Das WWG schickt Sonde erfolgreich in die Stratosphäre
Was wie eine echte Raumfahrtmission klingt, ist tatsächlich ein Ergebnis unserer Projektwoche: Schülerinnen und Schüler haben eigenständig eine wissenschaftliche Sonde entwickelt, gebaut und erfolgreich in die Stratosphäre geschickt – inklusive Kamera, komplexer Messtechnik und Live-Tracking.
Unser Team vom Stratosphären-Projekt: Insgesamt 30 Schülerinnen und Schüler (nicht alle abgebildet) aus den Jahrgängen 5 bis 11 haben in diesem Projekt gearbeitet – alle mit dem Ziel, unsere WWG-Sonde in die Stratosphäre zu bringen.
Inhaltsüberblick
Vorbereitung: Genehmigung und Bau
Start unter Zeitdruck – Technik auf den Punkt
Der Flug
Bergung: Live-Tracking mit Action, Abenteuer und jeder Menge Nervenkitzel
Datenanalyse: Extreme Bedingungen in über 36 km Höhe
Fazit: Mission erfolgreich!
Vorbereitung: Genehmigung und Bau
Vorbereitend wurden alle Komponenten für den Bau der Sonde (Styropor-Kiste, Seil, Fallschirm, Wetterballon) von der Schule besorgt. Das Gas wurde vom Förderverein des WWG gekauft. Vielen herzlichen Dank an dieser Stelle für die finanzielle Unterstützung an den Förderverein!!
Genehmigung
Ebenfalls vorbereitend wurde von der Schule eine Luftfahrt-Halterhaftpflicht-Versicherung abgeschlossen. Der Abschluss einer solchen Versicherung ist auch Voraussetzung für die Genehmigung des Fluges bei der Landesluftfahrtbehörde. Die Luftfahrtbehörde des Landes NRW hat den Stratosphärenflug des WWG als Forschungsprojekt genehmigt und eine Freigabe für den 15.05.26 von 10 bis 15 Uhr erteilt.
Bau
Innerhalb von drei Tagen wurde eine Styroporbox mit High-Tech-Messgeräten ausgestattet: Eine Kamera mit 4K-Auflösung, ein Datenlogger mit eigenem kleinen Rechner, GPS-Empfänger mit vierfach verlängerter Antenne und Messfühler für Temperatur, Luftfeuchte, Geschwindigkeit, Beschleunigung (jeweils in drei Richtungen), Lichtintensität für sichtbares Licht, Infrarot- und UV-Strahlung, Ortsdosisleistung für Röntgen- und radioaktive Beta- und Gamma-Strahlung wurden eingebaut.
Die WWG-Sonde von vorne. In der Mitte erkennt man den nach außen gelegten Messfühler. Die rote Verschnürung oben führt zum Fallschirm.
Die WWG-Sonde von hinten. In der Mitte erkennt man die Kameralinse. Die kleine Beschädigung links von der Kameralinse an der Kante der Box ist beim Aufprall auf der Erde entstanden. Foto und Unterschriften der Projektteilnehmer haben den Flug in die Stratosphäre überlebt. Lediglich etwas Kondenswasser ist in die Laminierfolie gelaufen.
Die Sonde kurz vor dem Start: Kamera (oben) mit zusätzlichem Akku (rechts), Datenlogger mit Rechner und GPS-Antenne (unten), Geiger-Müller-Zähler (links), Ortungssystem per GPS und Mobilfunk (Mitte), nicht zu sehen: Messfühler mit allen Sensoren (außen angebracht, per Kabel mit Datenlogger verbunden).
Die Sonde war per Seil (10 Meter Länge, Reißfestigkeit über 2.400 Newton pro Meter) an einem Fallschirm befestigt, dieser wiederum an einem Wetterballon. Der Wetterballon wurde mit 6.000 Litern reinem Helium befüllt. Mit einer Gespannlänge von über 18 Metern war das Konstrukt aus Ballon, Fallschirm und Sonde höher als unser Schulgebäude.
Start unter Zeitdruck – Technik auf den Punkt
Ein Start mit Nervenkitzel
Der Start verlief alles andere als entspannt: Kurz vor dem eigentlich geplanten Abflug um 14 Uhr war unklar, ob die Mobilfunkverbindung für das Tracking funktionieren würde. Dennoch bewiesen die Beteiligten Nervenstärke: Die in der Sonde eingebaute Sim-Karte wurde neu programmiert und eingesetzt. Eine Mobilfunkverbindung konnte jedoch zunächst nicht hergestellt werden. Erst nach einem Aus- und erneuten Einbau per Pinzette wurde eine Verbindung um kurz vor 15 Uhr hergestellt und Koordinaten per Mobilfunk übermittelt.
