Stratosphärenflug

Hallo und herzlich willkommen zu einer Reise in die Stratosphäre.

Unsere Blogs zeigen regelmäßig Projekte, die Sie nachmachen und an eigene Bedürfnisse anpassen können. Dieses Projekt haben wir am örtlichen Gymnasium in Bad Bramstedt/Schleswig-Holstein im September 2018 durchgeführt und dabei Fächer-übergreifend die Vor- und Nachbereitung gemacht. Es wird allen Beteiligten als einmaliges Erlebnis in schöner Erinnerung bleiben. Unser Schulprojekt der besonderen Art war eine Gemeinschaftsaktion der Kurse „Raspberry Pi“, Astronomie und Medienarbeit. Es hat zwar nicht 100%ig geklappt, aber es sind dabei einmalige Bilder entstanden.

An einem mit Helium gefüllten Wetterballon hing eine kleine Styroporbox mit zwei Raspberry Pi Zero. An dem einen waren sowohl ein GPS-Empfänger als auch ein BME280, ein kombinierter Luftdruck-, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor, angeschlossen. Und mit dem zweiten Raspberry Pi Zero und Raspi Camera haben wir im Sekundentakt Bilder nach unten „geschossen“, von denen wir hier nur eine kleine Auswahl zeigen können.

Die wesentliche Ausrüstung sowie wertvolle Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung eines Ballon-Aufstiegs haben wir auf der Internetseite  https://www.stratoflights.com/ gefunden. Selbstverständlich benötigt man für einen Ballonaufstieg eine Genehmigung der jeweiligen Landesluftfahrtbehörde. Diese ist jedoch für eine Schule gebührenfrei. Adressen der Luftfahrtbehörden sowie ein Tool zur Flugwegberechnung finden Sie ebenfalls unter dem o.g. Link.

Diese Flugwegberechnung ist auf wenige Kilometer genau. Wir haben unseren Ballonaufstieg zweimal verschoben, weil der vorberechnete Landeort einmal in unmittelbarer Nähe des Hamburger Verkehrsflughafen lag und ein anderes Mal bei starken Westwinden in der Ostsee östlich der Insel Rügen. Aufgrund der günstigen Vorhersage haben wir unser lange vorbereitetes Projekt kurzfristig Anfang September durchgeführt. Der tatsächliche Landeort lag in einem Waldgebiet ca. 2 km nordwestlich des vorausberechneten.

Ein Blick in unsere Box beim Befüllen. Die beiden Raspberry Pi Zero sind schon eingebaut, man erkennt die Power Bank, die beide Raspis mit Strom versorgt, rechts die vier Kabel zum außen liegenden Sensor BME280, links das Kabel der GPS-Antenne, die am Ende oben auf die Box geklebt wird. Es fehlt noch der zusätzliche GPS-Tracker zum Wiederfinden der Box.

Mehr zu der benötigten Ausrüstung am Ende des Beitrags. Jetzt erst einmal die Bilder der Raspberry Pi Kamera: 

Bereits nach zwei Minuten war der Wetterballon so hoch, dass man die gesamte Innenstadt von Bad Bramstedt darauf sehen konnte.

Da sich die Box trotz Stabilisatoren ständig drehte und im Wind schaukelte, konnten wir leider keinen Zeitraffer-Film aus den Bildern machen. Aber es entstand der eine oder andere „lucky shot“.

Nach fünf Minuten Flugzeit entstand dieses Bild von der Südweststadt, meinem Wohngebiet.

Dann zog der Wetterballon wie vorhergesagt nach Westen und stieg und stieg und … über 30.000 m hoch. Nach den Berechnungen sollte unser Ballon nach 1:45 Stunde in ca. 31 km Höhe platzen (Gesetz von Boyle-Mariotte). Tatsächlich platzte unser Ballon erst nach 2:12 Stunden. Wie hoch er dabei war, konnten wir mit unseren Möglichkeiten nicht ermitteln. Zum Vergleich: die Reiseflughöhe unserer Verkehrsflugzeuge liegt bei 10 bis 11 km. Unser Ballon war dreimal so hoch.

Jetzt folgen die Bilder im Moment des Platzens des Ballons. Dabei wurde die Box, obwohl sie rund 15 Meter unterhalb des Ballons hing, auf die Seite gekippt.

