Montag, 7. März 2016

Die Nutzlast

gehaeuseNutzlastSchirmDie fertige Platine von Sputnik 1 muss natürlich für die Anforderungen in 15 Kilometer Höhe vorbereitet werden. Um diese Jahreszeit dürften die Temperaturen etwa -60 °C betragen, der äußere Luftdruck liegt bei etwa 200 hPa. Als Schutz vor dieser extremen Kälte verwenden wir eine Styroporkugel mit einem Durchmesser von 8 Zentimetern. Leider gibt es solche Kugeln nur noch als Vollmaterial, also muss sie geschickt geteilt und ausgehöhlt werden. Wer Styropor kennt, weiß was das für eine mühsame Arbeit ist.
sputnikDiscoveryIn 15 Kilometer Höhe wird die Nutzlast dann nach dem Platzen des Ballons zur Erdoberfläche hin beschleunigt und könnte ungebremst zur Gefahr für Mensch und Material werden. Deshalb wurde von Anfang an ein Fallschirmsystem eingeplant, projektiert und entwickelt. Die Nutzlast soll nicht schneller als etwa mit einer Geschwindigkeit von 3 Metern pro Sekunde landen. Der Fallschirmdurchmesser wurde mit ca. 50 cm maximale Kantenabmessung als Sechsecktyp festgelegt. In Fallversuchen mit Äquivalentmassen stellte sich die erwartete Geschwindigkeit auch ein.

Der Ballon


BallongasUm mittels eines Ballons eine Nutzlast in die oberen Schichten der Atmosphäre zu bringen, benötigt man ein Füllgas, dessen Dichte geringer als die der umgebenden Luft ist. Optimal wäre das "leichteste" Gas Wasserstoff, dass mit einer Normdichte von 0,09 kg/m³ einen Auftrieb von 1,2 g pro Liter liefern kann. Desweiteren kann man Wasserstoff kostengünstig erzeugen und billig erwerben. Allerdings geht von einer Wasserstofffüllung eine erhebliche Gefahr aus, die aus der hohen Entzündungs- und Explosionsfreudigkeit resultiert. Die vielen Unglücksfälle der Zeppeline zeigen das hohe Gefahrenpotential von Wasserstoffballonen.

Für unsere Arbeitsgemeinschaft kam deshalb nur das ungiftige und unbrennbare Helium in Frage. Als zweitleichtester Stoff mit einer Normdichte von 0,14 kg/m³ kann es immer noch zirka 1,15g Auftrieb pro Liter erzeugen. Der Unterschied zum Wasserstoff ist vernachlässigbar, die Handhabung des Gases ist viel einfacher und sicherer. Leider ist Helium auf der Erde ein äußerst seltenes Gas, die Preise schwanken sehr stark. Zur Zeit muss man für einen Liter Helium etwa 10 Cent bezahlen. Deshalb ist eine Bedarfsrechnung sehr wichtug, um die Kosten gering zu halten.

Bedarfsrechnung:
  • Masse des Ballons + Fallschirm + Nutzlast = 100g + 5g + 50g = 155g
  • Mindestgasmenge (Schwebezustand) V=155l (etwa 1g pro Liter Gas angesetzt)
  • Auftriebszuschlag 100g (etwa 1 Newton) für Steigen mit v=3-5m/s etwa V=100l
80cmWir benötigen etwa 255 Liter Gas, also 0,255 m³. Im Versandhandel gelang es uns glücklicherweise, für knapp 38€ 0,48m³ Helium in einem Einwegbehälter zu erwerben. Die Menge sollte deutlich ausreichen. Hoffentlich ist die Reinheit des Gases gegeben, da Luftbeimengen den Auftrieb herabsenken können, sodass eine größere Füllmenge nötig wäre.
Für den anzusetzenden Ballondurchmesser ergibt sich nun aus dem Kugelvolumen etwa 80 cm (V etwa 268 Liter). Zunächst planten wir den Einsatz eines Riesenpartyballons, der recht kotengünstig zu erwerben ist. Ein glücklicher Umstand ergab sich durch eine Auktion im Internet. Dort gelang der Kauf dreier Wetterballons der Firma Totex.
Die Ballons haben eine Masse von 100g, der empfohlene Startdurchmesser von 80-100cm passt genau in unsere Kalkulation. Vorteil solcher professionellen meteorologischen Ballone ist die Qualität des Latex und damit die garantierte Platz (Burst) - höhe. Unser Ballon in der Farbe Rot wird sehr gut visuell verfolgbar sein und hat eine Bursthöhe von 10000-15000 Metern. Dabei wird er seinen Durchmesser nahezu verdoppeln!
In der AG nutzten wir einen der drei Ballone zum Training der Ballonfüll-Crew. Was sind 80 Zentimeter Durchmesser, passt die Öffnung auf unser Füllventil? Wie verschließt man den Ballon effektiv? Alle diese Fragen mussten beantwortet werden. Mit einer Luftfüllung wurden die Bedingungen und die Handhabung simuliert. Ob unser Gas gut ist und die Auftriebsberechnungen stimmen, können wir aus Kostengründen erst am 5.12.2014 beantworten!
Wir wünschen uns für den Start optimales Wetter und hoffentlich die Freigabe des Luftraumes. Ergebnisse der Mission werden später veröffentlicht.
So klingt er:
BallonOK

Sputnik 1 - Die erste Ballonmission


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Bau der Nutzlast

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Schaltungsentwicklung

Sputnik 1 ist eine nur 50 Gramm kleine Nutzlast für einen Wetterballon. Über eine Oszillatorschaltung und ein ISM-Funkmodul wird ein Temperaturwert in ein rhythmisch moduliertes Funksignal umgewandelt. Sputnik 1 wurde von 2013 bis 2014 in unserer AG entwickelt und wartet auf seinen erfolgreichen Start am 5.12.2014 um 15.30 MEZ auf unserem Schulhof. Ein Klick auf die Grafiken liefert Interessantes über die "Sputnik 1"- Mission! 
BallonButton
Der Ballon

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Empfangsstationen