Während dieser bangen Minuten, in denen nicht klar war, ob wir unsere Sonde beim Auftreffen auf dem Erdboden orten können, wurden alle Geräte von uns noch einmal geprüft, kalibriert und ausgelesen. Die Sonde musste schließlich, um rechtzeitig abzuheben, dann vollständig abgedichtet werden. Da das Ortungssystem jedoch Probleme machte, wurde von uns zusätzlich ein AirTag außen als Backup angebracht.
Unsere WWG-Sonde hob schließlich, nach einer absoluten Glanzleistung unserer Schülerinnen und Schüler, ab – alle Beteiligten bewiesen bis zum Schluss, dass sie unter absolutem Zeitdruck gewissenhaft arbeiten können. Jeder Handgriff musste sitzen, jeder musste die ihm zugewiesene Aufgabe akkurat erledigen, jeder verließ sich auf jeden – und dann hob sie ab. Unsere Sonde begann eine beeindruckende Reise.
Der Abflug
In den Ballon wurden 5300 Liter Helium (ca. 118 bar) gefüllt. Die Menge an Helium musste von uns vorab berechnet werden. Je mehr Helium, desto schneller steigt der Ballon. Wir erreichten eine Steiggeschwindigkeit von 5,0 m/s, was exakt unseren Vorgaben entsprach. Mit dieser Steiggeschwindigkeit wurde gewährleistet, dass der Ballon zügig nach oben stieg, aber dennoch keine zu hohe Belastung für Seile und Knoten durch Seitenwind oder andere Turbulenzen entstand. Der gleichmäßige Aufstieg zeigt: Die berechnete Heliumfüllung war perfekt abgestimmt.
Der Flug
Die Flugkurve wurde permanent aufgezeichnet. Die GPS-Antenne unseres Datenloggers hatte permanent Kontakt zu mind. drei GPS-Satelliten, sodass exakte Positionsdaten aufgezeichnet werden konnten. In der Höhe wurde sogar zwischenzeitlich Kontakt zu bis zu 10 Satelliten gleichzeitig aufgenommen. Das GPS-Gerät musste speziell auf diese Höhen abgestimmt werden, da normale GPS-Geräte über 18 km Höhe nicht mehr funktionieren. Unsere Flugkurve im Detail:
Um 15:17 Uhr konnten wir keine Live-Daten mehr von unserer Sonde erreichen. Der Kontakt brach planmäßig aufgrund der bereits dann erreichten Höhe ab. Die Sonde stieg auf eine maximale Höhe von 36.047,3 Metern. Damit erreichten wir eine über 3 mal höhere Höhe als ein normales Flugzeug im Flug erreicht (10 bis 12 km Flughöhe).
Die Stratosphäre (beginnt bei ca. 10 km Höhe) wurde damit deutlich erreicht!
Dass die Sonde nicht noch höher stieg, lag nicht an der Technik, sondern an den atmosphärischen Bedingungen: In großer Höhe war der Luftdruck bereits so gering, dass der Ballon seine physikalische Grenze erreichte.
Der Ballon dehnte sich während des Fluges aus und platze dann. Die Sonde fiel mit einer Geschwindigkeit von ca. 200 km/h nach unten, segelte per Fallschirm aus der Stratosphäre durch mind. eine Regenwolke und konnte von uns gegen 17:45 Uhr wieder live geortet werden.
Nach 3 Stunden und 16 Minuten Flugzeit landete unsere Sonde dann sicher gegen 18:20 Uhr auf dem Erdboden.
Bergung: Live-Tracking mit Action, Abenteuer und durchdrehenden Reifen
Mit fünf Autos machte sich ein großer Teil der Projektgruppe auf den Weg, unsere WWG-Sonde wieder einzusammeln. Da zunächst nicht klar war, ob wir unsere Sonde orten können würden, wurde zunächst der Flugweg simuliert. Es war klar, dass unsere Sonde zwischen Olpe und Drolshagen landen musste. Aus dem Auto heraus und von Parkplätzen aus wurde bereits der Himmel nach einem roten Fallschirm abgesucht. Durch die starke Bewölkung war dies mitunter schwierig.
