLC Programmable Logic Controller ett programmerbart styrsystem som används i stor omfattning inom industrin. I många tillämpningar styrs flera PLCar av en PC eller minidator och kommunikationen sker via serielänk. Utvecklingsstöd finns för utveckling av styrprogrammet, det betyder att programmet utvecklas i en PC för att sedan efter debuggning föras över till en PLC via serielänk. I forskaruppgiften under veckan ingår bl a en kort introduktion till digitala begrepp och logisk algebra. Därefter får ni själva öva programmering med PLC samt också pröva att överföra program från PC till PLC. Målet är att ni skall klara att styra modeller, transportband el dyl. Arbetet skall som alla andra uppgifter inom gymnasieforskarskolan redovisas i en kort rapport. Limfog Handledare: Mikael Grehk Idag vet man ganska lite om vad limning egentligen ger för möjligheter. Dock finns vissa speciella fall där man kommit långt. Visste ni t ex att JAS-Gripen, vårt eget jaktflyg, till del är sammanfogat genom limning. Limning får allt större betydelse inom industrin och är idag en viktig teknik inom konfektions- och skoindustri. Tillsammans med din handledare kommer du att testa olika limfogars hållfasthet. Ni kommer att prova olika limsorter och material och målet är att hitta den ideala limfogen i olika sammanhang. Försöket planeras i samarbete mellan handledare och arbetsgrupp. 9

10 Energi och miljö Om vi själva eller våra maskiner skall kunna utföra ett arbete eller om vi skall ha ljus och värme måste vi ha tillgång till någon energikälla. Vi kan då använda oss av lagrade fossila bränslen såsom olja, gas, kol och torv. Gemensamt för dessa är att de nybildas mycket långsamt och att de förr eller senare tar slut om vi fortsätter att tära på dessa reserver. En annan energikälla som inte nybildas är uran som är råvara för kärnbränsle. Förnybara eller flödande energikällor härrör framför allt från solen. Exempel på förnybara energikällor är vattenkraft, vind- och vågenergi, ved och annan biomassa. För att vi på längre sikt skall klara vår energiförsörjning måste vi bli bättre på att hushålla med vår energi. Vårt samhälle måste också anpassas till ett kretsloppstänkande där merparten av vår energi är förnybar. För att klara detta måste vi utveckla vår kunskap inom naturvetenskap och teknik så att vi får förståelse för vad vi behöver göra och hur vi skall utforma effektiva tekniska lösningar för vår energiförsörjning. Här finns det verkligen många utmaningar för er att ta tag i! Solceller framtidens elgeneratorer? Handledare: Mattias Gustavsson Med hjälp av solceller kan man idag producera el på platser där tillgången på el är begränsad. Användningen av solceller har ökat dramatiskt under senare år och vi är idag i början av en kraftfull expansion av den här tekniken. Ett framtida stort användningsområde för solceller förutspås, t ex belysning utanför tätbebyggt område. Det kan vara otillgängliga busshållplatser, informationstavlor, sopstationer i sommarstugeområden eller helt enkelt belysning efter cykelvägar. Andra applikationer är lösning av elbehov i sommarstugor, husvagnar och fritidsbåtar. Vid den här övningen kommer ni att lära känna tekniken kring solceller och hur den kan tilllämpas i olika klimat t ex i Sverige och Afrika. Laborationen omfattar praktiska tester av hur laddning av batterier går till och hur man kan påverka effekten vid utnyttjande av solceller så man får en effektiv laddning. Slutligen kommer ni tillsammans med er handledare att lösa ett verkligt belysningsproblem och redovisa förslag på lösningar med utgångspunkt från solcellstekniken. Exempel på gatubelysning med hjälp av solceller 10

11 Värmepellets Handledare: Jan-Erik Liss Stigande olje- och elpriser innebär att allt fler villaägare ser sig om efter andra och billigare energialternativ. Några väljer att ersätta den allt dyrare oljan med värmepump, medan andra föredrar pellets. Det finns för- och nackdelar med bägge alternativen! En värmepump innebär att investeringskostnaden blir avsevärt högre än om man t.ex. väljer att komplettera en befintlig oljepanna med en pelletsbrännare. För villor med direktverkande el kan en pelletskamin täcka ca % av värmebehovet. Att värma sitt hus med pellets kräver dock en viss insats av eget arbete och framstår ur den synpunkten som mindre bekvämt än värmepumpsalternativet. Ur miljösynpunkt är dock pellets ett bättre alternativ eftersom det är ett förnyelsebart bränsle, medan den elkraft som krävs för att driva en värmepump bara till viss del är förnyelsebar (den s.k. gröna elen från vindkraftverk, vattenkraftverk och biobränslebaserade kraftvärmeverk). Pellets kan antingen köpas i småsäck (16 kg), storsäck eller i lös vikt (bulk). Många villaägare, oavsett om man eldar pellets i pannan eller i kamin, köper pellets i småsäck eftersom de är relativt lätta att lagra och hantera. Bränslepellets indelas i olika klasser beroende på kvalitét och för grupp 1 (villapellets) skall vissa egenskaper uppfyllas enligt Svensk Standard (SS ), t.ex. beträffande peletternas dimension, skrymdensitet (bulkdensitet), effektivt värmevärde, askhalt, fukthalt (torrhalt), svavelhalt, halt klorider och asksmältpunkt. Dessutom anges att den (mätt i producentens lager) får innehålla högst 0,8 vikt-% finare fraktioner (< 3 mm). Enligt uppgifter från pelletseldare och återförsäljare av pellets varierar andelen finfraktioner mellan olika pelletsfabrikat (och sannolikt även mellan olika partier från samma fabrik). I samband med transport, mellan-lagring och hantering utsätts bränslet för viss påfrestning, vilket innebär att mängden finfrak-tioner är högre när den når kunden (villaägaren) än när den lämnar producenten. Nackdelen med en stor andel finfraktioner är att den kan leda till driftsstörningar i eldningsanläggningen och ökade miljöutsläpp. Syftet med projektet är att undersöka andelen finfraktioner i några olika pelletsfabrikat. För detta ändamål används en sållningsutrustning (Code F117) försedd med sorterelementen 7 mm runda hål, 3 mm runda hål och spånlåda. För att försöket skall bli någorlunda realistiskt finns också möjlighet att utsätta bränslet för viss påfrestning, t.ex. matning genom en pelletsskruv. Efter genomförda fältförsök sammanställs resultaten i en rapport, där det även skall framgå hur försöken genomförts. 11

12 Energi i ungskog Handledare: Bengt-Olof Danielsson, Gävle Dala Energikontor Anders Lindström, Högskolan Dalarna Den här uppgiften handlar om att ta reda på hur mycket energi vi kan ta ut ur våra ungskogar när vi gör tidiga röjningar eller gallringar. Som ni säkert vet försöker man hitta miljövänliga alternativ för uppvärmning av bostäder, till drivmedel för bilar och allehanda aktiviteter som kräver energi. När man röjer och gallrar skog idag blir ofta en stor del av det man tar bort kvar på marken och man tar bara vara på det som är intressant för skogsindustrin vanligtvis massaved. Kunskapen idag är bristfällig när det gäller hur mycket man skulle kunna få ut i biomassa om man tog till vara på alla träd som man idag normalt lämnar i skogen vid sådana här ingrepp. Vi kommer att tillsammans gå ut i skogen och mäta in träd på en lite yta för att sedan kunna beräkna hur mycket energi vi skulle kunna få ut när vi gör en normal gallring. Ni kommer att få använda er av diverse olika mättinstrument för att mäta in träden. Sedan kommer vi att tillsammans räkna lite på de uppgifter vi tagit in från skogen. Förhoppningsvis kommer vi tillsammans att öka kunskapen inom det här för miljön så viktiga området. Berggrunden som råvarukälla - uppträdande, utvinning och miljöpåverkan Berggrunden och jordtäcket är en del av förutsättningarna för livet på jorden. Det är ett ständigt pågående samspel mellan litosfären, hydrosfären, atmosfären och biosfären. Olika kretslopp berör ofta flera sfärer. Mänskliga ingrepp kan rubba den naturliga balansen. Människan har under lång tid utnyttjat berggrunden och jordtäcket som en råvarukälla för att till exempel framställa verktyg och metaller eller att bygga hus och vägar. Runt omkring oss ser vi spår av denna verksamhet i form av till exempel gruvhål och grustag. Med mänskliga mått mätt är dessa resurser ändliga, men ur geologisk synpunkt och med ett tidsperspektiv på hundratusentals år hundratals miljoner år är de förnybara. Under vissa unika förhållanden har höga koncentrationer av metallföreningar bildats i berggrunden. Om halterna av dessa mineral är tillräckligt höga kan det vara lönsamt att bryta mineralen för att därefter renframställa metallen. Malmbrytning och metallframställning medför ofta risk för att jord och vatten förgiftas. Därför sker numera sådan verksamhet under strängt kontrollerade former. Växter och djur har anpassat sig till de naturliga genomsnittshalterna av olika metaller. Både för låga och höga halter av grundämnen kan medföra att en växt eller djur dör eller missbildas. Andra arter kan i stället vara mer toleranta och öka i antal på grund av minskad konkurrens. Det är viktigt att 12

13 komma ihåg att höga tungmetallhalter inte behöver orsakas av mänsklig verksamhet utan kan ha en naturlig källa. Garpenbergsområdet är ett ovanligt innehållsrikt område där berggrundens och jordtäckets varierande egenskaper och betydelse kan studeras. Gruvdrift har förekommit i området åtminstone sedan 800-talet. Här finns två av södra Sveriges tre gruvor som fortfarande är i drift. I området finns lämningar av äldre gruvdrift i form av gruvhål, varphögar och avfallsrester. Slagghögar vittnar om omfattande äldre metallframställning. I området finns både järnmalmer och sulfidmalmer. Numera bryts här enbart sulfidmalmer, det vill säga malmer som innehåller zinksulfid, silversulfider, blysulfid och kopparjärnsulfid samt dessutom gediget silver. Sulfidmineralens vittring är huvudorsaken till förhöjda tungmetallhalter i områdets jordar och vatten. Här finns tydliga exempel på hur naturliga och av människan skapade metallföroreningar påverkar naturen. Tre olika projektförslag belyser berggrunden som råvarukälla. Förslagen tar upp hur källan uppträder, hur den utvinns och hur utvinningen påverkar miljön. Malm i berggrunden Handledare: Peter Harström De malmer som bryts i Garpenberg är mer än 1,8 miljarder år gamla. Naturliga processer har koncentrerat bland annat zinkblände, silversulfider, blyglans och kopparkis i sådana mängder att det är värt att bryta malmen för att renframställa metallerna. I normala fall är halterna av dessa mineral mycket låga. Malmen bildades genom att metallsulfiderna sedimenterade i vatten i en vulkanisk miljö. Omgivande bergarter har ett sedimentärt eller vulkaniskt ursprung och avsattes liksom malmmineralen huvudsakligen i horisontella lager. För omkring 1,8 miljarder år sedan trängde granitsmältor upp och deformerade och omvandlade de horisontella lagren. Det vi ser nu efter 1,8 miljarder års vittring och erosion är de rester av de horisontella lager som veckades djupt ner mellan graniterna. Deformationen och omvandlingen innebär förutom en fysisk förändring även en kemisk där nya mineral kan bildas på grund av den höga temperaturen och trycket. För att hitta malmerna måste man ha kunskaper om bildningssättet och de händelser malmen råkat ut för. Undersökning "för hand" av berggrunden där den är blottad är ett viktigt led i letandet. Geofysiska och geokemiska undersökningar kan bli nödvändiga för att spåra malmen. Undersökningarna avslutas med en noggrann diamantborrning där bitar av berget kan plockas upp från stora djup. Efter kartering och kemisk analys av borrkärnan kan malmens storlek och metallinnehåll beräknas. I Garpenbergsområdet bryts i de två gruvorna en miljon ton silverrik zinkmalm per år. Garpenberg är Europas största silverproducent. Den äldre sydliga gruvan är snart utbruten, medan driften i den norra gruvan fortsätter ner mot allt större djup och närmar sig nu 1000 meter. Mellan de två gruvorna har man hittat flera malmer som kan komma att brytas. En av malmerna är ovanligt stor och rik. Toppen av malmen ligger flera hundra meter under markytan och den har hittats genom undersökningsborrning från norra gruvan. I Garpenbergsområdet har man tidigare även brutit järnmalmer och urkalkstenar. De är bildade i samma tidsålder och i ungefär samma miljö som sulfidmalmerna. 13

