Höher als der Everest

Es ist der alles entscheidende Tag im Juli 2019: Auf dem großen Parkplatz der Fachhochschule Kiel füllt eine kleine Gruppe Menschen einen weißen Ballon mit über 4000 Liter Helium. Sie tragen Schutzhandschuhe, knien am Boden, müssen dem Zug des immer größer werdenden Ballons standhalten. Noch eine kurze Kontrolle, dann geben sie ihr Flugobjekt frei. Schräg steigt der Ballon gen Himmel, unter ihm ein meterlanges Seil, an dem eine Styroporbox um die senkrechte Achse rotiert. Alle halten den Atem an, als der Ballon samt Ladung an einer Hauswand vorbeifliegt — doch zum Glück geht alles gut. 

Wenig später verschwindet er zwischen den Wolken. Die Reise des Wetterballons der Studierenden der FH hat begonnen. 

Mit meteorologischen Wetterballonen erkunden Forscher*innen seit Ende des 19. Jahrhunderts verschiedene Bereiche der Atmosphäre. Der Ballon wird heutzutage mit Helium gefüllt, steigt zwischen 30 und 45 Kilometer in den Himmel auf, platzt und fällt zurück auf die Erde, wobei er von einem Fallschirm abgebremst wird. Spezielle Messgeräte in einem Nutzlastpaket, die mit den Ballonen in den Himmel geschickt werden, ermöglichen es, Daten aus den extremen Höhen festzuhalten. 

 

Christian Hennig ist Master-Student der Elektrischen Technologien mit dem Schwerpunkt auf Mechatronik am Fachbereich Informatik & Elektrotechnik. Für ein Projekt im Modul Industrielle Messtechnik von Prof. Dr. Eisele entschieden sich Christian und seine Kommilitonen Jacob Lefflerund Björn Frese für eine Messaufgabe mit einem Wetterballon. „Das Ziel des Moduls ist es, extreme Messbereiche und Messmethoden zu analysieren“, erklärt Christian, der als Leiter des Teams fungierte. „Wir entschieden uns, einen Wetterballon aufsteigen zu lassen, um extreme, unwirtliche Messbereiche für Temperaturen, Druck und Luftfeuchtigkeit zu untersuchen.“ Während sich ein anderes Team innerhalb des Moduls lieber in die Tiefe begab und Messungen unter Wasser in der Schwentine durchführten, stand für das Team um Christian schnell fest, dass es in die Luft gehen sollte. Da Christian und Jacob seit Jahren im Segelflug in der Akaflieg Kiel e.V. und dem Luftsportverein Kiel e.V. aktiv sind und als ausgebildete Privatpiloten Erfahrungen und nützliche Kontakte mitbringen, sind sie für diese Aufgabe bestens vorgebildet und kennen sie sich mit der Meteorologie aus. 

Für ihren Versuchsaufbau mussten die Studierenden einige Vorarbeit leisten: Über Wochen bereiteten sie die Messtechnik vor, nahmen diese in Betrieb, organisierten weiteres Material, überwanden administrative Hürden wie die rechtlichen Vorgaben der Landesluftfahrtbehörde und einer verpflichtenden Versicherung, bereiteten den eigentlichen Start vor und werteten nach erfolgreichem Start die gewonnenen Daten aus. 

„Zunächst mussten wir festlegen, welche Messelektronik und Sensorik wir verbauen, die wir mit einem Ballon in die mittlere Atmosphäre senden wollten“, so Christian. „Unter anderem darf die Technik in der Höhe aufgrund der Temperaturen und des geringen Luftdrucks nicht ausfallen, was durchaus passieren kann, wenn zum Beispiel Batteriezellen von geringer Qualität verbaut werden.“

Das Team der Studierenden entschied sich für einen redundanten Aufbau. Das bedeutet, dass sie unabhängig voneinander messende Systeme einsetzten. Zwei Raspberry Pi Mikrocomputer, Sensoren für die Druck- und Luftfeuchtigkeitsmessung, ein GPS-Datenlogger und zwei GPS Tracker fanden in der Box, der sogenannten Payload, Platz. Jedes System verfügte über seine eigene Spannungsversorgung. Auch eine Pi Kamera und eine ActionCam, nach unten und seitlich ausgerichtet, gehörten zur Fracht. 

„Die gesamte Payload und der Fallschirm zusammen sollten höchstens ein Gewicht von ungefähr einem Kilogramm für einen stabilen Flug bei unserem ausgewähltem Wetterballon besitzen, sodass die Messtechnik dementsprechend eng im begrenzten Raum der Payload verbaut wurde“, sagt Christian. „Mit den ‚Flügeln‘ an den Seiten stabilisiert sich die Payload dann im Flug.“ 

