Forskarskolan en vecka med praktiskt vetande Exempel på projektarbetsuppgifter 2016 Bengt Olof Danielsson Tomas Gullberg Claes Hellqvist Marco Hernandez Velasco Anders Lindström Lars Nyhlén Elisabeth Wallin
SKOGEN NÅGRA PRAKTISKA PROBLEM 3 Snytbaggen 4 Trädfällning 5 TEKNIK- OCH MATERIALUTVECKLING 5 Uppdrag brobygge 5 ENERGI OCH MILJÖ 6 Låt solen göra jobbet! 7 Solceller framtidens elgeneratorer? 7 Vattenkraft som förnybar energi 8 Energi i våra skogar 9 Träden som kolsänka 9 MIKROBIOLOGI 10 Leta ämnen med effekt mot bakterier 10 2
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 225 000 ha och varje år växer skogen med ca 115 miljoner m 3. Av denna tillväxt tar vi vara på ca 85 miljoner m 3. 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 75 % av arealen föryngras med den här metoden. Totalt planterar vi ca 400 miljoner plantor per år huvudsakligen gran och tall (57 % gran och 36 % tall, skogsstatistisk årsbok 2014). 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
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 var vi några forskare som började titta på alternativa skyddsmetoder 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 idag, men har ersatts av andra kemiska bekämpningsmedel. Inom en snar framtid kommer vi troligen att helt få klara oss utan kemisk behandling av plantor. Skogsbruket satsar därför stora resurser för att hitta nya miljövänliga 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 dem 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
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. Andra frågor som kan vara aktuella att titta på är hur det här gångjärnet skall utformas så att man åstadkommer en säker fällning. Sågkedjans utformning och slipning kan vara nog så viktig om man skall kunna arbeta säkert med sågen och här kan det bli aktuellt att göra studier tillsammans med handledaren. Teknik- och materialutveckling Uppdrag brobygge Handledare: Studenter vid Högskolan Dalarna 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! 5
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! 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, bidrar till växthuseffekten 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, vindoch 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 naturve- tenskap 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! 6
Låt solen göra jobbet! Handledare: Högskolan Dalarna När solen lyser på ett villatak handlar det om den effekten och det betyder att över året träffas huset av ca 5 gånger mer solenergi än den energi som nyttjas i huset. Och detta gratis från den fungerande fusionsreaktorn solen och dessutom med ett leveranssystem för hela klotet! Att se och förstå de enorma möjligheter som solen bjuder, både direkt och indirekt, öppnar mycket stora arbetsfält och är en inspirerande utmaning. Det finns egentligen ingen brist på energi. Problemet är hur vi väljer att organisera våra samhällen, tekniskt, socialt och ekonomiskt. Hur ser vår nuvarande användning av energi ut? Vad är smart? Hur ska solens energi kunna fasas in i vårt nuvarande energisystem? I Sverige finns idag närmare 20 000 solvärmesystem och det installeras drygt 2000 system per år. I övriga Europa ökar solvärmeanläggningar stadigt. Vi kan räkna med att ökade priser på el kommer att resultera i expansion av solvärme och göra att den fina elen kan användas förnuftigare än att göra enkel värme. Ni kommer att konstruera, bygga och testa småskaliga solvärmeanläggningar och undersöka en del av den teknik som kan omvandla solstrålarna till nyttig värme. Syftet är att ni ska få viss förståelse för vad som krävs för hög effektivitet och vilket utbyte man kan få? Solceller framtidens elgeneratorer? Handledare: Högskolan Dalarna 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. I några europeiska länder, Tyskland, Italien och Grekland står solceller för hela 7 % av elbehovet. Idag kan således generering av el via solceller vara ett konkurrensmässigt pålitligt alternativ till annan teknik. Solceller idag kan produceras betydligt billigare än bara för några år sedan (på 10 år har kostnaderna reducerats med 75 %) och under senare tid görs omfattande investeringar i privatägda mindre anläggningar som kan kopplas in på det ordinarie elnätet. Ett framtida stort användningsområde för solceller är elproduktion där det saknas fasta elinstallationer, 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. 7
