MINT: Daten und Video aus der Stratosphäre
Einen Tag nach dem geglückten Stratosphärenflug hieß es für die Schülerinnen und Schüler des Projekts von Herrn Heeke, zusammen mit den Experten von Stratoflight und Herrn Dr. Janssen Daten zu analysieren, abschließende Referate zu halten und das erfolgreiche Projekt abschließend zu würdigen und zu resümieren.
Dabei entstanden interessante Einblicke in die Daten, die den eigens dafür selbst konstruierten Messinstrumenten entsprungen sind. An dieser Stelle soll ein kleiner zusammenfassender Einblick gegeben werden:
An Bord des Ballons waren gleich mehrere Sensoren untergebracht, die über zwei Mikrocontroller Messwerte im Sekunden- bzw. 3-Sekundentakt auf zwei SD-Karten geschrieben haben. In den 2:44 Std. reiner Flugzeit wurden die Höhe des Ballons, der Luftdruck, die Luftfeuchtigkeit, die Innen- und Außentemperatur, die radioaktive Strahlung und die Stärke des UV-Lichts mit selbstgebastelten Sensorsystemen gemessen. Auch wenn die Hardware kein Profi-Messequipment war, konnten - auch trotz Crash beim Start - vortreffliche Messwerte erzielt werden. Eine Erklärung der Kurven erfolgt unterhalb der Grafik.
Höhe und Luftdruck
Die Höhe des Ballons in Metern wird durch den grünen Graphen repräsentiert. Die Höhe wird dabei über den Luftdruck berechnet, der in dem roten Graphen abgebildet ist. Wie in dem roten Graphen zu erkennen ist, nimmt der Luftdruck mit der Höhe ab, weswegen der Ballon auch irgendwann platzt, da dem Druck des Heliums aus dem Inneren des Ballons irgendwann nichts mehr von außen entgegensteht. Der Abfall des Luftdrucks geschieht allerdings nicht linear (gleichmäßig) mit der Höhe. Im Unterschied dazu ist laut Experten von Stratoflight die Höhenzunahme jedoch durch einen sehr genauen linearen Zusammenhang gekennzeichnet, was der Sensor auch sehr gut bis ca. 20km über dem Boden anzeigt. Durch den abnehmenden Luftdruck, der immer mehr gegen null geht, scheint der Sensor jedoch dann nicht mehr so exakt zu arbeiten wie zuvor, weswegen die gestrichelte grüne Linie die absolute Maximalhöhe des Ballons wohl besser abschätzt. Diese dürfte in etwa bei 32,5 km gewesen sein. Bei ca. 75% der Gesamtflugzeit platzt dann der Ballon und es geht rapide abwärts. Schön zu erkennen ist dies in dem grünen Graphen nach der gestrichelten schwarzen vertikalen Linie. Selbstverständlich nimmt der Luftdruck Richtung Boden wieder zu, bis er den Bodenwert wieder erreicht. Zunächst geht der Fall schneller - kommen jedoch mehr und mehr Luftteilchen hinzu, verlangsamt sich der Fall am Fallschirm etwas mehr, so dass die grüne Kurve einen etwas flacheren Knick Richtung Ende bekommt.
Temperatur
Dass die Temperatur mit der Höhe abnimmt, dürfte allgemein bekannt sein. Dass sie jedoch von -45 Grad Celsius auf ca. 15000m mit steigender Höhe plötzlich wieder zunimmt, überrascht den Laien dann doch. Da der Sensor in der prallen Sonne außen an der Oberseite der Sonde befestigt war und es mit steigender Höhe immer weniger Luftteilchen zur Wärmeabfuhr gab, heizte sich der Sensor sogar deutlich über die für die Stratosphäre typische Temperatur von ca. 0 Grad Celsius auf. Daher wurde in den schwarzen Temperaturgraphen die ungefähre tatsächliche Außentemperatur mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet, die die Experten von Stratoflight aus vergangenen Ballonflügen mit entsprechend 0 Grad Celsius angaben. Sobald der Ballon platzt, sinkt die Temperatur im Sinkflug des Ballons dann wieder bis auf -45 Grad Celsius, bevor der Ballon wieder in wärmere niedrigere Gefilde eintaucht, was der Temperatursensor wiederum mit steigenden Temperaturen quittiert.
UV-Licht
Mit steigender Höhe steigt der UV-Index relativ schnell, was der violette letzte Graph auch sehr schön anzeigt. Durch die vielen Rotationen, die beim Fall des Ballons nach dem Platzen stattfanden, könnte die etwas seltsam anmutende Form des Graphen im letzten Viertel bedingt sein. Hier sind noch einige Fragen offen. Jedoch sollten die UV-Werte nicht überinterpretiert werden, da eine sehr starke Filterung der doch ziemlich verrauschten UV-Daten notwendig war, um überhaupt einen solchen Trend wie den in der Grafik gezeigten sichtbar zu machen.
Radioaktivität
Selbst für die Experten von Stratoflight war das Hochschicken eines Geiger-Müller-Zählers eine Premiere. Dementsprechend verfolgten die drei Stratoflight-Mitarbeiter mit Begeisterung und Spannung die Idee, die Umsetzung und die Ergebnisse dieses Teilexperiments. Mit steigender Ballonhöhe steigt die Radioaktivität ziemlich deutlich an, was der blaue Graph sehr schön zeigt. Der Geiger-Müller-Zähler detektiert in 20km Höhe 25 Mal mehr Beta- und Gammastrahlung als am Boden. Die Strahlenbelastung liegt in Spitzenwerten bei bis zu 44 Millisievert pro Jahr. Zum Vergleich: Für unsere Breitengrade werden am Boden Werte von bis zu 1 Millisievert Strahlenbelastung pro Jahr angegeben. Die höchste Radioaktivität befindet sich laut unserem Messequipment (im Einklang mit bisherigen Forschungsergebnissen) im Bereich von 20 Höhenkilometern. Obwohl der Ballon noch bis auf 32,5 km steigt, nimmt die Radioaktivität wieder ab und bleibt solange unter dem Spitzenniveau, bis der Ballon nach dem Platzen wieder in die Region um 20 Höhenkilometern kommt und so auch der letzte Anstieg der Radioaktivität nach dem Platzen des Ballons entsteht, bevor die Radioaktivität wieder mit der Höhenabnahme gemeinsam abnimmt. Der Bereich, in dem der Ballon über die 20km Höhenmarke steigt und die Radioaktivität dementsprechend wieder abnimmt, wurde mit einem hellgrünen Kasten hinterlegt. Zu erklären ist dieses Phänomen damit, dass die sekundäre Strahlung durch den immer luftleerer werdenden Raum über 20 Höhenkilometern stetig abnimmt und der Ballon mit steigender Höhe hauptsächlich 'nur noch' der primären kosmischen Strahlung ausgesetzt ist.
Ein Blick auf die Sensoren
- Arduino UNO zur Steuerung des Geiger-Müller-Zählers
- Geiger-Müller-Zähler (als Bausatz geliefert und von Herrn Holtkötter zusammengelötet. Danke!)
- Breadboard für Steckverbindungen
- SD-Kartenmodul für den Geiger-Müller-Zähler
- Arduino-kompatibler Datenlogger mit SD-Karte für die übrigen Sensoren
- Sensor für Temperatur, Druck, Höhe, Gas, Luftfeuchtigkeit außen
- Sensor für Temperatur, Druck, Höhe innen
- UV-Licht und UV-Index Sensor
Video vom Flug
Moritz Rekers (7d) gehörte zu dem Team, das die Videodaten geschnitten hat. Hier ist sein Zusammenschnitt des Fluges:
