8. – 13. Schuljahr

Tobias Schüttler und Sebastian Plamauer

Ein Bordcomputer für Wasserraketen

Zugänge zur Mechanik mit Raketen

Wasserraketen bieten einen kostengünstigen und motivierend spielerischen Zugang zu einer Vielzahl physikalischer Themen. Das Funktionsprinzip ist einfach: Eine zur Rakete umfunktionierte PET-Flasche wird zu etwa einem Drittel mit Wasser gefüllt und mit der Öffnung nach unten auf einer Startrampe befestigt. Nun wird in den oberen luftgefüllten Teil der Flasche mit einer Standluftpumpe Luft gepumpt, bis ein Überdruck von etwa 5 bar erreicht ist. Nach dem Lösen der Rakete von der Startrampe stößt die Pressluft zunächst das Wasser aus der Rakete und entweicht anschließend selbst (s. Abb. 1 ). Der Rückstoß ist bei geeigneter Dimensionierung so groß, dass die Rakete Höhen von 50 m und mehr erreicht.
Mittlerweile gibt es kostengünstige, zuverlässige Wasserraketensysteme (z.B. [1]), die mit geringem Aufwand durch Sensoren erweitert werden können. Mit solchen können u.a. Luftdruck, Beschleunigung und die Rotation der Rakete gemessen werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Sensordaten zur Steuerung eines Fallschirmsystems zu nutzen.
Ein Bergungssystem für Wasserraketen
Das hier vorgestellte Wasserraketensystem wurde im DLR_School_Lab (Schülerlabor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen) im Rahmen des Experiments „Mobile Raketen Basis entwickelt (s. https://www.dlr.de/schoollab/Desktopdefault.aspx/tabid-1991/2841_read-4396/). In Anlehnung an die „echte Forschung der Abteilung MORABA wurde es in den vergangenen 15 Jahren viele Tausend Mal im praktischen Einsatz mit Schülerinnen und Schülern ab der 8. Klasse erprobt und verbessert. Es besteht aus einer 3D-gedruckten, dreiteiligen sog. Fallschirmbucht mit Öffnungsklappe, PET-Flaschen-Adapter und einer Steuereinheit, die neben dem Mikrocontroller und verschiedenen Sensoren einen kleinen Akku sowie ein Mikroservo zum Öffnen der Bucht beinhaltet (s. Abb. 2 ).
Das gesamte System kann z.B. im Rahmen einer AG hergestellt werden. Die fertige Rakete ist anschließend im regulären Unterricht einsetzbar. Alle benötigten Dateien für den 3D-Druck und zur Programmierung des Bordcomputers sowie die Kontaktdaten der Autoren für weitergehende Fragen findet man unter [2].
Das System kann zusätzlich mit einer Mikrokamera für Außen- und Innenaufnahmen ergänzt werden, um im Inneren der Rakete während des antriebslosen (Parabel-)Flugs Mikrogravitationsexperimente zu filmen.
Bau der Fallschirmbucht
Die Kunststoffteile können entweder selbst gedruckt oder bei Firmen (z.B. [3]) 1) in Auftrag gegeben werden. 2) Die Kosten für alle Kunststoffteile, den Fallschirm und das Mikroservo zum Öffnen der Fallschirmbucht belaufen sich bei externer Fertigung auf etwa 100 €.
Bordcomputer
Das Mikrocontrollerboard basiert auf einem arduino-kompatiblen Prozessor mit drei 3-Achs-Sensoren (Beschleunigung, Drehrate und Magnetfeld in drei Raumrichtungen; s. [4]). Zudem verfügt es über einen µSD-Karten-Slot und ein Mikro-USB-Ladegerät für den Akku. Eine sinnvolle Ergänzung ist ein Multisensor [5], der Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchte misst. Die Kosten für den Bordcomputer mit Multisensor und Anschlusskabel (s.a. Abb. 3 ) liegen bei etwa 70 €.
Die Lötarbeiten beschränken sich darauf, den Multisensor und ein Buchsenkabel für das Steuerservo anzubringen. Die Pin-Belegung und ein Beispielprogramm können [2] entnommen werden.
Einsatzmöglichkeiten
Einfache PET-Flaschen-Raketen ermöglichen auch ohne Bordcomputer und Bergungssystem die Untersuchung des Raketenflugs. Im Physikunterricht können sie als Demonstrationsexperiment beispielsweise zu Themen der Newtonschen Mechanik vorgeführt werden (s. dazu auch die Sicherheitshinweise in Kasten 1). Dabei kann der Raketenflug als senkrechter Wurf mit oder ohne Luftwiderstand modelliert werden.
Kasten 1|Information: Sicherheitshinweise
Kasten 1|Information: Sicherheitshinweise
Bei allen...

Weiterlesen im Heft

Vorteile im Abo

Exklusiver Online-Zugriff auf die digitalen Ausgaben der abonnierten Zeitschrift
Print-Ausgabe der abonnierten Zeitschrift bequem nach Hause
Zusatzvorteile für Abonnenten im Online-Shop genießen