Erfolgreicher Moonbounce – Eine Reise zum Mond und zurück

„Ein kleiner Schritt für die Menschheit – ein großer Schritt für das Liborius-Gymnasium.“

Am 6.5.2024 um 7:52:32 UTC (9 Uhr 52 MESZ) erschien unser Signal aus dem Rauschen der Mondoberfläche auf dem Spektrum des Radioteleskops in Effelsberg. Auf unserem Weg zum 100-Meter-Spiegel des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Effelsberg (Eifel) legten wir eine Strecke von 718.076 Kilometern zurück. Eine langwierige und sorgfältig vorbereitete Mission fand damit erfolgreich ihren Abschluss. Doch nun Genaueres zum erfolgreichen Moonbounce-Experiment.

Ankunft der Wissenschaftler aus Bonn und Siegen
Vorbereitung der Workshops

 

 

Am Sonntag, dem 5. Mai, einen Tag vor unserer Veranstaltung, trafen Frau Tegethoff vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn und Herr Hardenacke vom Fachbereich Physik der Universität Siegen wohlbehalten nach einer langen und anstrengenden Anfahrt auf dem Schulhof des Liborius-Gymnasiums ein. Sie brachten die gesamte technische Ausrüstung für unser Moonbounce-Experiment mit: den Spiegel, die Sendeanlage und natürlich die Materialien für die Workshops. Im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2023 unter der Initiative „Moonbounce – eine Reise zum Mond und zurück“, haben das Max-Planck-Institut in Bonn und der Physikdidaktik der Universität Siegen die technisch aufwendige Sendeanlage und die didaktischen Materialien entwickelt und ausgearbeitet. Am frühen Abend wurden die Workshopräume eingerichtet und der Sender an dem vorbereiteten Standort am Sportplatz installiert.

Ein Tag später, um 7:30 Uhr am Montag, begannen die aktiv Beteiligten mit den letzten Vorbereitungen der Bühnentechnik. Der Spiegel und der Sender wurden auf dem Sportplatz aufgebaut und aufgrund des bewölkten Himmels nach terrestrischen Markierungspunkten ausgerichtet. Die Herausforderung bestand darin, den nur 0,5 Grad großen Mond am Himmel in die etwa 10 Grad breite Antennenöffnung einzustellen.

Technikteam in der Aula

Aufbau und Ausrichtung des Sendespiegels

"Der Mond ist aufgegangen..."

Pünktlich um 9 Uhr begann die Veranstaltung mit einem in diesem Jahr sehr populären szenischen Bild
„Zwei Männer in Betrachtung des Mondes“. Abweichend von Caspar David Friedrichs Motiv führten hier Frau und Herr Home einen „romantischen“ Dialog über die Erreichbarkeit des Mondes und den dort wohnenden Mann.

Kurze Zeit später erhellte der Bühnenspot die auf der Startrampe vorbereitete Saturn-V-Rakete. Die Titelmelodie aus dem Filmepos „Apollo 13“ von James Horner, begleitet von der Aufzeichnung des Original-Countdowns der Apollo-11-Mission der NASA 1969, erzeugte bei den anwesenden Gästen ein Gänsehautfeeling. Pünktlich mit der Ansage: „11, 10, 9, ignition sequence starts…“ zündeten die fünf Rocketdyne H-1-Triebwerke der ersten Stufe. An diesen „Special Effects“ hatte die AG Amateurfunk und Elektronik lange gearbeitet. Insgesamt 48 rot-orange Super-Bright-LEDs erhellten die Startrampe der Rakete. Planmäßig flackerten die Triebwerke unter Einsatz unserer Bühnen-Nebelmaschine bis zum Startkommando: „all engines running – Lift-OFF!“ Die Illusion war perfekt. So mancher wurde von unserer LEGO-Saturn-V-Rakete im Maßstab 1:100 in das historische Ereignis des Jahres 1969 zurückversetzt.

Start der Saturn V um 7:00 UTC

Video der Startsequenz

Eröffnung der Veranstaltung durch Friederike und Nils

Nachdem sich der Triebwerksrauch verzogen hatte und das Tageslicht die Zuschauerplätze wieder erreichte, eröffneten Friederike und Nils die Veranstaltung „Moonbounce“ mit der Begrüßung der Gäste. Die Liste war entsprechend lang. Besonders freuten wir uns über die Anwesenheit von Frau Tegethoff vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn und Herrn Hardenacke von der Sektion Physikdidaktik der Universität Siegen. Beide Institutionen ermöglichten uns ein solches Moonbounce-Ereignis im Rahmen des Wissenschaftsjahres überhaupt erst. Aber auch der Oberbürgermeister unserer Stadt, Herr Dr. Reck, folgte gern unserer Einladung in die Aula. Unser Schulleiter Herr Kraft, konnte leider nicht persönlich anwesend sein und richtete sich mit einer Grußbotschaft an die Gäste und Akteure unsere Veranstaltung.

So spektakulär ein Raketenstart auch ist – die Schülerinnen und Schüler der Astronomiekurse, des Leistungskurses Physik, der Gruppen des Freien Lernens und der AG Amateurfunk und Elektronik wollten die Zuschauer auf eine fachliche Reise zum Thema Mond und Moonbounce mitnehmen. In den folgenden 60 Minuten erfuhren unsere Gäste viel Wissenswertes zur Apollo-11-Mission, der zweiten kosmischen Geschwindigkeit, der Entstehung und Physik des Mondes, zum Dopplereffekt, der Signaldämpfung und vielem mehr. Dabei wurde auch der Einfluss des Mondes auf Literatur, Kunst und Musik beleuchtet und nicht zuletzt ein kritischer Blick auf Aberglauben und Werwölfe geworfen. Die Zeit bis zum Erstkontakt verging wie im Fluge.

Der Aufbau der Saturn V Rakete	Einblicke in Details der Mondoberfläche
Theorien der Entstehung des Mondes	Der Mond in Kunst, Literatur und Musik
Werwölfe und andere Mondmythen	Schwingungen, Frequenzen und Wellen
Dämpfung von Signalen beim Moonbounce	Der Dopplereffekt am Mond

Um 9:52 startete Till unter den erwartungsvollen Augen des Publikums die Kommunikation zum Spiegel auf unserem Schulhof. „DK0LG - sind wir bereit für den Start des Moonbounce-Experimentes?“ Nach dem „go“ des Sendeteams wurde der Countdown heruntergezählt. Das Publikum in der Aula zählte die Sekunden bis zum Eintreffen unseres Signals in Effelsberg. Circa 7 Sekunden mussten vergehen, bis sich im Spektrum des Radioteleskops, das zu diesem Experiment exklusiv in unsere Aula übertragen wurde, ein scharfer, sehr deutlich aufsteigender Peak ausbildete. Nach dem Verklingen des Beifalls fragten sich Friederike und Nils, warum das so lange gedauert hat. Müsste die Lichtlaufzeit nicht nur etwa 2,6 Sekunden betragen? Eine kompetente Antwort auf diese Frage erhielten wir dann noch in dieser Veranstaltung.

Unser Signal nach 800.000 km Wegstrecke

Live-Video unseres Moonbounces

Zuerst zeigte uns eine Gruppe des Physikleistungskurses, wie man die Lichtgeschwindigkeit mit einem (präparierten) Mikrowellenofen, etwas Scheiblettenkäse, einem Lineal und natürlich mit Kenntnissen in Physik auf immerhin ein Prozent genau bestimmen kann. Unsere Botschaft nach Effelsberg wurde dann in einer zweiten Startsequenz codiert in Morsecode vorbereitet und gesendet. Die sehr langsamen Morsezeichen bildeten sich sichtbar im Spektrum des Radioteleskops aus:

 ._..    ..    _…   _ _ _         ..   _ _      ._   ._..   ._..  (Libo im All).

Stehende Wellen in der Mikrowelle	Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit
Morsecode - der älteste Digitalcode	"Libo im All" - unsere Botschaft

Frau Tegethoff und Herr Hardenacke über das Projekt "Moonbounce"

Höhepunkt war der Beitrag von Frau Tegethoff, der viel Wissenswertes über die Aufgaben des MPI für Radioastronomie in Bonn und über die Moonbounce-Initiative im Rahmen des Wissenschaftsjahres übermittelte. Das Wecken der Begeisterung junger Menschen für Wissenschaft und Forschung sei das Hauptziel der Aktion. Dafür wartete das Institut in Bonn mit einem weiteren Highlight auf, eine Direktschaltung zum Kontrollzentrum des Radioteleskops in Effelsberg. In einer spannenden Videokonferenz konnten unsere Moderatoren Friederike und Nils für das Publikum interessante Fragen an den Leiter der Empfängertechnik in Effelsberg, Herrn Polch, richten. Dabei wurde auch die Dauer der Signallaufzeit geklärt. Unser extrem ausgedünntes Signal vom Mond beträgt nur den Bruchteil eines Femtowatts (0,0000000000000005 W). Um das überhaupt sichtbar zu machen, integriert man in Effelsberg die empfangenen Signale zeitlich. Der Rest der Verzögerung ist auf die Infrastruktur der Datenanalyse und Prozesse im Internet zurückzuführen.