Wir haben lange gerätselt, was auf diesem Bild zu sehen ist. Aufgrund des Niedrigwassers in der Nordsee erkennt man keine klare Küstenlinie. Wer genau hinsieht, erkennt im schwarzen Weltraum den aufgehenden Halbmond.

Auf diesem Bild ist der Weltraum nicht zu sehen, dafür das Mündungsgebiet von Elbe, Weser und Jade.

Dann schlug das Pendel in die andere Richtung. Wir sehen die Insel Fehmarn sowie die dänischen Inseln Langeland und Lolland aus ca. 35 km Höhe über Kellinghusen, einer Kleinstadt in Schleswig-Holstein. Mein Lieblingsbild! Man sieht die Erdkrümmung und den kleinen hellblauen Streifen über dem Horizont, der unseren Planeten bewohnbar macht: die Atmosphäre.

Dann ging es am Fallschirm abwärts!

Nach weiteren 40 Minuten verfing sich der Fallschirm in einer Baumkrone und von diesem Zeitpunkt an bis die Power Bank leer war, sehen die Bilder alle so aus.

Wie wir die Box mit unserer teuren Ausrüstung und vor allem diesen Bildern auf der µSD-Karte wiederbekommen haben, ist eine Geschichte für sich. Die Position kannten wir sehr genau durch den GPS Tracker, der eine SMS mit einem Link zu Google Maps sendet.

Aber erst bei der dritten Suche haben wir den Fallschirm und dann die Box entdeckt – in 30 m Höhe.

Entmutigt wollten wir uns auf den Heimweg machen. Da kam der Förster, mit dem ich zuvor schon telefoniert hatte, zufällig vorbei und hörte sich unsere Geschichte an. Ein kritischer Blick in die Höhe, kein Eulennest weit und breit, kurze Umplanung der Rodung wegen Borkenkäferbefall und am nächsten Tag konnten wir unsere Box abholen. Die letzten 30 m Höhe haben mehr Spuren hinterlassen als die 35 km Auf- und Abstieg in die Stratosphäre.

Ich möchte an dieser Stelle noch die Ausstattung des zweiten Raspberry Pi vorstellen, mit dem wir die atmosphärischen Daten mit der GPS-Position aufzeichnen wollten. Durch eine kurze Unterbrechung der Stromversorgung war es zum Programmabbruch gekommen. Das hätten wir mit Autostart besser machen können, aber das ist eine andere Geschichte. Oder wir hätten einen Micro Controller für diese Aufgabe nehmen sollen.

Wir hatten einen Raspberry Pi Zero W (für WLAN) genommen und anstelle der üblichen Steckerleiste (40-pin header) einen sogenannten stacking header angelötet. So konnten wir sowohl oberhalb den GPS/GSM pHAT für die Nachverfolgung des Flugweges einschl. der Flughöhe als auch unterhalb den BME280 für die Umweltdaten an der I2C-Schnittstelle anschließen.

Alternativ kann man wie gesagt auch einen Micro Controller nehmen. Für die Datenaufzeichnung haben wir die µSD-Karte des Raspberry Pi genommen. Alternativ kann man einen Card Reader benutzen, wenn man einen Micro Controller statt des Raspi nimmt.

Benötigte Hardware

Wir benötigen für die Aufzeichnung der geografischen und atmosphärischen Daten an Hardware:

Code-Beispiele für die GPS-Module finden Sie in den E-Books bzw. in der Blog-Reihe von Tobias Kuch auf unserer Homepage.

Ich wünsche auch anderen Schulen einen Sponsor zum Nachmachen dieses Projekts. Das Ballongas (unreines Helium) für ca. 100 Euro kann vom Lehrmittel-Etat Chemie bezahlt werden.

Der zweite Totalverlust ist der Wetterballon für rund 100 Euro, denn der platzt in großer Höhe. Die erforderliche Haftpflichtversicherung kostet ca. 60 Euro. Gebühren bei der Luftfahrtbehörde des Landes fielen für unsere Schule in Schleswig-Holstein wie gesagt nicht an. Und alles andere kann weiterverwendet werden.

Gönnen Sie Ihren Schülern oder der Klasse Ihrer Kinder/Enkelkinder dieses einmalige Erlebnis.

Auf vielfachen Wunsch hier der Link zum Download als pdf.