BalloonSat (Aachen)
Mitmachen?
Basiswissen
Ein privates Gemeinschaftsprojekt für Technik- und Wissenschaftsinteressierte in Aachen: ein Gasballon von etwa 1 Meter Durchmesser wird vom Wind um die Erdkugel getragen. Das Vorhaben wurde um 2010 in Kalifornieren ins Leben gerufen. Schüler, Auszubildende, Studenten und auch Erwachsene sind herzlich eingeladen, in das Projekt hineinzuschnuppern und bei Interesse einzusteigen. Das ist hier kurz vorgestellt.
Kurzbeschreibung
Der Microfoil-Gasballon hat einen Durchmesser von etwa 1 Meter, hat eine Hülle mit festem Volumen und wird von der Firma Qualatex[1] zum Verkauf angeboten. An einer dünnen Schnur hängt die Nutzlast mit mit einer Gesamtmasse von maximal 4638 Milligramm oder gut 4 Gramm. Dieser Ballon soll im Bereich der oberen Troposphäre, also in Höhen der Größenordnung von 10 km von Winden einmal um die ganze Welt getragen werden. Zur Kommunikation sendet der Ballon Hochfreqenzwellen aus (3 bis 30 MHz), die an der Erdoberfläche und der Ionosphäre reflektiert werden und damit weltweit empfangen werden können. Vorläuferprojekte dieser Art hatten schon zu vierfachen Erdumrundungen geführt.
Inspiration Wetterballone
Immer zweimal täglich, um 12.00 und um 24.00 UTC, werden von Meteorologen weltweit gleichzeitig insgesamt rund 1000 Wetterballone gestartet. Das Ziel ist es, die nötigen Messdaten für eine Art Tomographie der Erdatmosphäre zu erhalten. Diese dient dann als Eingabe für Wettersimulationen und -vorhersagen. Die Ballonhüllen bestehen aus Latex, dehnen sich beim Aufstieg aus und erreichen Durchmesser von mehreren Metern. Der Aufstieg in Höhen von 100 bis 120 Tausend Fuß (33 bis 40 km) dauert über eine Stunde. Am Höhenziel angekommen, platzen die Ballone. Mehrere Messgeräte an einem angehängten Seil fallen dann an einem Rettungsfallschirm über gut 45 Minuten zu Boden. Während des Auf- und beim Abstiegs senden die Geräte Messdaten über Ultrahochfrequenzen (30 bis 300 MHz). Diese Wellen können nur im direkten Sichtkontakt (LOS = line of sight) empfangen werden. Hohe kosten und genehmigungspflichtige Aufstiege machen diesen Version für private Zwecke wenig tauglich. Siehe auch Wetterballon ↗
Inspiration CubeSat
Echte Satelliten in Würfelform: 1 kg schwer und 10 cm lang, breit und hoch: neben Firmen nutzen auch Studenten seit Jahren solche Satelliten (Stückkosten von etwa 20 Tausend US-Dollar) und lassen sie von einer Weltraumorganisation (NASA, ESA) gesponsort in einen erdnahen Orbit schießen (Stückkosten etwa 400 Tausend US-Dollar). Um einen eigenen CubeSat in den Weltraum zu bringen, muss man dabei hohe Hürden bei der Prüfung durch die Weltraumorganisation nehmen. Hohe Kosten und ein großer organisatorischer Aufwand machen dieses Projekt für kleine zeitlich wenig flexible Gruppen eher unhandlich.[2] Siehe auch Cubesat ↗
Inspiration BalloonSat
In den USA gibt es bereits seit etwa dem Jahr 2000 ein Projekt, bei dem preiswerte Gasballons in Höhen von über 30 km aufsteigen. Das Projekt richtet sich vor allem an Studenten. Mehr unter BalloonSat ↗
Was ist der Stand der Dinge?
Ein bereits bestehendes Team aus Kalifornien und Aachen hat schon viel Vorarbeit geleistet. Der BalloonSat ist in groben Zügen konfiguriert. Es gibt Simulationssoftware, um den windgetriebenen Flug um die Erde zu simulieren, verschiedene Teammitglieder haben Funk-Lizenzen erworben. Sensoren aus Handys sollen zur Bestücken des Messeinheit genutzt werden und eine passwortgeschützte Webseite dient als Plattform für die Beteiligten. Die Machbarkeit wurde gezeigt, die Detailumsetzung bietet noch viel Raum für Kreativität. Hier sind Phantasie, technisches Know-How und Ausdauer gefragt. Aktivitäten in der Lernwerkstatt Mathematik in den Jahren 2021 bis 2022 stehen im Artikel Wasserelektrolyse (Natriumsulfat) ↗
Offenes Teilprojekt: H2 für den Ballon
Da H2 (Wasserstoffgas) wesentlich mehr Auftrieb erzeugt als Helium, soll der Ballon vor dem Start mit H2 gefüllt werden. Das H2 soll über Elektrolyse von Wasser, also Hydrolyse, selbst hergestellt werden. Dabei sind unter anderem noch folgende Fragen offen: aus welchem Metall sollen die Elektroden bestehen? Kann man einen funktionalen Zusammenhang herstellen zwischen der geflossenen Menge an elektrischer Ladung und der dadurch produzierten Anzahl von H2-Molekülen? Welche Rolle spielen dabei die Elektrolyte im Wasser? Ließe sich ein Coulomb-Counter (Handyladegerät) irgendwie nutzen? Der Algorithmus soll am Ende als Computerprogramm umgesetzt werden.
