Tagebuch Stratosphärensonde
Der Morgen des 6.9.2014 war ein sehr nebliger Morgen, eigentlich schade dachte ich mir, da ich ja auch Bilder der Umgebung des Aufstiegsplatzes machen wollte. Aber andererseits könnte es ja sein, dass sich der Nebel recht schnell wieder verzieht und zudem stört der Nebel den Aufstieg ja nicht – dachte ich zunächst.

Um 8:30 kamen wir am Flugplatz des MFC-Riedstadt an und luden erst mal alles aus, was wir an Material mitgenommen hatten. Danach wurde direkt eine große Plane am Startplatz ausgebreitet, die verhindert, dass der Ballon beim Aufblasen durch Strohhalme oder ähnliches beschädigt wird. Auf die Plane folgt dann der Sondenaufbau, bestehend aus dem Fallschirm, der 5 m nach dem Ballon an der Schnur befestigt wird, einem Radarreflektor nach weiteren 5 m und der Instrumentenbox am Ende der insgesamt 20 m langen Leine. Zu allerletzt wurde der Ballon ausgebreitet. Nach und nach kamen die ersten Helfer und wir konnten, nachdem alles fest mit der Halteschnur verbunden war, beginnen den Ballon mit Helium zu füllen. Das Helium ist eine Unterstützung der TU-Darmstadt, welches ursprünglich ein „Abfallprodukt“ von Kühlsystemen mit Flüssighelium ist, was eigentlich später wieder verflüssigt wird. Auf dem Platz stand also eine 20 l Flasche Helium mit 200 bar Druck. Zum Befüllen wurde der Druck mit einem Druckminderer auf 2 bar abgesenkt.

Nach ca. 5 Minuten war der Ballon befüllt, doch mir kam die Zugkraft etwas gering vor, auch wenn man bedenkt, dass die Schnur mehr wiegen wird, da sie wegen dem Nebel und der nassen Wiese recht feucht war.

Also habe ich noch etwas mehr Helium in den Ballon gelassen, also insgesamt ca. 2300 l. Nun konnte die Sonde versiegelt werden. Dazu muss man lediglich die Kugel, welche sich im Füllstutzen des Ballons am Ende eines kurzen Seils befindet, kräftig in den Latexschlauch des Füllstutzens ziehen.
Nach dem Versiegeln wurde auch die Leine am Ballon befestigt und noch mal zur Sicherung mit etwas Kabelbinder gesichert.
Da das Startfenster zwischen 10:00 und 11:00 Uhr lag, mussten wir noch etwas warten.
Um 10:20 Uhr habe ich dann das Service-Center Langen angerufen und die Startfreigabe um 10:35 Uhr erbeten. Dabei habe ich herausgefunden, dass am selben Tag in Süddeutschland eine zweite Sonde gestartet wurde. Was ein Zufall 😉
Natürlich habe ich die Startfreigabe sofort erhalten (Wir waren ja angemeldet (NOTAM)).
Nun wurde noch einmal die Sonde getestet, genauer haben wir überprüft, ob die Funkübertragung funktioniert. Dazu hat der Vereinskollege, der auch die Datenlogger- und Funkelektronik konzipiert hat, sein Auto in eine mobile Funkstation umgebaut. Er meinte, das Signal sei klar und deutlich und man könne den Morsecode gut decodieren.
Plötzlich rief unser Funker-Vereinskollege an, der hinter Darmstadt eine große Funkanlage mit riesigen Antennen betreibt. Er meinte, er höre die Sonde bereits und fragte, ob sie denn auch schon wirklich angeschaltet sei.
Es hat mich gewundert, dass er die Signale schon empfangen konnte, da der Funksender ja nur auf „Sichtkontakt“ konzipiert wurde und das Signal zu schwach ist, um durch Hecken, Häuser oder Berge hindurch aufspüren zu lassen. Aber gut, das machte schon mal Hoffnung, dass wir den Kontakt wohl nicht so einfach verlieren werden.
Nun wurde auch die Kamera eingeschaltet, das Wärmepad aktiviert und die Sonde versiegelt.
Um genau 10:35 Uhr wurde dann Stück für Stück gestartet. Als ich die Sonde dann los ließ, fiel mir auf, dass sie doch recht langsam stieg und erste Zweifel an den Berechnungen zogen auf. Stimmte die Heliummenge doch nicht? Immerhin war doch mehr Helium im Ballon, als zunächst geplant. Oder war die Gewichtsmessung falsch?
Schnell wurde klar, dass die Sonde zu schwer war, weil das Seil völlig von der nassen Wiese durchnässt war. Ob die Sonde mit dieser langsamen Startgeschwindigkeit ihre geplante Platzhöhe erreichen würde, war ungewiss.
Immerhin stieg sie stetig empor und blieb nicht in einer unerreichbaren Höhe von 5 m. Das wäre sehr tragisch gewesen.
Langsam verschwand sie im dichten Nebel und was uns blieb war nur der Funkkontakt und dank dem Morseencoder auch die Gewissheit, dass die Sonde an Höhe gewinnt!

