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Projekt Stratosphäre | Trail 2 Plus Test auf 27.000m

Das Projekt “Stratosphäre” ist eine Zusammenarbeit von TwoNav mit GoStem, einer gemeinnützigen Organisation, deren Ziel es ist, junge Schülerinnen und Schüler für MINT-Berufe (Wissenschaft, Technik, Ingenieurwesen und Mathematik) zu begeistern.

Bei TwoNav engagieren wir uns gerne bei Projekten, die unsere Ideale teilen, und dazu gehört auch die Erforschung der neuesten Technologien. Aus diesem Grund haben wir beschlossen, uns an diesem Projekt zu beteiligen, um eine Stratosphärensonde gemäss der technischen Verfahren der NASA zu entwickeln.

Dies erforderte die Anwendung von Konzepten, die eng mit dem GPS-Design verbunden sind: Technik, Mathematik, Physik, Design und Kommunikation. Es war das ideale Projekt, um unseren neuen GPS Trail 2 Plus zu testen und die zukünftigen Ingenieure, die eigentlichen Protagonisten dieser Herausforderung, zu unterstützen.

Ziel 27.000m ü. M. Die Sonde

Wir hatten ein großes Ziel: Wir wollten unser neues GPS Trail 2 Plus extremen Bedingungen aussetzen, indem wir es, an einem mit Helium gefüllten Ballon befestigt, auf eine Höhe von 27.000m ü. M. bringen.

Die GoStem-Schüler bauten von Grund auf eine sogenannte Stratosphärensonde, bestehend aus einer Kapsel für die Videokamera und einem Vorbau zur Befestigung des GPS. Zudem benötigte die Sonde einen kleinen Fallschirm für eine gebremste Rückkehr auf die Erde nachdem der der Ballon auf der vorgesehenen Höhe in der Stratosphäre platzte.

In dem Workshop haben die Schülerinnen und Schüler die Struktur der Kapsel, zum Schutz der Kamera vor extremen Temperaturen mit Thermopapier ausgekleidet, gebaut und den Fallschirm nach eigenen Berechnungen und Entwürfen erstellt und dabei viel über luftfahrttechnische Probleme gelernt.

Die Struktur musste das Gewicht der Videokamera und ihrer zusätzlichen Batterien (da niedrige Temperaturen die Batterien schnell aufbrauchen), sowie das Gewicht unseres GPS (220 g) tragen. Außerdem mussten die Gewichte gleichmäßig verteilt werden, um einen stabilen Aufstieg zu garantieren.   

Der Aufstieg

Nachdem die Kapsel und der Fallschirm gebaut waren, kam der Moment der Wahrheit: die Befestigung dieser an einem Heliumballon und der Aufstieg in die Stratosphäre – wohlmöglich der aufregendste Moment des gesamten Projekts!

Um sowohl den idealen Tag, als auch den idealen Startpunkt zu bestimmen, mussten wir zunächst die Wettervorhersagen studieren. Es musste ein Tag sein, an dem die Winde sowohl an der Oberfläche als auch in der oberen Atmosphäre nicht zu stark sind, um nicht zu viele Kilometer zwischen Start- und Landepunkt zurücklegen zu müssen.

Nach der Wahl des idealen Tages folgte die Wahl eines geeigneten Punktes für den Start. Hierfür wurde die Website http://predict.habhub.org/, um den Flugverlauf des Ballons zu auf Basis der Windvorhersagen an der Oberfläche und in den oberen Schichten der Atmosphäre zu simulieren.

Der voraussichtliche Landepunkt der Sonde muss weit entfernt von bewohnten Gebieten und von großen Waldgebieten liegen, um die Suche und Bergung der Sonde zu erleichtern. Wir haben die erwarteten Aufstiegs- und Fallgeschwindigkeiten eingegeben, welche wir anhand der Gewichte und des Heliumvolumens des Ballons ermittelt haben, und es war schnell  klar:  der ideale Startpunkt befand sich auf einem Feld in der Nähe der Stadt Bellcaire d’Urgell.

