Nachdem ich nun endlich alle erdenklichen Hürden überwunden habe, geht es nun hier endlich los.

Vorangegangen waren zwei Starts im Rahmen des naturwissenschaftlichen Unterrichts letztes Jahr, über die ich noch schreiben werde. Je nach Wetterlage ist um Ostern herum der nächste Start geplant. Derzeit stecken wir mitten in der Vorbereitungsphase, über die ich zeitgleich hier bloggen möchte.

Das Ziel

Bei den ersten beiden Starts ging es darum, das Gespann aus Wetterballon, Fallschirm und Nutzlast zu planen, zu starten und sicher auf die Erde zurückkommen zu lassen. Bei unserem dritten Start geht es um die Höhe, also um die Frage: “Wie kann ich mit möglichst wenig Nutzlast und einem passend großem Wetterballon die bestmöglichste Höhe erreichen?” Als Ziel haben wir uns eine Höhe von 38km und das Anfertigen eines Videos (gen Erde und Horizont gerichtet) vorgenommen. Glückt unsere Leichtbauweise, steht das Einsammeln von Gas- und Partikelproben als ein weiteres Ziel auf dem Plan.

Abhängige Bedingungen

So trivial wie die vorangegangene Frage scheint, ist sie nicht. Sie ist von vielen Bedingungen abhängig. Grundsätzlich geht um die allgemeine Annahme: Je geringer die Nutzlast und je größer das maximale Ballonvolumen, desto höher steigt er. Zu den wichtigsten Bedingungen zählen:

  • Nutzlast: mehr als 500g Nutzlast sind genehmigungs- und versicherungspflichtig, so dass dieses Maximalgewicht unterschritten werden sollte und eine gewisse Höhe in der Atmosphäre erreicht werden kann.
  • verwendete Ballongröße: Je größer, desto besser? Diese Annahme müssen wir noch näher betrachten.
  • verwendetes Ballonmaterial: Es muss dehnbar sein, über geringe Molekülabstände verfügen und relativ unempfindlich gegen Temperaturschwankungen und “Höhenstrahlung”  sein. Mylarfolie oder Naturlatex sind verfügbare (bezahlbare) Alternativen.
  • verwendetes Ballongas: Grundsätzlich ist jedes Gas geeignet, dass eine geringere Dichte als das Gasgemisch Luft aufweist und dadurch den notwendigen Auftrieb  verursacht. In der näherern Auswahl steht klassischerweise Helium, aber auch Wasserstoff.
  • Transportbox: leicht, gut verarbeitbar, dämmend und ohne größere Gaseinschlüsse muss sie sein, weswegen als bewährte Varianten “Styrodur(R)” und “Styropor(R)” in Frage kommen. Ob eher eine Würfelform oder eine Kugelform sinnvoller ist, werden wir noch diskutieren.
  • Equipment: Maximal zwei GoPro-2 HD – Kameras mit 16GB-Speicherkarten, GPS-Tracker mitsamt GPS-fähigem Smartphone, ein Wärmespender und etwas Trocknungsmittel müssen für das angepeilte Ziel von unter 500g Gesamtgewicht genügen.
  • Fallschirm: Zur sicheren und sanften Landung der Box ist eine Art Fallschirm, ob kommerziell oder selbstgebaut, notwendig.
  • Verstrebungen / Seile: Die Box muss an den Fallschirm und der Fallschirm am Wetterballon befestigt werden. Hier kommt unsere Erfahrung der ersten beiden Starts hinzu, bei dem die Box stark rotierte, so dass diesmal eine spezielle Verstrebung aus Aluminiumdraht im Fokus steht.
  • Gesamtform: Das Gespann muss aerodynamisch derart ausgerabeitet sein, dass die Rotationen auf ein Minimum reduziert werden.
  • Wärmespender: Eine Innentemperatur von etwa 5°C sollte nicht unterschritten werden, um das technischen Equipment keine großen Temperaturschwankungen auszusetzen und Kondensationseffekte verträglich zu gestalten. Der Wärmespender muss die Wärme kontinuierlich abgeben, damit auf der ca. 2 – 3 Stunden langen “Fahrt” nicht zu hohe Temperaturen >50°C entstehen.
  • Trocknungsmittel: Alle Materialien sind beim Start mehr oder weniger durch den Wasserdampf in der Luft feucht. Es muss ein Trockmungsmittel gewählt werden, dass die bei großer Höhe gebildeten Wassertröpfchen schnell bindet, so dass vor allem die Linsen der Kameras nicht beschlagen. Auch eine gewisse Vorbehandlung im Trockenschrank und / oder Eksikkator werden wir testen.
  • Startpunkt: Er darf in keiner Einflugschneiße liegen, zu Windkraftanlagen, Stromtrassen, Funkmasten u.ä. müssen bestimmte Entfernungen eingehalten werden.
  • Wetter: Eine stabile Hochdrucklage ist quasi Grundvoraussetzung, wobei ein Hochdruckkern die besten Bedingungen liefert. Größere Windgeschwindigkeiten in den durchzufliegenden Luftschichten sollten nicht herrschen, um eine zu große Abdrift zu vermeiden.
  • Genehmigung: Die Deutsche Flugsicherung muss informiert werden, wenn das Gesamtgewicht der Nutzlast über 500g liegt. Sie erteilt dann eine Genehmigung, die an ein konkretes Zeitfenster gekoppelt ist. Liegt die Nutzlast unter 500g, so ist dennoch eine Mitteilung wünschenswert, da sie unter Umständen mit Informationen und Karten weiterhelfen kann.