Nach bereits zwei Minuten konnte ich schon keinen Kontakt mehr zum GPS-Tracker aufbauen, der ja mit dem Handynetz Daten überträgt. Das ist auch ein gutes Zeichen und zeigt an, dass sich der Ballon schon über dem Handynetz befindet.
Nun war warten angesagt. Nach einer halben Stunde war die genaue Datenübermittelung mit dem mobilen Gerät nicht mehr möglich, nur noch das Einpeilen mit der Yagi-Richtantenne. Wir erkannten (wegen dem Nebel war das visuell unmöglich) dass die Sonde wie geplant nach Norden flog.
Plötzlich wieder ein Anruf von unserem Funk-Profi: Er habe ein starkes Signal, wie ein Herzschlag, genau so regelmäßig. Für mich war klar, dass das nicht die Sonde war… Die Sonde gab immer einen sehr schnellen Morsecode gefolgt von einem langen Piepen ab. Also wurden die Frequenzen noch einmal auf der Suche nach dem beschriebenen Signal abgesucht und da war es dann: Über den Telefonhörer konnte ich das unverkennbare Piepen der Sonde hören und dann kam der lange Schlusspfiff. Das war sie!

Jetzt war wirklich klar, dass wir den Funkkontakt wirklich nicht so einfach verlieren konnten (solange die Sonde selbst funktioniert). Nun war es Zeit für eine kleine Kuchenpause.
Nach einer halben Stunde war dann auch der Nebel verschwunden und das Absuchen des Himmels mit Ferngläsern erschien erfolgsversprechend. Leider hatten wir keine Chance, der Ballon war schon zu weit weg.
Wir packten also ein und machten uns erst mal auf den Weg nach Hause, wo es zur Stärkung Würstchen gab. Hier konnten wir auch die etwas größere Funk-Empfangsstation aufbauen. Mit der Yagi-Antenne hatten wir dann auch Erfolg und konnten die Sonde tatsächlich hören! Mit einer App konnte mein Vereinskollege dann tatsächlich den Rufname der Sonde entschlüsseln, sowie Uhrzeit und Anfänge der Koordinaten, doch die schienen nicht zu stimmen: „50° Nord, das ist irgendwo hinter Frankfurt, das kann nicht sein…“. Da zur selben Zeit auch noch unser Nachbar lautstark Rasen mähte (die App nahm das Audiosignal auf und entschlüsselt den Morsecode), bat ich ihn, doch einmal kurz eine Pause zu machen, was er netter Weise auch tat, danke nochmal dafür 😉
Leider brach fast zeitgleich der Funkkontakt ab, da wohl ein Wackelkontakt im Kabel vorlag… Schade, da wir so direkt den Flug verfolgen, sowie die Landestelle direkt hätten finden können.
Nun war es still und wir hatten (mit Ausnahme unseres Funkkollegen) keinen Kontakt mehr.
Nach ca. einer halben Stunde rief dann der Vereinsvorsitzende an, er habe von Darmstadt-Eberstadt aus Sichtkontakt zur Sonde! Sie bewege sich zurzeit über Frankfurt und sei so ca. 20 km hoch.
Wir dachten sofort, das sei eine Hiobsbotschaft, da der Ballon zu dieser Zeit eigentlich schon längst hätte platzen sollen. Schnell kam wieder der Gedanke auf, die Sonde würde nie die Höhe zum Platzen erreichen und mehrere Male um die Erde fliegen…

Dieses Bild hat uns unser Vereinsvorsitzender zugesandt:

Nach einigen Minuten rief er wieder an und meinte, er sei geplatzt! Er konnte beobachten, dass der Ballon von einer Cumulus-Wolke bedeckt wurde und nachdem die Wolke vorbeigezogen war, war der Ballon nicht mehr da. Das ist ein klares Indiz dafür.