14 En stor del av gruppens arbete består i kartering av berghällar. Med hjälp av kompass och vinkelmätare bestäms geometriska egenskaper för strukturer i berggrunden. Lägena för mätpunkterna fastställs med hjälp av GPS-instrument. Mätvärdena sammanställs därefter i kartform eller i en tredimensionell modell. Resultatet av undersökningen ger en förklaring till malmernas och gruvornas uppträdande i Garpenberg. Om det är möjligt kommer gruppen att göra ett besök i någon av garpenbergsgruvorna. Anrikning av mineral Handledare: Peter Harström Det är sällan man hittar så höga halter av metallföreningar i naturen att man direkt efter brytning kan renframställa metallen. Därför försöker man ta bort så mycket som möjligt av oönskade mineral. Ju mindre mängd material man behöver transportera och behandla desto lägre blir kostnaden för att framställa metallen. Om malmen var rik kunde man tidigare sortera ut de rikare delarna för hand. Fattigare malmer kräver billigare metoder. Mineralens olika fysikaliska egenskaper kan utnyttjas för att skilja malmmineralen från ofyndiga mineral. En tidig och fortfarande utnyttjad process är tungmineralanrikning som utnyttjar densitetsskillnader hos olika mineral. Malmineralen har högre densitet än de vanligare värdelösa mineralen. Om malmen från gruvan krossas ner till sandkorns storlek och slammas upp i vatten kan man genom vaskning koncentrera malmmineralen i botten på en vaskpanna eller vaskränna. Processen kallas anrikning och den metallrika delen slig, medan avfallet kallas anrikningssand. Andra anrikningsmetoder utnyttjar ytegenskaper hos mineralkornen. Vid tillsats av organiska föreningar till en uppslamning kan man få utvalda mineralkorn att bindas till luftbubblor som blåses genom slamman. Bubblorna bildar ett malmmineralrikt skum som kan skrapas av. Äldre sandmagasin kan innehålla ganska höga halter av malmmineral. Om malmineralen är sulfider finns risk för metalläckage om tillgången på luft och cirkulerande vatten är tillräcklig. Man strävar naturligtvis efter att få en så effektiv anrikningsprocess som möjligt, men även i moderna processer finns en del malmmineral kvar i anrikningssanden. Projektgruppen kommer att göra vaskförsök med vaskpanna och vaskränna. I försöken används uppslammad krossad malm av olika sammansättning. Försöken omfattar undersökning av vaskutbytet för olika tekniker eller vaskrännans lutning och strömhastighetens betydelse. Våg, mikroskop och magnet är några av de hjälpmedel som används för att studera resultatet av vaskförsöken. Gruppen kommer även att provta anrikningssand av olika ålder för att se hur effektiv den industriella anrikningen varit vid olika tidpunkter. Vid Gruvsjöns mynning finns rester av ett gammalt vaskverk vilket ger en industrihistorisk anknytning. Vaskningen efterliknar naturliga anrikningsprocesser som sker i strömmande vatten och då vågor slår mot en strand. Gruppens uppgift är därför även att leta reda på och dokumentera sådana exempel. 14