Wie geht es weiter?

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Kommentare (22)

  1. #1 Tomas
    Europa
    26. Februar 2013

    Lieber Christian, Deinem Projekt in Ehren aber Dir ist bewusst, dass Du ein eher vernachlässigbares Experiment mit einer der knappesten Ressourcen der Erde treibst: Helium.

    http://www.zeit.de/wissen/2011-10/edelgas-helium

  2. #2 Christian Heß
    26. Februar 2013

    @Tomas:
    Sicherlich ist Helium etwas knapp, aber dennoch bezahlbar.
    So sinnlos sehe ich das Experiment nicht, denn hier kann man den “Forscherkreislauf” gut den Schülern näherbringen.

    Die Genehmigung, bei diesem Experiment einen gewissen Anteil an Wasserstoff zu verwenden, wird diskutiert und steht noch zur Genehmigung aus.

  3. #3 biophemoc
    26. Februar 2013

    Seit einigen Monaten bin ich auf das Thema aufmerksam geworden. Immerhin starten immer mehr Privatpersonen ihre Wetterballon-“Forschungsstationen” und da sammeln sich mehr und mehr Videos im Netz. Seitdem träume ich selber ein solches Projekt zu verwirklichen (nur fehlt mir da leider die Zeit vorm Abi), der Blog kommt mir da natürlich dennoch mehr als gelegen. :)
    Ich finde es echt klasse, dass sie so ein Projekt/Projekte in der Schule mit Schülern machen, denn genau das braucht man dort! (Wünsch mir wir würden das machen/hätten das gemacht, aber in den kommenden drei Wochen wird wohl kaum noch so ein Projekt entstehen :( )
    Ohne Klassenzimmer geht es natürlich nicht, aber einfach mal den Forschergeist wecken und so etwas cooles durchziehen, was die meisten Schüler für finanziell oder vom Aufwand her unmachbar halten, wirklich was realisieren und nicht nur büffeln, ganz große klasse!

    Wetterballons bekommt man, wie ich feststellen musste, ja leider nicht mal ebenso im Online-Shop. Da die Überlegung über das Material angesprochen wurde ziehen Sie also auch in Erwägung einen Ballon selber zu bauen (was auch hochgradig interessant ist)?
    Die Rotation ist mir bei den meisten Videos im Netz aufgefallen, diese war oftmals sehr extrem, da bin ich schon sehr gespannt ob und was sich bei der Vermeidung der Drehungen ergibt. :)
    Sie sagen GPS-Tracker mit GPS-fähigem Smartphone, also zwei “Ortungsmöglichkeiten”? Ich schätze mal zur Absicherung (verständlich, wenn die Kiste weg ist, ists richtig bescheiden :/ ) wobei sich da das Gewicht natürlich noch einmal steigt. Alleine die zwei GoPros bringen mit Akku 200 Gramm auf die Wage, das Smartphone mindestens weitere 100 Gramm (soviel wiegen zumindest die Klein-Smartphones). Dazu kommt noch der Wärmespender und die Box selber (welche wohl durch Styropor/dur recht leicht ausfallen wird).
    Als Wärmeversorgung wurde in den mir bekannten Projekten so manches mal ein/zwei Latentwärmespeicher (Die Knick-Taschenwärmer zum kochen :) ) benutzt, die aber wohl die Bedingung der gleichmäßigen Wärmeversorgung nicht erfüllen und je Kissen weitere 100 Gramm hinzufügen. Ich selber habe keine GoPro (deswegen ist die Gewicht-Rechnung auch nur sehr ungefähr, basierend auf Internetangaben ;)) aber einige haben wohl eine Akkuheizung eingebaut? Womöglich könnte das zumindest die Beheizung unterstützen.