Schnell rief ich den GPS-Tracker an, doch wie schon so oft kam die Ansage „Der Mobilfunkteilnehmer ist zur Zeit nicht erreichbar“. Wir machten uns also einfach ins Blaue auf den Weg zur vorhergesagten Landestelle bei Babenhausen mit einem kleinen Zwischenstopp in Münster–Altheim am Bahnübergang. Noch immer hatte ich keinen Kontakt zur Sonde. Doch dann geschah etwas Unvorhergesehenes: kurz vor Altheim bemerkte ich, dass ich vor 5 Minuten angerufen wurde. Ich dachte nicht, dass der Anruf tatsächlich etwas mit der Sonde zu tun haben könnte. Als ich die Nummer auf meinem Anrufspeicher anrief, antwortete ein netter Mann sofort, er habe eine Stratosphärensonde in Frankfurt-Osthafen gefunden. Er habe sie auf der Straße vor der Wasserschutzpolizei bemerkt und sie sicher auf dem Bürgersteig deponiert, damit sie nicht überfahren wird. Einen Finderlohn wolle er nicht, da er ja immerhin dann wieder weitergelaufen sei.
Sofort sprachen wir uns in Altheim ab und fuhren nach Frankfurt, 21 km entfernt vom geplanten Landepunkt. Dass sie den Landeplatz nicht genau trifft war uns spätestens klar, nachdem wir gesehen hatten, wie langsam sie steigt.

Kaum am besagten Ort angekommen, sahen wir die orange lackierte Sonde mit Fallschirm, Radarreflektor und Resten des Ballons an einem Schild auf dem Bürgersteig liegen! Wir hatten sie tatsächlich gefunden!!!

Erstaunlich war, dass die Kamera immer noch Akkukapazitäten besaß. Das heißt, sie hat den Chip voll gefilmt! Schnell wurde uns jedoch klar, dass das Platzen des Ballons nicht auf dem Film zu sehen ist. Die Begründung ist folgende: Zunächst ist der Ballon zu langsam gestiegen, sodass die 3,5 Stunden Chipkapazität nicht bis zur Gipfelhöhe gereicht hätte. Doch wieso haben wir dann nur 2 Stunden Videomaterial? Das liegt daran, dass die Tests immer in dunklen Räumen, wie der Gefriertruhe durchgeführt wurden. Hierbei belichtet die Kamera länger und macht ca. 15 Bilder in der Sekunde. Draußen hingegen ist es hell und die Kamera schafft 30 Bilder pro Sekunde, angenehm fürs Auge, aber schlecht für die Speicherkapazität.
Aber immerhin, Videos hatten wir schon mal.
Sofort fiel bei der Kontrolle der Sonde auf, dass die Hülle des GPS-Trackers geplatzt war. Zunächst dachte ich, der Akku sei explodiert, doch das war zum Glück nicht der Fall, das wäre nämlich ne schöne Sauerei geworden. Vielmehr der Luftdruck war schuld. Die Hülle war dichter, als ich dachte und konnte sich so stark aufblähen, dass das doch recht feste Material zerriss. Bei dem Knall ist dann die Sim-Karte verrutscht und daher konnten wir zum Tracker keinen Kontakt mehr aufbauen.
Auch die Sonde hatte etwas vom Flug, vielmehr von der Landung abbekommen. Wie sich später bei der Auswertung herausstellte, kam die Sonde mit fast 30 km/h auf, da sich der Fallschirm im Ballonseil verfing. Dabei ist das Funkmodul aus der Halterung gesprungen. Auch das GPS-Modul des Datenloggers ist leicht aus der Halterung gerutscht, doch es funktionierte bis zum Schluss, da es immer noch Kontakt hatte.

Interessanter Weise hat die Sonde außen kaum einen Kratzer abbekommen. Man könnte sie direkt wiederverwenden 😉

Wir packten alles ein und fuhren nach Hause, wo wir dann die Daten ausgelesen haben.

Nun zur Auswertung: (Uhrzeiten in UTC!)
Verwendet wurden excel und Gnuplot.
Nur falls das einer meiner Profs liest: Die Fehlerbalken habe ich absichtlich weggelassen, damit die Übersicht nicht allzu sehr verloren geht 😉

Bild Höhe.

 

Hier ist die Höhe in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Man bemerkt, dass die Steigung zunächst nicht konstant ist und starke Schwankungen aufweist. Dies könnte man durch die Inversionswetterlage erklären. Zudem könnte teilweise durchdringende Sonnenstrahlung schuld an den Schwankungen sein, da sie die Ballonhülle erwärmt. Ab einer Höhe von ca. 2700 m wird die Kurve glatter und bekommt eine zunehmend größer werdende Steigung, bis sie letztendlich bei einem Wert von ca. 2,45 m/s konstant bleibt. Das ist in etwa der erwartete Wert von 2,5 m/s!