Die FH-Studierenden konnten für ihren Versuchsaufbau auf die Unterstützung ihres Dozenten Prof. Dr. Eisele und dessen wissenschaftlichen Mitarbeiter und Ingenieur Dominik Hilpert zählen. Ganz besondere Hilfe erhielten Christian, Jakob und Björn auch von zwei Physikern aus dem Extraterrestrischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. „Es war eine hochengagierte Zusammenarbeit, für die wir sehr dankbar sind“, sagt Christian im Namen der Gruppe. „Die Physiker der CAU, Stephan Böttcher und Jonas Zumkeller, versorgten uns mit speziellem Material, standen beratend zur Stelle und konnten uns auch beim Start des Ballons tatkräftig zur Hand gehen. Ihr Fachwissen und ihre Erfahrung im Bereich der Wetterballontechnik hat einen erfolgreichen Projektablauf garantiert.“ Auch konnten die FH-Studierenden an der CAU zwei Wochen vor dem geplanten Start einen Thermalvakuum-Test durchführen, der Druck- und Temperaturwerte der anvisierten Höhe simuliert. Die Elektronik bestand die Generalprobe ohne Probleme. 

Auf dem fast dreistündigen Aufstieg erreichte der Wetterballon etwas über 40.000 Höhenmeter, tauchte also bis in die Stratosphäre ein. Damit konnten die Studierenden Daten aus einer Höhe erfassen, die etwa das viereinhalbfache der Höhe des Mount Everest ausmacht und ungefähr vier Mal höher liegt als die durchschnittliche Flughöhe eines Linienflugzeugs. Während der Ballon durch die Troposphäre und damit Temperaturen von bis zu minus 50 Grad Celsius gleitet, steigt die Temperatur ab rund 15-18 Kilometern Höhe wieder an: In der Stratosphäre, die die zweite Schicht der Erdatmosphäre ausmacht, wird die UV-Strahlung der Sonne aufgrund der Ozonschicht in Wärme umgewandelt. Daher sind am oberen Ende der Stratosphäre in 50 Kilometern Temperaturen von bis zu 0 Grad möglich. Diese Filterfunktion der Ozonschicht schützt das Leben auf der Erde vor einem erheblichen Teil der UV-Strahlung.

„Wir konnten beeindruckende Bilder machen, hunderte Kilometer weite Sicht über Fehmarn, Langeland, Kopenhagen, Schweden und die Spitze von Skagen. Aber unsere Bilder zeigen auch, wie dünn unsere Atmosphäre ist“, zeigt sich Christian beeindruckt. 

Via Smartphone behielten die Studierenden ihren Ballon im Auge, bis das stetig gesendete GPS-Signal abbrach. „Wir gingen von einem linearen Aufstieg aus und erwarteten den charakteristischen Temperaturverlauf“, erläutert Christian.

Nach etwas weniger als vier Stunden des Wartens stellte sich der Kontakt zum Ballon wieder ein, nachdem dieser bei einem Durchmesser von ungefähr zwölf Metern platzte und nach seinem einstündigen Abstieg in die untere Atmosphäre zurückfiel. „Es ist wichtig, den Kontakt zu erhalten, damit man genau verfolgen kann, wo die Nutzlast mit dem Fallschirm landet. Ohne Kontakt sind keine Koordinaten verfügbar, was eine Bergung der Payload nur schwer möglich macht. In einem solchen Fall müsste man hoffen, dass sie gefunden wird und man über die angebrachten Kontaktdaten über den Landeort informiert wird.“ 

Von seinem Startpunkt vom Parkplatz der FH flog der Wetterballon mit seiner Ladung über den Plöner See, drehte dann nach Westen ab über Neumünster und platzte ungefähr nördlich von Hohenweststedt in über 40.000m Höhe. Christian, Jakob und Björn gingen davon aus, den Ballon westlich vom Tierpark Neumünster abzuholen, doch die Payload mit Fallschirm landete in der Nähe des Flugplatzes Itzehoe/Hungriger Wolf. Dort bargen die Studierenden und ihre Helfer die Überreste des Ballons und die Payload mit denMessdaten. 

Das Fazit: „Wir haben Extremmesswerte von nur 1 Hektopascal an Druck gemessen, an der Spitze des Mount Everest herrschen im Vergleich dazu 325,4 Hektopascal und auf Meereshöhe ein Durchschnitt von 1013,25 Hektopascal“, legt Christian dar. „Die kälteste Temperatur war minus 50 Grad Celsius und als niedrigste Luftfeuchte konnten wir ein Prozent festhalten, wobei die Messung der Luftfeuchte wegen der Messbedingungen sicherlich fehlerbehaftet ist. Diese Daten können wir jetzt mit Werten aus der Fachliteratur abgleichen, um die gemessenen physikalischen Größen der Atmosphäre zu analysieren.“ 

Die Studierenden freuen sich über den erfolgreichen Verlauf ihres Projekts: „Wir haben den organisatorischen Aufwand gemeistert, die physikalische Gesetze durch Simulationen nachempfunden und den Umgang mit extremen Messmethoden erlernt. Nur als Team konnten wir diese Ziele erreichen und den Start ermöglichen. Und wir haben somit erfolgreich mit unserem Ballon etwa ein Zentel der Höhe der Internationalen Raumstation ISS in der Erdumlaufbahn erreicht!“, resümiert Christian.