15 Gruppen kommer att besöka Garpenbergs anrikningsverk för att se hur modern anrikning går till. Anrikningsverket anrikar en miljon ton malm per år vilket ger ton metallkoncentrat. Av anrikningssanden återfylls hälften i gruvorna och hälften pumpas ut på sandmagasin. Vattenmiljö Handledare: Jan Sims För att vi ska få en bild av miljön och förstå de problem som kan drabba den krävs tvärvetenskapliga metoder. Ofta arbetar biologer, geologer, kemister och ingenjörer tillsammans för att skydda till exempel en hotad vattentäkt. Insatser från endast en yrkesgrupp kan lätt få förödande effekter. Vatten är det vanligaste flytande ämnet på jorden och är livsnödvändigt för allt levande på jorden. Vatten är transportmedel för olika substanser, men också en livsmiljö för många organismer. Trots att jordens yta är täckt av ca 71 % vatten är det bara en mycket liten del som utgör sötvatten. Vatten som lämpar sig som livsmedel, för bad och tvätt utgör mindre än en procent av allt vatten. De flesta samhällen får sitt dricksvatten från antingen en ytvattentäkt eller grundvattentäkt. Grundvatten är ytvatten som filtrerats och renats då det transporterats genom olika jordlager och poröst berg. Innehållet i grundvattnet bestäms av de berg- och jordarter som vattnet rör sig genom, men påverkas även av det material som nedfallande regn tvättar ur atmosfären och av nedfallande stoft. Grundvattnet innehåller en rik skara av olika lösta substanser. Den största källan av lösta ämnen är vittringsprodukter från de mineral som bryts ner av vind och vatten. Flera av de lösta ämnena verkar som närsalter för levande organismer, men ämnena kan få skadliga följder om halterna blir för höga. Ytvatten är i dag surare jämfört med för några hundra år sedan bland annat på grund av rökgaser från förbränning och bilavgaser. I ytvatten kan man fortfarande spåra salpetersyra (HNO 3 ) och svavelsyra (H 2 SO 4 ) på grund av ofullständig rökgasrening. Försurningen ökar vittringshastigheten i jordtäcket och berggrunden. Försurning är ett av de tidigaste och mest uppmärksammade miljöproblemet på jorden. Avloppsreningsverk, massa- och papperstillverkning, smältverk och gruvor är andra exempel på mänsklig verksamhet som kan vara ett hot mot våra naturliga vattentäkter. I Garpenberg finns både pågående och spår av historisk gruvverksamhet. Arbete pågår för att förhindra metalläckage från äldre varphögar och sandmagasin. Den pågående gruvverksamheten är kraftigt reglerad och kontrollerad för att minimera metallutsläppen till miljön. Vilka problem följer av att gruvmaterial, främst varpsten och anrikningssand, exponeras för luft och nederbörd? Hur har man löst och hur kan man lösa problemen? Kommer naturliga vatten att ändra sitt innehåll av tungmetaller och suspenderat material? Hur påverkas surhetsgraden? Hur är metallinnehållet i lakvattnet från gruvområdet jämfört med innehållet i naturliga vatten runt om gruvorna? I undersökningen ingår att uppskatta avrinningsområdet där gruvverksamheten har pågått eller pågår, föreslå provpunkter och provta vatten i fält. Proverna analyseras bland annat med avseende på ph, zink, bly och koppar. Resultaten skall därefter utvärderas. I undersökningen ingår även besök i Garpenbergs anrikningsverk för att se hur en modern gruvindustri arbetar för att minska metallutsläppen och hålla utsläppen inom godkända gränser. Man beräknar att utsläpp till vatten av zink, bly och koppar uppgår till ungefär 800 kg per år, vilket skall jämföras med en miljon ton bruten malm per år. 15

16 Mikrobiologi Leta ämnen med effekt mot bakterier Handledare: Lars Nyhlén, Jan Sims, Eva Stattin Människan håller på att förlora slaget mot bakterierna. Allt fler bakterier blir resistenta mot antibiotika. Vi behöver nya bakteriehämmande ämnen. Det är ganska lätt att hitta sådana ämnen. Man gjuter in bakterier i en gel av agar och näringsämnen. Gelen kommer att bli grumlig om bakterierna får tillväxa. Lägger man ett hämmande ämne på gelens yta kommer en zon runt ämnet att förbli klar och genomskinlig. Ju bredare zonen är desto effektivare är ämnet, eller ju mer koncentrerat ämnet är desto bredare blir zonen. Källa: images/salmonella.jpg Du ska ta med dig en naturprodukt, vars effektivitet vi ska testa. T ex en giftig växt, ett hälsokostpreparat, kryddväxter eller kryddor från ditt skafferi. Tag inte någon känd medicin. Ta heller inte senap eller kryddpeppar, då blir du bara besviken. Extraktet gör vi i Garpenberg och testar mot ett antal olika bakterier. 16