 

In dem Bereich, in dem die Kurve sich der besagten Steigung annähert, kann man das Abtrocknen der Leine förmlich direkt ablesen 😉

In einer Höhe von 26500 m geht‘s dann rapide abwärts, der Ballon ist geplatzt! Dies geschah um 14:28 MESZ. Das war kurz bevor wir von unserem Vereinsvorsitzenden angerufen wurden, als er uns das Platzen berichtete – er hat also tatsächlich unseren Ballon beobachtet!

Nun noch einmal die Daten als Geschwindigkeit gegenüber der Uhrzeit aufgetragen:

Man bemerkt, dass die Sonde kurz nach dem Platzen eine Spitzengeschwindigkeit von ca. 70 km/h aufwies! Dies liegt am fehlenden Luftwiderstand in dieser Höhe. Ein Fallschirm bringt dort recht wenig.
Die Abstiegsgeschwindigkeit nimmt dann recht schnell exponentiell ab und ist dann bei ca. 30 km/h am Boden. Wir müssen also noch etwas am Fallschirm verbessern, wenn wir ein zweites Projekt dieser Art durchführen wollen (was wohl für nächstes Jahr ansteht).
Hier fällt ebenfalls die konstante Geschwindigkeit ab einer Höhe von ca. 2700 m auf.
Hier ist ein Ausschnitt der konstanten Geschwindigkeit:

 

Legt man eine Gerade (grün) durch die Messpunkte, kann man am linken Bildrand den y-Achsenabschnitt ablesen. Er beträgt ca. 2,35 m/s. Das liegt ebenfalls im Rahmen der Messungenauigkeit.

 

Dieser Ausschnitt zeigt die Schwankungen in der Geschwindigkeit kurz nach dem Start. Bei ca. 9:11 Uhr UTC fällt auf, dass die Geschwindigkeit kurzzeitig extrem hoch ist (ca. 4 m/s). Ab diesem Punkt funktionierte auch unser Drucksensor nicht mehr richtig und sättigte bei ca. 800 hPa, was ein sehr unnatürlich hoher Druck für letztendlich fast 27 km wäre. Diese Anomalie müssen wir noch klären…

 

Nun zur Temperatur:
Wir hatten als eines der Hauptziele angeführt, dass wir den Unterschied zwischen Troposphäre, Tropopause und Stratosphäre anhand der Temperatur feststellen wollen.
Die Troposphäre wird mit zunehmender Höhe immer kälter. In der Tropopause ist die Temperatur annähernd konstant niedrig und in der Stratosphäre steigt die Temperatur wieder an.
Genau dieses Verhalten konnten wir aufzeichnen:

Man bemerkt, dass die Temperatur zunächst etwas schwankt, da z.B. die Sonde vor dem Start angefasst wurde. Als sie dann aufsteigt, steigt zunächst auch die Temperatur, ein Anzeichen für die Inversionswetterlage. Ab ca. 1000 m sinkt die Temperatur dann fast konstant mit der Höhe auf einen Tiefstwert von knapp -42°C.Dort bleibt sie dann fast konstant bis zu einer Höhe von 16000 m. Dies ist der Bereich der Tropopause. An diesem Tag begann die Stratosphäre also bei ca. 16 km Höhe und liegt im erwarteten Bereich von 8-18 km! Ab hier steigt die Temperatur wieder! Wir erhalten eine maximale Temperatur von -4,5°C in der Gipfelhöhe von 26,5 km. Es ist schon fast wieder angenehm da oben ^^
Dann platzt der Ballon und wir müssen den Graph von rechts nach links lesen, da die Höhe wieder abnimmt. Der Temperaturverlauf beim Fallen ist kaum vom Steig-Temperaturverlauf zu unterscheiden, bis in einer Höhe von 11000 m. Ab hier steigt die Temperatur wieder. Wir erkennen eine Hystereseschleife, bei der sich die „Abstiegs-Temperaturkurve“ deutlich von den vielen Aufstiegs-Messpunkten abhebt. Sie liegt konstant tiefer, als beim Aufstieg. Das liegt daran, dass der Temperatursensor beim schnellen Fall seine Temperatur nicht so schnell an die Umgebung anpassen kann. Vor allem kann er sich nicht so schnell aufheizen. Durch Schwarzkörperstrahlung ist er beim Abkühlen wohl effektiver, weshalb sich seine Messwerte in den großen Höhen nicht in beiden Fällen unterscheiden.

 

Die GPS-Daten konnten wir auch verwerten. Mit Hilfe von Google-Earth können wir den genauen Weg des Ballons aufzeichnen und erhalten folgende Grafik:

Man sieht, wir haben den Flughafen Frankfurt gut umflogen 😉

Hier findet man die gesamte Mission und die Filmaufnahmen als kurzer Film zusammengefasst:

Und hier nochmal vielen Dank an alle Unterstützer!