    Da das bereits Start Nr. 3 wird, waren meine Beiträge vermutlich nicht allzu hilfreich, da schon bedacht, aber wer weiß :) Ich freue mich auf jeden Fall auf alle kommenden Updates und wünsche jetzt schon einen guten Start (auch wenn ich mich bestimmt nochmal in einem der kommenden Blogs melden werde 😉 )

    Grüße,
    biophemoc

  4. #4 Christian Heß
    26. Februar 2013

    @biophemoc

    Ich freue mich über jeden Leser, den man mit diesem Blog erreichen kann und ihn zum Ausprobieren anspornen kann. Es gibt doch meistens eine Art Projektwoche an der Schule, bei der man ein solches Projekt durchführen kann :)
    Das Umsetzen in der Schule während des Unterrichts ist gar nicht so einfach… dort gibt es schulrechtliche Vorgaben, die eingehalten werden müssen. Auch hierzu werde ich mal was schreiben.

    Nach Beendigung der Blogreihe zum dritten Start werde ich eine Art Leitfaden als pdf zum Download bereitstellen. Bis dahin einfach der Blogreihe folgen 😉

    Die Materialien sind mit wenig Aufwand zu bekommen, wobei man hier global denken muss. Gute und bezahlbare Wetterballone gibt es in den USA und Großbritannien, aber auch aus Japan gibt es bei guter Suche interesannte Angebote, wenn man eine längere Versandzeit einplant.

    Bisher lief das Orten mit einem GPS-tracker als Sender, dem man eine SMS schickt und dann eine mit den Koordinaten zurückbekommt. Diese kann man dann auf dem Smartphone mit Google Maps z.B. öffnen und dann auf die Suche gehen.

    Zur Wärmeversorgung ist ein längerer Artikel notwendig… deine beschriebenen Wärmekissen sind zu schwer. Besser sind leichte Wärmekissen auf Kohlenstoffbasis, die man sehr einfach selbst im Chemieunterricht herstellen kann.

  5. #5 Tomas
    Europe
    26. Februar 2013

    Hallo Christian, wie gesagt ich sehe das kritischer da Helium eine nicht ersetzbare Ressource ist.

    Die angepeilten 500 g Nutzlast wirst Du leider schon mit einer einzelnen GoPro mit Akku BackPack reissen. Den extra Akku wirst Du brauchen einerseits wegen der Kälte anderseits auch aufgrund der Aufsteig- und Falldauer.

    Für weitergehende Infos empfehle ich Dir die Seite eines belgischen Photografen, der vergleichbares erfolgreich umgesetzt hat und aus dem gleichen Argument Helium die Flüge eingestellt hat.

    Hier ist der Link:
    http://www.stratos-sphere.com

  6. #6 爱黑发官网
    26. Februar 2013

    分析得很深刻.不错

  7. #7 Christian Heß
    26. Februar 2013

    @爱黑发官网
    谢谢你…但为什么不是德国人?

  8. #8 Steffmann
    27. Februar 2013

    Kann ich auch:

    好工作

    @Christian:

    Sehr spannend bis hierhin. Eines verstehe ich aber nicht. Wieso ziehst du eine Würfelform überhaupt in Betracht ? Würde dass die Rotation nicht eigentlich noch verstärken ? Auf der anderen Seite, kritisch ist vor allem der Übergang von Tropo- zu Stratosspähre. Da ist es dann vermutlich eh wurscht, welche Form das case hat oder ?

  9. #9 Christian Heß
    27. Februar 2013

    @Steffmann

    Ja, du hat mit deinen Anmerkungen einen wichtigen Punkt angesprochen. Ein Würfel lässt sich am einfachsten mit dem Eqipment bestücken und ist daher vom Volumen deutlich kleiner, als wenn man eine Kugel bestückt.
    Der besprochene Übergang ist vor allem bei dem Rückflug interesannt, weil dann der Fallschirm einsetzen muss.

  10. #10 Helga
    27. Februar 2013

    Schöne Idee. :-)
    Ich würde veileicht nachsehen, was die NASA und der DWD da schon gemacht haben und dann erst, wo es notwendig ist, das Rad/den Ballon neu erfinden:
    http://www.nasa.gov/centers/glenn/technology/explorers_balloons.html

    http://www.csbf.nasa.gov/balloons.html

    http://www.dwd.de/bvbw/appmanager/bvbw/dwdwwwDesktop?_nfpb=true&_pageLabel=_dwdwww_spezielle_nutzer_internationaleprojekte_gruan&T166401147011228224855496gsbDocumentPath=Navigation/Projekte/Gruan/Conception/Campaigns/campaign__luami__node.html__nnn=true&T1

    Die NASA ist bei Ausbildung an Schulen sehr kooperativ mit Material und Wissen.

    Hoffe, die Links zur Anregung klappen?

  11. #11 Luk
    27. Februar 2013

    @Christian

    Ich empfehle dir Wasserstoff. Es ist nicht wirklich gefährlich und wird in Deutschland oft verwendet (Wetterballone und bemannte Gasballone) ausserdem lässt es sich leicht selbst herstellen.

    Bei der Temperaturkontrolle sollte man gut Wärmedämmen und nicht vergessen das die Elektronik selber eine Wärmequelle ist (und Wärmebeutel die Luft benötigen nicht funktionieren).

    Ich habe eine Schularbeit zum Thema geschrieben falls Interesse besteht.

  12. #12 Christian Heß
    27. Februar 2013

    @Helga:
    Danke für die Hinweise! Wir haben hier vieles dazu schon gelesen und sind derzeit am Austüfteln verschiedener Vorgehensweisen und Zielen. Gerne schaut man sich dann auch schon durchgeführte Varianten an. Das Projekt steht derzeit am Anfang und wir entwickeln verschiedene, auch neue Methoden.

    @Luk:
    Ja, an der Verwendung von Wasserstoff sind wir interessiert, es ist aber in jedem Falle bei der notwendigen Menge genehmigungspflichtig.
    Gerne schaue ich mir auch Durchführungen an, die andere gemacht haben :)

  13. #13 Luk
    27. Februar 2013

    @Christian

    ein paar hundert Liter sind genehmigungspflichtig? echt jetzt?

  14. #14 Christian Heß
    27. Februar 2013

    @Luk

    Beim Umgang mit Wasserstoff sind bestimmte Vorgaben zu beachten, besonders bei der Umsetzung im schulischen Rahmen. Daneben stellen größere Mengen Wasserstoff für den Luftraum eine Gefährdung dar. In einem der kommenden Artikel werde ich darauf konkret eingehen.

  15. #15 Luk
    28. Februar 2013

    @Christian

    Klar Wasserstoff ist brennbar. Aber das ist Feuerzeuggas, Deo und Reinigungsbenzin auch (inkl. explosiver Gemische).

    Nach meinen Informationen werden gerade in Deutschland auch Wetterballone mit Wasserstoff gefüllt und ein paar hunder Liter sind meines erachtens keine wirklich gefährliche Menge. Der Zusmmenprall mit 0.5kg Nutzlast mit 200km/h (Sportflugzeug) dürfe da unangenehmer sein.

  16. #16 WinzenFlyer
    28. Februar 2013

    Hallo Christian,

    danke zunächst einmal, dass du darauf eingehst, dass man mit der DFS sprechen muss. Ich habe es erlebt, dass letztes Jahr jemand in England ohne Autorisierung gestartet ist, weil der das anscheinend nicht wusste. Es wäre schade wenn Ballonaufstiege verboten würden, weil jemand auf die Idee kommt, sowas auf eigene Faust und ohne Rücksprachen zu machen und wenn dann etwas passiert.

    Wärmespender und Trockner sind nicht nötig. Handwärmer funktionieren (jedenfalls die Modelle auf Eisenbasis) weiter oben eh nicht, und die Elektrik produziert schon gut Wärme (meine Box mit u.a. einer Canon PowerShot A490 wurde letzten Sommer bei einem Bodentest sogar fast 50°C im Inneren bei einer Außentemperatur von ca. 26°C. Zu den Trocknern habe ich gelesen dass die wohl erstmal Feuchtigkeit aufnehmen, aber später dann alles wieder abgeben, jedenfalls habe ich von einer Nutzlast gehört die mit solchen Silica-Beuteln ausgestattet war und die im Inneren komplett nass war nachdem sie wiedergefunden wurde.