Gegen 17:45 Uhr kam dann die erleichternde Nachricht: Unsere GPS-Ortung funktionierte. Die Koordinaten wurden per Mobilfunk an uns übermittelt und wir machten uns mit fünf Autos auf den Weg in ein Waldstück in der Nähe von Drolshagen. Da die Sonde noch nicht gelandet war, sondern durch Seitenwind noch mal Richtung Olpe abgetrieben wurde, ging es weiter. Zwischenzeitlich setzte ein Auto im Wald auf, ein anderes fuhr sich fest und musste mit Matten unter den Reifen und Anschieben aus der misslichen Lage befreit werden. Letztendlich erreichten wir aber mit allen Autos einen Waldweg in der Nähe der letzten übermittelten Koordinaten. Von da ging es zu Fuß weiter. Ein kleiner Bach wurde überquert, ein Berg erklommen – alles, um die Sonde möglichst schnell zu bergen. Nach einer kleinen Abenteuer-Tour querfeldein konnten wir dann zum zweiten Mal erleichtert aufatmen: Die Sonde landete zwar mitten im Wald, aber glücklicherweise nicht auf einem Baum, sondern auf einer Art Lichtung.
Kleiner Fun-Fact am Rande: Wir waren natürlich auch auf den Fall vorbereitet, dass die Sonde im Baum hängen würde. Leiter, Teleskopstangen und sogar ein SUP-Board für eine Landung in der Bigge – all das war mit im Auto, um ein Einsammeln unserer WWG-Sonde zu ermöglichen. Die Flugkurve oben zeigt: Eine Landung im Wasser war keineswegs im Bereich des Unmöglichen.
Zurück zur Bergung: Sowohl die Sonde als auch alle Messinstrumente sind heil geblieben. Direkt vor Ort wurden sämtliche Daten gesichert.
Das erste Team auf dem Weg zur Sonde: Über einen kleinen Bach, einen Berg hoch und durch dichten Wald. Ob die Positionsdaten korrekt sind, war zu diesem Zeitpunkt noch unklar. Das zweite Team musste ein Auto noch anschieben, welches sich im unwegsamen Gelände festgefahren hatte.
Die WWG-Sonde ist kurz vorher mit 21 km/h auf diesen Ästen aufgekommen. Ben ist der erste, der die Sonde in Augenschein nimmt und sie aus dem Geäst befreit
Die WWG-Sonde ist nach ihrem Flug auf über 36 km Höhe geborgen. Der Ballon ist planmäßig geplatzt, der Fallschirm hat den Flug ideal abgebremst. Hier zu sehen: Das erste Team ist am Landepunkt eingetroffen.
Datenanalyse: Extreme Bedingungen in über 36 km Höhe
Höhe
Der Datenlogger lief bereits lange vor Abflug. Ab Abflug wurde kontinuierlich Höhe aufgebaut. Mit 5 m/s stieg unsere Sonde auf im Maximum über 36 km Höhe an. Während des gesamten Fluges kam es zu keinen Kollisionen oder anderen Besonderheiten.
Der Flug nach oben dauerte circa 152 Minuten und damit knapp 20 Minuten länger als vorher von uns unmittelbar vor Abflug berechnet. Gerade in der letzten Phase wurde nur noch wenig Höhe zugelegt. Im Maximum erreichten wir 36.047,3 Meter über NN.
Nach dem Platzen des Ballons verlor die Sonde zunächst sehr schnell an Höhe. Sie war im Maximum mit 210 km/h nach unten unterwegs. Der Fallschirm bremste dann aber in geringeren Höhen (bei höherem Luftdruck) den Fall ab.
Der Flug nach unten dauerte nur 45 Minuten und war damit knapp 9 Minuten kürzer als vorher unmittelbar vor Abflug berechnet.
Geschwindigkeit
Durch das Einfüllen der exakt richtigen Menge an Helium-Gas konnten wir eine gleichmäßige Geschwindigkeit der Sonde beim Aufstieg erreichen. Durch Seitenwind kann die Aufstiegsgeschwindigkeit massiv beeinflusst werden, sodass der Ballon nicht nur abdriftet, sondern auch langsamer nach oben steigt. Wir haben diese Witterungsbedingungen beim Befüllen des Ballons berücksichtigt und schwanken beim Aufstieg zwischen 3 und 7 m/s, im Durchschnitt genau 5 m/s.
Beim Fall nach unten hatte die Sonde eine Spitzengeschwindigkeit von 55,7 m/s, was umgerechnet circa 201 km/h entspricht. Beim Aufprall auf den Erdboden hatte die Sonde eine Geschwindigkeit von 5,75 m/s, was umgerechnet circa 21 km/h entspricht.
Luftdruck
Der Luftdruck nimmt exponentiell mit zunehmender Höhe ab. Dies konnte von uns perfekt nachgemessen werden.
Am Boden hatten wir einen Luftdruck von 977 hPa. In über 36 km Höhe ist er auf 4 hPa gesunken.
Das zeigt auch: Höher hätte unsere Sonde an diesem Tag nicht mehr fliegen können! Es war schlicht keine Luft mehr da, der Ballon musste also in dieser Höhe platzen.