Offenes Teilprojekt: Payload-Design
Vom Ballon nach unten herab hängt ein Metalldraht, der gleichzeitig auch die Antenne zur Übertragung von Funksignalen ist. An dieser Antenne sollen dann - eng beieinander - auch die Sensoren für Messungen und Solarpaneele angebracht sein. Ungeklärt ist noch, wo welcher Sensor sitzen soll, in welche Richtung er blickt, in welchem Winkel die Solarpaneele angebracht sind, wie groß sie sein sollen und auch, wie all diese Teile verbunden werden: löten, schweißen, kleben, stecken?
Offenes Teilprojekt: Gase messen
Noch weitgehend offen für neue Ideen sind die Teilprojekte zur Messung von CO2 und O3 (Ozon).
Offenes Teilprojekt: Antennenlänge
Die Länge der Antenenne ist gleich der Wellenlänge der ausgesandten Funkstrahlung. Von der optimal gewählten Wellenlänge hängt auch die Reichweite der Funkanlage ab. Die Reflexion an der Ionosphäre sowie terrestrischen Objekten muss berücksichtigt werden. Die genau Festlegung der Antennenlänge ist noch offen.
Wie kann man mitmachen?
Du bist Schüler, Student oder auch als Erwachsener einfach nur begeistert an Physik, Chemie, Webdesign, Journalismus, Elektronik, Meteorologie, Funktechnik, Computersimulationen, den Geowissenschaften oder hast sonstige Ideen? Dann bist du bist herzlich eingeladen, das Projekt kennenzulernen. Als nächster Schritt ist ein Termin in Aachen zur Vorstellung geplant. Schreibe uns eine Mail kurze Mail (siehe Impressum). Wir informieren dich dann, wann es ein Treffen gibt Rhetos Impressum ↗
Welche Rolle spielt die Mathe-AC Lernwerkstatt?
Keine besondere: das Projekt wird zurzeit von engagierten Schülern und Erwachsenen aus Aachen und Kalifornien rein privat betrieben. Die Mathe-AC Lernwerkstatt in Aachen unterstützt das Projekt ohne kommerzielles Interesse. Wir stellen Räume für Treffen zur Verfügung und möchten die Initiative in Aachen bekannt machen. Wer mitmachen möchte ist aber an keine Einrichtungen gebunden, sondern macht immer nur als Privatperson mit und ist damit völlig frei und selbstbestimmt.
Vision
Man kann die Vision hinter dem Projekt nicht besser formulieren als dessen momentane Spiritus rector, H. Shrikumar aus Kalifornien. Danach gefragt, was das Projekt im Kern ausmacht, schrieb er spontan die nun folgenden Zeilen.
Think about this: Back in the early days of science, it was called "Natural Philosophy", and there was no distinction between Physics, Chemistry and Biology.
Galvani was working with frogs, but has discoveries in electricity named after him. Michael Faraday was an uneducated apperentice binding books in the basement of the Royal Society, but he solved the problem of converting magnetic force to electricty that even stalwarts like Humphrey Davy failed after years of well-funded experiments. Professor Heinrich Hertz demonstrated radio waves for the first time, but said it had no use; while Marconi didn't have much of a real understanding of the Maxwell's equations, but made radio communication work across the Atlantic, and turned it into a multi-national commercial monopoly.
Siemens was a merchant who sold rubber (gutta-percha) from Asia, but his name is the unit for electrical conductivity.
There was no over-specialization. If you could think of the words to ask a question, it was a question you could just go ahead and ask!
You can perhaps derive Boltzmann's constant from observing the statistics of Kindergarten children interacting in a playground.
What's common to all of these scientists is that each of them knew very little to start with, and were simply driven by curiosity. And of course, scientific discipline.
Perhaps it can be said that they knew less about science when they began than school children already know today. Children already have boundless curiosity, perhaps, (before they grow up and lose it!) all we need to do is just encourage this curiosity, and add some discipline and focus.
The main goal here is to structure a STEM/MINT project which is based on the same above idea of being curiosity-driven as an inspiration -- we seek to encourage an curiosity-driven approach to science, technology and engineering.
So, how do we do it? -- Simple: lets reach for the sky! We set out a project to build our own satellite. One that will be designed, developed and launched by the kids themselves (via say, NASA CSLI/ELaNa). We started with plans to build a Cubesat, but over time we have temporarily changed that to the short-term goal of building a BalloonSat, because we found we could actually do more science in-situ, in Near-Space, than by remote-sensing in Outer-Space. Therefore, the first goal is a near-stratospheric balloon carrying a Near Space satellite in orbits around the Earth, along the jet-streams.
The design is about half-done. Approximately 26 experiments have been identified, and we are aiming for a first launch date this summer. The team currently has two children from Aachen and five from California.
Fußnoten
- [1] Hersteller geeigneter Ballone: https://us.qualatex.com
- [2] Cubesats als Industriestandard: https://de.wikipedia.org/wiki/Cubesat
- [3] Projektwebseite (Passwort nötig): https://quips.enablery.org
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