10. – 13. Schuljahr

Tobias Schüttler und Peter Groll

StratoIno

Ein Datenlogger für Stratosphärenballon-Missionen

Stratosphärenballons ermöglichen Messungen in großen Höhen bis über 40 km sowie einen faszinierenden Blick auf die Erde (s. Abb. 1 ). Die notwendige Technik ist mittlerweile verhältnismäßig erschwinglich. 1) Daher werden solche Missionen inzwischen nicht nur im Rahmen von Wettbewerben, wie die hier vorgestellten Missionen (s. [4]), 2) sonden auch in Schülerforschungs- und Unterrichtsprojekten der Sekundarstufe realisiert (s. [5] – [6]). Da jede Ballonmission u.a. aufgrund der sich ständig ändernden Wetter- und Umweltbedingungen einzigartig ist, ermöglicht sie den Akteuren die motivierende Erfahrung von authentischer Forschung. Technisch und organisatorisch herausfordernd sind neben der Vorbereitung der Mission vor allem der Start des Ballongespanns sowie die Sondenbergung.
Einbindung in den Unterricht
Im Fach Physik können u.a. Aspekte der Mechanik und der Thermodynamik behandelt werden, die für den Ballonauf- und -abstieg relevant sind. Hinzu kommen missionsspezifische Fragestellungen, die von der mitfliegenden Nutzlast abhängig sind. Eine Verknüpfung mit dem Geografie- und dem Informatikunterricht bietet sich an.
Die Durchführung von Stratosphärenballon-Missionen ist bei entsprechender Planung auch ohne professionelle Unterstützung möglich, unterliegt jedoch gewissen gesetzlichen Rahmenbedingungen. Zu Details der physikalischen, technischen und rechtlichen Hintergründe wurde ein Leitfaden [1] erstellt.
Ablauf einer Stratosphärenballon-Mission
Den prinzipiellen Aufbau des Ballongespanns inkl. Sonde zeigt Abbildung 2 . Ausgerüstet sind die Sonden meist mit kleinen Digitalkameras, die den Aufstieg filmen, mit verschiedenen Sensoren sowie mit einem sog. GPS-GSM-Tracker. Letzterer bestimmt die Position der Sonde (GPS) und übermittelt diese dann per Mobilfunk (GSM) an die Bergungscrew.
Der Ballon wird mit Ballongas oder Helium befüllt und trägt das Gespann in die Höhe. Bei seinem Aufstieg dehnt sich die Ballonhülle aufgrund des abnehmenden äußeren Luftdrucks immer mehr aus, bis sie schließlich in einer Höhe von bis über 40 km platzt. Die Sonde sinkt daraufhin vom Fallschirm gebremst zu Boden, wo sie mithilfe des GPS-GSM-Trackers geborgen werden kann.
Der StratoIno-Datenlogger
Für den sicheren Betrieb von Stratosphärensonden ist das Mitführen eines GPS-Datenloggers, der die Flugbahn der Sonde aufnimmt (s.o.), vorgeschrieben. Der Datenlogger StratoIno (s. Abb. 3 ) misst zudem Luftdruck, Temperatur und relative Luftfeuchte innerhalb sowie Temperatur und relative Luftfeuchte außerhalb der Sonde und liefert damit bereits einige relevante Messwerte für eine eigene Mission. Er basiert auf arduino-kompatiblen, kleinen und kostengünstigen Modulen von Adafruit sowie auf Software unter Verwendung der Standard-Arduino/Adafruit-Libraries.
StratoIno wurde so konzipiert, dass er möglichst einfach auch von Laien nachgebaut und erweitert werden kann. Da nicht alle Pins des Datenloggers verwendet werden, besteht zudem die Möglichkeit, den Logger bei entsprechenden Kenntnissen um andere Sensoren zu erweitern.
Programmierung
Alle Messwerte werden auf einer Mikro-SD-Karte in ein Logfile geschrieben. Um Datenverlust vorzubeugen, wird nach 100 Messungen immer ein neues Logfile geöffnet, sodass bei einem möglichen Ausfall der Stromversorgung nicht der gesamte Datensatz verloren geht.
Die Programmierung des StratoIno-Loggers wird in [2] ausführlich erklärt. Mögliche Fehler werden vom Logger durch Blinken der Status-LEDs angezeigt. Die Struktur der Logfiles wurde so gewählt, dass man die Daten einfach in Tabellenkalkulationsprogramme wie Excel importieren kann. Dort können sie dann zur Auswertung der Ballonmission weiterverarbeitet werden (s. z.B. Abb. 4 ).
Erfahrungen
StratoIno hat sich im Schülerwettbewerb „StratoSat“ 2) (s. [4]) vielfach als Messinstrument bewährt. Der Einsatz in großer Höhe bringt...

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