    Vielleicht magst du über ein Tracking mit Hilfe von einem ISM-Funkmodul nachdenken? Bei 433-434 MHz darf jeder bei 10 mW funken (laut Auskunft der BNetzA), so wird es auch in England gemacht. Wenn du magst, schau dir mal das Wiki der UK High Altitude Society an und komm in den IRC-Chat von denen und stell dich mal vor. Du findest die hier: http://ukhas.org.uk/

    Außerdem haben die eine Bahnvorhersage programmiert, die du hier findest: http://habhub.org/predict/ . Einfach Ballonparameter, Startort und Zeit eingeben und der holt sich die Windvorhersage von der NOAA.

    Vielleicht helfen dir die Tipps etwas weiter :).

  17. #17 Steffmann
    28. Februar 2013

    @Christian:

    Ja, du hat mit deinen Anmerkungen einen wichtigen Punkt angesprochen. Ein Würfel lässt sich am einfachsten mit dem Eqipment bestücken und ist daher vom Volumen deutlich kleiner, als wenn man eine Kugel bestückt.
    Der besprochene Übergang ist vor allem bei dem Rückflug interesannt, weil dann der Fallschirm einsetzen muss.

    Nur mal so als Idee. Wie wäre es mit einer ausgeprägten Tropfenform ? Erstens hat das noch keiner probiert. Zweitens würdest du so im case mehr Platz schaffen. Drittens ist das aerodynamisch ziemlich interessant.

  18. #18 Steffmann
    28. Februar 2013

    Ach ja, noch was. Da ich in Oberkirch wohne und damit Styropor (Firmennamen sollte ich hier nicht nennen) und ähnliches quasi täglich einatme ;-), könnte ich dir da behilflich sein, wenn erwünscht.

  19. […] der Ballon wird nicht wirklich ins All fliegen, aber nahe dran: 38 Kilometer sind geplant, und bei Openskies kann man nachlesen, auf was man alles achten […]

  20. #20 Christian Heß
    5. März 2013

    @ Luk:

    Auch wenn die Gefahr gering sein sollte, so ist eine Rückmeldung mit der Flugsicherung wichtig, um für sich und andere Risiken – egal wie grpoß- zu minimieren. Ich möchte an diesem “Hobby” noch lange Spass haben. Die Leute dort sind freundlich und helfen einem auch, wenn man sie freundlich darum bittet… und die Meldung macht nun wirklich keine Arbeit :)

  21. #21 Christian Heß
    5. März 2013

    @Winzen Flyer:
    Ich habe mich mit der DFS viel auseinander gesetzt und werde auch hier ein von mir entwickeltes Formular posten, das die DFS für einen solchen Ballonstart akzeptiert hat.

    Bei Wärmespendern und Trocknungsmitteln habe ich widersprüchliche Erfahrungen: Bei einem Probestart von 2008 war die Linse von außen vereist, bei einem der beiden Starts 2012 von innen beschlagen. Hier müsste man die Außenbedingungen (Dauer des Aufstiegs, Luftfeuchtigkeit, das Durchfliegen kaum vom Boden erkennbaren dünnen Cirrustratoswolken…) als auch an Bedingungen in der Box und vor dem Start (isolierung, Feuchte, …) betrachten. Dies werden wir genauer untersuchen bzw. dokumentieren müssen.

    Die Bahnvorhersage gefällt mir! Danke! Bisher habe ich grob die Flugbahn mit den Einzelkarten NOAA erstellt, von daher wird das ein interesannter Vergleich :)

    Das Trcking mit ISM ist für Start 4 interesannt, da dieser wieder an der Schule eingerichtet wird. Da könnte man so eine Art “Bodenstation” für die Schüler entwickeln, die einem dann die Richtung beim Fahren vorgeben können :)

  22. #22 Christian Heß
    5. März 2013

    @ Steffman:
    Die Tropfenform klingt durchaus interesannt, bisher habe ich nur aus dem Bastelladen eine Eierform bekommen. Wenn sowas lieferbar ist, nehme ich das gerne an :)