Das GPS

Alle unsere GPS-Geräte erfüllen die Norm MIL-STD-810 für Temperatur, Schock-Absorption, Wasserdichte und Vibrationsabsorption, aber noch nie zuvor war ein GPS-Gerät so extremen Bedingungen ausgesetzt worden, wie in der Stratosphäre herrschen:  Temperaturen von -56ºC, starke Winde ab 8.000 m Höhe und einem Fall zurück auf die Erde aus 27.000 m Höhe über dem Meeresspiegel. Es war also eine ziemliche Herausforderung für uns.

Und das Ergebnis hätte nicht zufriedenstellender sein können! Das GPS kehrte in perfektem Zustand zum Boden zurück, sogar die Batterie hielt fast 3 Stunden lang, nachdem sie extrem niedrigen Temperaturen (-56ºC) ausgesetzt war. Es ist bekannt, dass niedrige Temperaturen dazu führen, dass sich Akkus schneller entladen als üblich. Im Falle unseres Trail 2 Plus wurde die übliche Sicherheitswarnung „niedriger Akkustand“ ausgelöst, aber das Gerät funktionierte trotz der widrigen Wetterbedingungen weiter einwandfrei.

Im Gegensatz zum GPS wurde die Videokamera, die es begleitete und welche sich bei der Landung aufgrund der hohen Lufttemperaturen am Landepunkt (+40ºC) ausgeschaltet hat. Dies beweist, dass unsere GPS-Geräte sowohl hohe als auch niedrige Temperaturen, in diesem Fall von -56ºC bis +40ºC, problemlos überstehen.

Außerdem konnten wir dank SeeMe den Flug der Sonde live verfolgen, solange es das Handynetz zuließ, und den genauen Landepunkt erfahren, als das GPS wieder in den Netzabdeckungsbereich eintrat.

Jetzt können wir stolz sagen, dass unser GPS die Stratosphäre erkundet hat!

Die Landung

Sobald wir die ersten Informationen erhielten, als das GPS zu fallen begann, war es an der Zeit, den Flugplan genauer zu studieren, um den Ort der Landung vorherzusagen und uns diesem zu nähern.

Die Fallgeschwindigkeit war etwas schneller als erwartet, denn aufgrund des Luftmangels in den oberen Schichten der Stratosphäre begann der Fallschirm der Sonde erst beim Eintritt in die Atmosphäre den Abstieg zu verlangsamen.

Als wir an dem übermittelten Ort ankamen, war die Sonde bereits gelandet. Wir mussten nur noch die empfangenen Koordinaten in unser Handheld-GPS eingeben und uns auf die Suche nach der Kapsel machen, um die beeindruckenden Bilder zu genießen, die die Kamera unseres Trail 2 Plus beim Flug durch die Stratosphäre aufgenommen hatte.

Flugdaten von unsere Stratosphärensonde und dem Trail 2 Plus GPS:

Allgemeine Daten:

Maximale Höhe: 27.000m
Gesamtdauer des Fluges: 02:55:00
Geflogene Entfernung: 69,71 km
Durchschnittliche horizontale Geschwindigkeit: 23,5 km/h
Mindesttemperatur: -56ºC
Höchsttemperatur: 40ºC

Aufstiegsdaten:

Dauer des Aufstiegs: 02:24:00
Durchschnittliche vertikale Aufstiegsgeschwindigkeit: 3,1 m/s

Abstiegsdaten:Dauer des Abstiegs: 00:31:00
Durchschnittliche vertikale Abstiegsgeschwindigkeit: 14,5 m/s

Unser Dank gilt GoStem, das uns bei der Konstruktion, dem Design und der Rechtsberatung unterstützt hat, sowie allen Schülern, die zur Teilnahme an diesem Projekt ermutigt wurden und ohne die unsere Herausforderung nicht möglich gewesen wäre.