Temperatur
Die Abhängigkeit der Temperatur von der Höhe passt auch sehr gut zu den erwartbaren Daten. Es ist zunächst ein massiver Abfall der Temperatur zu erwarten gewesen. Das Diagramm oben liest sich in zwei Richtungen: erst das Flug nach oben (nach rechts dargestellt), dann der Fall nach unten (wieder nach links dargestellt).
Auf knapp 9.800 m Höhe konnten wir eine Außentemperatur von -25°C messen. Danach ist die Temperatur durch die durchflogene Ozonschicht und der in dieser absorbierten UV-Strahlung wieder gestiegen. Auf über 36 km Höhe sogar wieder ins Positive, auf knapp +2°C. Beim Sinkflug wurden dann Temperaturen von knapp -28°C gemessen. Die Temperatur in der Sonde (rote Kurve) ist zunächst gesunken. Dank der Styroporbox konnte das Absinken verzögert werden. Mit -16°C wurde es in der Box jedoch auch knackig kalt – ein absoluter Stresstest für die Elektronik, die beim Öffnen der Sonde schlagartig wieder Plusgraden ausgesetzt wurde (Anstieg der roten Kurve unten ganz links).
Luftfeuchtigkeit
Die Luftfeuchtigkeit ist mit zunehmender Höhe stark nach unten gegangen. Durch die trockene enge Schichtung in der Stratosphäre, erwarten wir generell auf über 10 km Höhe keine Wettereignisse mehr (kein Wind, keine Wolken, kein Gewitter). Dies konnte von uns gut nachgemessen werden. Durch die Kälte und die zuvor hohe Luftfeuchtigkeit ist davon auszugehen, dass der Messfühler kurzzeitig auch zugefroren war.
Beim Sinkflug erreichten wir zwischendurch innerhalb von 5 Minuten Feuchtewerte zwischen 80 und 99%. Unsere Sonde scheint hier eine große Regenwolke durchflogen zu haben. All das hat der Messfühler (ohne schützende Schicht, direkter Kontakt nach außen) ausgehalten.
Strahlung (sichtbares Licht, Infrarot, Ultraviolett)
Strahlung (Röntgen, radioaktive Beta- und Gamma-Strahlung)
Die Auswertung erfolgt zur Zeit noch. Insgesamt wurden während des Flugs 40.000 Ereignisse von unserem Geiger-Müller-Zähler gezählt.
Fazit: Mission erfolgreich!
Ein voller Erfolg
Unsere Mission, eine Sonde in die Stratosphäre zu schicken, war in jeder Hinsicht beeindruckend:
Das Wetter war wechselhaft und hinsichtlich der Wind- und Wolkenverhältnisse nicht optimal. Unsere Berechnungen und Simulationen im Vorfeld waren sehr genau und konnten einen Bilderbuch-Aufstieg ermöglichen.
Die von uns eingebaute Messtechnik hat den Extrembedingungen standgehalten und einwandfrei funktioniert. Lediglich die Kamera hat sich kurz vor dem Flug ausgeschaltet. Das ist sehr schade. Nichtsdestotrotz konnten wir insgesamt über 10 Millionen Messdaten aufnehmen – alles hochwertige und sehr präzise Daten, die nun ausgewertet werden.
Unser Ortungssystem, was uns unmittelbar vor Abflug auf Trab gehalten hat, hat doch noch funktioniert, sodass wir die Sonde sicher bergen konnten.
Nicht nur fachlich war das Projekt ein Erfolg. Die Schülerinnen und Schüler konnten ein außergewöhnliches Projekt mit gestalten, haben Verantwortung übernommen und mit wissenschaftlichen Messinstrumenten hautnah selbst experimentiert. Sie mussten Teamfähigkeit, Nervenstärke und Durchhaltevermögen unter Beweis stellen. Am Ende war es ein großes Abenteuer, was den beteiligten Schülerinnen und Schülern sowie den beteiligten Lehrkräften in Erinnerung bleiben wird.
Die weitere Planung: Leider hat die Kamera keine Bilder vom Flug aufgezeichnet. Sonde, Fallschirm, Verschnürung, etc. – alles ist so gut verarbeitet gewesen, dass es den Flug und Fall überstanden hat und somit noch mal genutzt werden kann.
Und wir haben noch ca. eine halbe Flasche Helium … Was hält uns also noch am Boden?
Vielen Dank für Ihre Unterstützung und Ihr Interesse an unserem Projekt!
Text: Projektgruppe, Dr. Philipp Krumm
Fotos: Dr. Philipp Krumm, Stephanie Zimmermann, Renate Siebert, Katharina Siebert