Vattenkraft som förnybar energi Handledare: Bengt-Olof Danielsson, Gävle Dala Energikontor Vi har under flera århundraden utnyttjat kraften i strömmande vatten. Först användes den mekaniska kraften i fallande vatten till att driva kvarnar, sågar, smedjor och liknande som låg nära vattendragen. I slutet av 1800-talet byggdes de första vattenkraftanläggningarna för produktion av el, men först från början av 1900-talet tog den storskaliga utbyggnaden fart eftersom man lärt sig att överföra el långa sträckor med hjälp av växelström. El från vattenkraft utgör idag en viktig del av Sveriges energisystem och svarar för nära hälften av den svenska elproduktionen Vattenkraft är en förnybar energikälla som inte ger upphov till några utsläpp. Omställningen av det svenska energisystemet till en större andel förnybara energikällor, som i stor utsträckning inte är reglerbara (t.ex. vindkraft), gör dessutom att vattenkraften får en allt större betydelse som momentan störnings- och effektreserv. I den här övningen kommer ni att kommer ni att göra egna mätningar i ett mindre, närliggande vattendrag för att bestämma vattenflödet och beräkna den kraft som ån kan ge. Vattenflödet bestäms med ytflottörmetoden, som är ett enkelt sätt att göra en ungefärlig uppskattning. Baserat på fältmätningarna kommer ni sedan att få göra få göra beräkningar på hur kraften i ån kan användas samt göra jämförelser med större vattendrag. 8
Energi i våra skogar 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 skogar. Som ni säkert vet försöker man hitta miljövänliga alternativ för uppvärmning av bostäder, till drivmedel för bilar och allehanda aktiviteter som kräver energi. Skogen har en enorm potential när det gäller att bidra med förnyelsebar energi som kan ersätta användning av fossila bränslen. 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 timmer och 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 några försöksytor för att sedan kunna beräkna hur mycket energi vi skulle kunna få ut ur beståndet. Eventuellt kommer vi att beräkna hur mycket virke som blir över när skogsindustrin fått sitt. Det här virket skulle vi kunna använda till uppvärmning av bostäder eller göra bränsle av. 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. Träden som kolsänka Handledare: Elisabeth Wallin, Högskolan Dalarna Anders Lindström, Högskolan Dalarna Det pratas mycket om koldioxidutsläpp i miljödebatten. Alla länder uppmanas att sänka sina koldioxidutsläpp för att. Ja varför? Varför är det så farligt med stora koldioxidutsläpp? 9
Hur påverkar det oss? Varför är skogen så otroligt viktig med hänsyn till den globala uppvärmningen? Vi har brukat skogen och utnyttjat den i många hundra år till både bränsle, papper och byggnadsmaterial. Men skogen ger mer än detta. Varför är det t.ex. så bra med skog när man pratar om koldioxid? Vilken viktig funktion har träden som vi inte alltid tänker på? Hur skall skogen brukas för att vara en så effektiv kolsänka som möjligt? Skogen utgör en viktig del i kolets kretslopp. Träden tar upp koldioxid och avger syre samtidigt som kolet binds i träden. Processen kallas som ni vet fotosyntesen: 6CO2 12H 2O solenergi C6H12O6 6O2 6H 2O Uppgiften som ni ska genomföra består i att förmedla en bild av skogens roll som kolsänka, dvs. som bindare av CO2. Vi ska med hjälp av relativt enkla mätningar och beräkningar ta reda på hur mycket kol som skogen binder per år och under en omloppstid (=en skogsgeneration). Man kan dela in uppgiften i fem delar: Inhämta data. Dvs. mätning i ett skogsbestånd med stöd av handledare. (tisdag fm) Bearbetning av data. Beräkning av diverse uppgifter (tisdag em) Analys av resultat. Hur viktigt är skogen, hur mycket kompenserar skogstillväxt för våra utsläpp (onsdag fm) Färdigställande av texter och illustrationer samt iordningsställande av poster. (onsdag em) Redovisning av resultat. Muntlig redovisning och presentation med en poster. Pris till bästa poster! (torsdag fm) Mikrobiologi Leta ämnen med effekt mot bakterier Handledare: Lars Nyhlén 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: www.idph.state.il.us/ 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. Ta inte någon känd medicin. Ta heller inte senap eller kryddpeppar, då blir du bara besviken. 10
Extraktet gör vi i Garpenberg och testar mot ett antal olika bakterier. 11