Forschungsmission: Stratosphärenballon – Physik am Rand zum Weltall

Bei dem Projekt „Forschungsmission Stratosphärenballon – Physik am Rand zum Weltall“ handelt es sich um ein Bildungsprojekt im Bereich der Schulphysik und Physiklehrkräftebildung im Zeitraum von Oktober 2023 bis März 2024.

Ziel des Projekts ist es, im Rahmen eines außerunterrichtlichen AG-Angebots für Schülerinnen des St. Dominikus Mädchengymnasiums Karlsruhe den Aufstieg eines Ballons in die Stratosphäre (ca. 40 km oberhalb der Erdoberfläche) zu ermöglichen. So sollen nicht nur schöne Bilder entstehen, sondern auch Experimente durchgeführt werden, die den Mädchen die Besonderheiten unserer Atmosphäre und unseres Planeten verdeutlichen. So werden zum Beispiel Temperatur, CO2-Gehalt, Druck, Strahlung etc. mit aufsteigender Höhe gemessen und ausgewertet.

Angeleitet wird die AG von Lehramtsstudierenden der Physik, die auf diese Weise ihr bereits theoretisch erworbenes Wissen über die Vermittlung von Physik in der Praxis erproben können. Bei dem Projekt profitieren beide Seiten - die Schülerinnen, die über einen längeren Zeitraum ein besonderes Physikprojekt bearbeiten und erste eigene Forschungsideen umsetzen, und die Studierenden, die dadurch ihre Lehrerfahrungen vertiefen – hier insbesondere in der Projektarbeit. Darüber hinaus soll das Projekt natürlich auch viel Spaß machen und Interesse und Motivation am Fach Physik fördern.

Unser Team besteht aus 18 Schülerinnen, neun Studierenden und zwei Dozent:innen. Die Flugrichtung ist klar: Aufwärts!

Am Montag, den 29. Februar, begannen bereits um 7.30 Uhr die Vorbereitungen für den Aufstieg des Stratosphärenballons. Alle Beteiligten trafen sich im Gebäude des St. Dominikus Gymnasiums, um die Sonde endgültig zu wiegen, die benötigte Heliummenge sowie voraussichtliche Flugroute des Ballons zu berechnen. Außerdem wurden die Experimente für den Flug vorbereitet, d.h. die Flügel der Sonde wurden mit einem UV-Stift beschriftet, der Schaumkuss an der dafür vorgesehenen Halterung befestigt und die Reagenzgläser mit einem Rosmarinzweig, Ethanol und Schokolade befüllt.

Am Startort Engländerplatz angekommen wurde der Ballon mit ca. 5000 Litern Helium befüllt und die Sonde endgültig zusammengebaut. Gegen 10.30 Uhr waren es nur noch wenige Minuten bis zum Start und der Engländerplatz füllte sich mit Zuschauern. Sonde und Ballon wurden miteinander verknotet und der Stratosphärenballon war startklar.
Um 10.35 Uhr war es dann soweit, ein gemeinsamer Countdown ertönte und der Ballon stieg erfolgreich in die Luft! Besonderer Höhepunkt: Dr. Steffen Wagner (Schulpraxis PH) begleitete den Ballon ein Stück mit seinem Sportflugzeug.
Unmittelbar danach machte sich das Team auf den Weg zum vorgesehenen Landepunkt des Ballons. Am Zwischenziel bei Reutlingen angekommen, erreichte uns gegen 13 Uhr zum ersten Mal wieder das Signal der Sonde über die Satellitenkommunikation – wir standen günstig! Der Landepunkt der Sonde war nicht weit von der vorhergesagten Position entfernt.
In Eningen unter Achalm angekommen, erblickten die Schülerinnen den Fallschirm in einem Baum zwischen zwei Hochhäusern und die Sonde direkt darunter. Die Stimmung war ausgelassen und die Freude groß! Noch vor Ort sichteten wir die ersten Aufnahmen unserer beiden Kameras -  Atemberaubend! Nun sind wir gespannt, welche Messergebnisse wir durch unseren Flug erhalten haben und welche Ergebnisse unsere Experimente zeigen.

