21.02.2024

Aufstieg in die Stratosphäre

Schulisches Projekt lässt Forschungssonde mit Heliumballon bis in dreißig Kilometer Höhe steigen.

Hoch hinaus geht es beim Projekt „Forschungsmission Stratosphärenballon – Physik am Rande zum Weltall“ des St. Dominikus Mädchengymnasiums Karlsruhe und der Pädagogischen Hochschule Karlsruhe (PHKA). Schülerinnen sowie Lehramtsstudierende der Physik ließen auf dem Engländerplatz in Karlsruhe einen mit 5000 Litern Helium gefüllten Ballon von der Größe eines Kleinwagens in die Stratosphäre aufsteigen. An Bord: eine Forschungssonde mit rund zwei Kilogramm Messausrüstung, um unter anderem Temperatur, Luftdruck, radioaktive Strahlung und CO2-Gehalt zu erfassen.


Abb.: Die Forschungssonde in der Stratosphäre
Abb.: Die Forschungssonde in der Stratosphäre
Quelle: PHKA

Nach geglücktem Start stieg der Ballon mit einer Geschwindigkeit von fünf Metern pro Sekunde auf und erreichte eine maximale Höhe von 29.540 Metern Höhe. Auch die Bergung war erfolgreich. Die Forschungssonde ist intakt, nach erstem Augenschein konnten alle Messdaten ausgelesen werden. Schon jetzt steht fest, dass die minimale Außentemperatur bei minus 60,3 Grad lag. Wie prognostiziert, legte die Sonde – vom Wind getrieben – einen Weg von rund 100 Kilometern zurück. Gelandet ist sie in Eningen unter Achalm östlich von Reutlingen und konnte dort aus einem Baum geborgen werden. Mitglieder des Projektteams – darunter auch Schülerinnen – hatten sich kurz nach dem Ballonstart mit mehreren Autos an die Fersen der Forschungssonde gehängt, um sie zu bergen und nach Karlsruhe zurückzubringen.

Ergebnisse der Forschungsmission werden nach Auswertung der Messdaten sowie des Foto- und Videomaterials noch im Frühjahr nachzulesen sein. Hier stehen auch Infos über den bisherigen Projektverlauf zur Verfügung. Das Projekt ermöglicht Schülerinnen verschiedener Jahrgangsstufen, die Besonderheiten der Erdatmosphäre durch eigene Experimente zu erforschen, und PHKA-Lehramtsstudierende der Physik haben Gelegenheit, die Vermittlung von Physik in der Praxis zu erproben.

Forschungsfragen sind unter anderem: Wie ist die Temperatur in der Stratosphäre? Nimmt die CO2-Konzentration in der Höhe zu oder ab? Welchen Einfluss hat die Höhe auf den Luftdruck und wie wirkt sich das aus? Können wir messen, dass unsere Atmosphäre uns vor der radioaktiven Strahlung der Sonne und aus dem All schützt? Erarbeitet wurden die Forschungsfragen zusammen mit den Schülerinnen.

PHKA-Lehramtsstudierende der Physik betreuen seit Herbst 2023 eine entsprechende AG am St. Dominikus Mädchengymnasium Karlsruhe, Auftaktsitzung war am 8. November. Die AG findet wöchentlich am St. Dominikus Mädchengymnasium Karlsruhe statt. Das Projekt „Forschungsmission Stratosphärenballon – Physik am Rande zum Weltall“ läuft bis März 2024. Beteiligt sind 18 Schülerinnen und neun Studierende. Der Aufstieg des Ballons wurde mehrmals simuliert, außerdem haben bei Besuchen ein Fluglehrer sowie ein Fluglotse ihre Expertise eingebracht. Die Leitung des Projektteams haben Tina Schulze, Physiklehrerin am St. Dominikus Mädchengymnasium Karlsruhe, und Tobias Ludwig, Leiter des PHKA-Instituts für Physik und Technische Bildung.

Die Ballonhülle besteht aus Naturlatex, wiegt zwei Kilogramm und wurde mit 5000 Litern Helium befüllt. Das Befüllen dauerte rund 25 Minuten. Erreichen kann der Ballon eine maximale Höhe von rund 40 Kilometern, also die Stratosphäre, die ungefähr den Bereich zwischen 15 und 50 Kilometern Höhe umfasst. Aufgrund des geringeren Drucks in der Stratosphäre zerplatzt der Ballon und fällt – gebremst durch einen kleinen Fallschirm – auf die Erdoberfläche.

Die Forschungssonde inklusive Messausrüstung wiegt 1,8 Kilogramm und hat die Größe eines kleinen Mineralwasserkastens. Gebaut haben sie die Schülerinnen. An Bord der Sonde befanden sich zwei Ortungsgeräte, die den Standort per Mobilfunknetz übermittelten. Das funktioniert aber in größerer Höhe nicht mehr. Deshalb wurde zusätzlich ein Satellitentelefon mit auf die Reise geschickt, das die Position der Sonde alle zwei Minuten übermittelte. Außerdem an Bord waren eine 360-Grad-Kamera sowie eine normale Kamera, um beeindruckende Bilder der Erde vor dem Schwarz des Universums aufzunehmen und das Platzen des Ballons zu filmen. 

Die Messtechnik besteht überwiegend aus handelsüblicher Elektronik. Diese hat unter anderem die Geschwindigkeit über Grund gemessen, Aufstiegs- und Sinkgeschwindigkeit, Flughöhe, Temperatur, Feuchte und Druck. Außerdem sind zwei besondere Geräte mitgeflogen: ein CO2-Messgerät sowie ein modernes Gammaspektrometer im Taschenformat, das radioaktive Strahlung mit einer Energie von bis zu drei Megaelektronenvolt erfassen kann.

PH Karlsruhe / DE


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