Das komplette 360° Video von dem Flug findet sich hier.

Am Mittwoch wurden die letzten wichtigen Tests für den bevorstehenden Start des Stratosphärenballons durchgeführt. Um den genauen Ablauf des Startvorgangs zu simulieren, wurden zwei Testballone, die  kleiner als der eigentliche Wetterballon sind, mit Helium befüllt.

Der genaue Ablauf vom Beginn des Befüllens bis zum Aufsteigen des Ballons wurde mehrfach geübt und durchdacht. Insbesondere die korrekte Ausführung der Startschnur, ohne dass sich die Sonde vom Ballon losreist, wurde intensiv geübt. Um einen reibungslosen Ablauf des Starts zu gewährleisten, wurden die spezifischen Aufgabenbereiche für den Start so aufgeteilt, dass jeder Teilnehmer Experte für seinen Aufgabenbereich ist und ein gelingender Start ab sofort nur noch vom Wetter abhängig ist.

In dieser Woche war Teamarbeit gefragt. Die Schülerinnen übernahmen verschiedene Aufgaben, um die endgültige Sonde für den bevorstehenden Start fertig zu stellen. Die Messgeräte mussten ihren Platz im Inneren der Sonde finden, der eine ausreichende Isolierung, eine ausreichende Stromversorgung für alle Geräte und aussagekräftige Messergebnisse gewährleistet. Oberhalb der Sondenabdeckung wurde der Satellitentracker befestigt, unter der Sonde die Experimentierplattform. Damit eine Beobachtung des Versuchs möglich ist, wird die Experimentierplattform während des Fluges von einer der beiden Kameras gefilmt. Die zweite Kamera wird im Laufe der Woche installiert. Die 360°-Kamera wird atemberaubende Bilder unserer Erde aus der Stratosphäre aufnehmen. Dabei bildet sie, wie der Name schon sagt, die komplette Umgebung des Wetterballons ab.
Die Sonde ist startbereit und wir sind gespannt, wann der Stratosphärenballon aufsteigen wird. Das hängt leider auch stark vom Wetter ab. Aber heute haben wir schon die Genehmigung von der Luftfahrtbehörde bekommen! 

Diese Woche hatten wir Besuch von Dr. Steffen Wagner, einem Dozent der PH Karlsruhe und Fluglehrer an der Flugschule Baden. Dr. Wagners Fachwissen bot den Schülerinnen die Möglichkeit, sich in einer aufschlussreichen Sitzung über Luftfahrt, Meteorologie und Flugplanung auszutauschen.

Dafür haben sich die Schülerinnen größtenteils mit Meteogrammen auseinandergesetzt. Diese ermöglichen den Schülerinnen, aktuelle und wichtige Informationen wie Windverhältnisse, Bewölkungsgrad, Niederschlagsmengen und Temperaturen zu erfahren. Somit erweisen sich Meteogramme als unverzichtbare Hilfsmittel für unser Projekt, da sie uns einen detaillierten Überblick über die Flugbedingungen in den Tagen vor dem Flugstart liefern. Der Nachteil ist, dass wir mit Hilfe von Meteogrammen die Wetterbedingungen leider erst einige Tage im Voraus vorhersagen können.

Wir warten also gespannt auf grünes Licht für den Aufstieg unseres Ballons und hoffen, dass das Wetter mitspielt, ohne dass unser Ballon, wie derzeit vorhergesagt, bis nach Passau abdriften muss.

An diesem Mittwoch hatten wir einen "Special Guest", Robin Weiss, zu Besuch. Robin arbeitet als Fluglotse bei der Deutschen Flugsicherung in Karlsruhe und gab uns einen Einblick, wie der Flugverkehr über Deutschland gesteuert wird. Das ist für uns wichtig, denn der Flug unseres Stratosphärenballons muss natürlich angemeldet werden, damit die Flugzeuge im Umkreis Bescheid wissen. So lernten wir nicht nur, was ein NOTAM ist (eine Meldung an die Flugzeuge im Umkreis über den Aufstieg unseres Ballons), sondern lernten auch, an welche Bedingungen wir uns für den Flug halten müssen. Außerdem haben wir erste Flugversuche mit unserer Sonde unternommen. Damit die Sonde nach dem Platzen des Ballons wieder heil auf der Erde ankommt, haben wir den Fallschirm an eine Sonde angebaut und geprüft, dass er sich richtig öffnet. Dazu haben wir die Sonde samt Fallschirm aus dem vierten Stock des St. Dominikus Gymnasiums geworfen - mit Erfolg!

Damit haben sich nun alle Schülerinnen der AG auseinandergesetzt. Dazu haben wir ein Experiment durchgeführt, bei dem wir den Einfluss von Kohlenstoffdioxid auf die Temperatur in unserer Atmospähre untersucht haben. Dazu haben wir die Temperatur in zwei Modellatmosphären gemessen. Eine Atmosphäre wurde jedoch besonders präpariert und dazu mit CO2 versetzt. So konnten wir feststellen, dass je mehr CO2 in der Atmosphäre vorhanden ist, auch die Temperatur schneller steigt. Grund für dieses Probeexperiment waren Forschungsfragen der Schülerinnen, die mit dem Flug in die Stratosphäre beantwortet werden sollen. Unter anderem stellen sie sich die Frage, ob und inwiefern der CO2-Gehalt in der Stratosphäre den Treibhauseffekt auf der Erde beeinflusst. Dafür werden sie während des Fluges die Veränderungen des Treibhausgases mit steigender Höhe bis in die Stratosphäre mithilfe eines CO2-Messgeräts messen und im Anschluss auswerten.

Damit wir Equipment und Experimente mit in die Stratosphäre schicken können, brauchen wir eine Sonde. Diese wurde von den Schülerinnen mithilfe von Anleitungen gebaut. Um am ende die perfekte Sonde zu erhalten, wurden mehrere Exemplare konstruiert.

Parallel dazu schauten sich Schülerinnen der Experimentiercrew einen Teil der Messgeräte genauer an. Sie setzten sich mit der Funktionsweise des CO2-Messgeräts und des Datenloggers auseinander sowie der Auswertung der erhobenen Daten.

In der heutigen Sitzung ist der statische Auftrieb für die Schülerinnen erfahrbar geworden. Nachdem sie einen mit Helium gefüllten Geburtstagsballon mit Massestücken in einen schwebenden Zustand gebracht haben, wurde das Volumen des Ballons mithilfe des archimedischen Prinzips ermittelt.

Analog hierzu wurde das benötigte Volumen des Stratosphärenballons für 2 kg Payload und 2 kg Eigengewicht berechnet. Um den Ballon mit einer Geschwindigkeit von 5m/s in die Stratosphäre aufsteigen zu lassen, berechneten wir eine benötigte Menge von 5309 L Helium. Das sind ca. 5 Würfel mit einer Kantenlänge von 1 m!

Heute haben sich die Schülerinnen des St. Dominikus Mädchengymnasiums Karlsruhe erstmals mit den Lehramtsstudierenden im Rahmen der AG getroffen. Der Auftakt dieses Projektes erwies sich mehr als positiv, spannend und informativ. Die Schülerinnen erarbeiteten gemeinsam mit den Studierenden die Rahmenbedingungen für einen erfolgreichen Flug des Stratosphärenballons. Dabei diskutierten sie eine Vielzahl an Materialien, kreativen Ideen, Handlungs- sowie Planungsschritten.