Videokonferenz mit Effelsberg

Dankeschön an die Akteuere

Allen Beteiligten möchte ich an dieser Stelle noch einmal ein herzliches Dankeschön aussprechen. Ohne Frau Tegethoff (MPI für Radioastronomie in Bonn) und Herrn Hardenacke (Universität Siegen), die den weiten Weg nach Dessau auf sich genommen haben, wäre die Veranstaltung und das Experiment nicht möglich gewesen. Großer Dank gilt auch den Funkamateuren Dietmar (DL4HWO), Hans (DG1HVL), Alexander (DD5DX), Andreas (DG0HAB), Andreas (DL5CN) und nicht zuletzt unserem Hausmeister Herrn Körting, Frau Maack, dem Veranstaltungstechniker Herrn Roye und Constantin, sowie unserem Technikteam der Schule und allen aktiven Schülerinnen und Schülern.

Die vollbesetzte Aula

Abschlussfoto des Moonbounce - Teams

Missionskuchen und Torte sind Tradition

Unsere ehemalige Sekretärin Frau Schicht begleitete uns bisher bei jedem spektakulären Ereignis. Auch anlässlich unseres Moonbounce - Experimentes erschien sie zusammen mit ihrem Mann als Ehrengast in unserer Aula. Zur großen Freude unseres Teams überreichte sie am Ende der Veranstaltung eine liebevoll gestaltete "Moonbounce" - Torte. Auch unsere Moderatorin Friederike steuerte einen der Mondoberfläche sehr ähnlichen leckeren Kuchen bei. Der Fotograf musste sich mit diesem Schnappschuss ordentlich beeilen.

Was wird die nächste Aktion der AG Amateurfunk und Elektronik sein? Der Mensch ist ein Entdecker, er steckt sich immer neue Ziele ab. Warten wir es ab.

J. Home DK0LG – Schulstation des Liborius-Gymnasiums

Sendeexperimente über 800.000 km Entfernung

MDR Fernsehen - Moonbounce am Liborius-Gymnasium
 

RAN1 Fernsehen - Reise zum Mond und zurück 

 

Start der Saturn V

Berechnung der Triebwerke

Zu den sogenannten "must see" Ereignissen gehört mit Sicherheit das Verfolgen eines Raketenstarts auf den Startplätzen dieser Erde. Leider ist es nicht einfach, einen solchen Start zu erleben. Wetterereignisse, technische Probleme und nicht zuletzt die begrenzte Zahl an Zuschauerplätzen erfordern einiges an Beharrlichkeit, um die Meisterwerke der Technik einmal Live in den Himmel starten zu sehen.

Für unser Moonbounce-Ereignis am 6.Mai werden wir einen Saturn V Start in unserer Aula erfahrbar
machen. "Eine Reise zum Mond und zurück" heißt das Motto unserer Veranstaltung. Dafür arbeiten wir schon mehrere AG-Stunden an den Triebwerken der "Saturn V". 

Eine Gruppe lötet die 4x12 orangen und roten "Super-LEDs" zusammen. Über eine klassische Emitterschaltung werden die Triebwerke dann per Mikrocontroller gezündet. Dabei ist nicht nur Löttechnik gefragt. Ein zweites Team programmiert die Zündsequenz in einen Arduino, abgestimmt auf den Original-Count-Down des Apollo 11 Starts. Eine Nebelmaschine aus unserer Bühnentechnik sorgt für ein echtes "Start-Feeling". Somit wird am 6. Mai erstmals eine LEGO-Saturn V Rakete im Maßstab 1:100 den symbolischen Weg zum Mond antreten.

 

Genaue Anordnung des Triebwerksfeuers

5 - 4 -3 -2 -1 - All engines running

Der Mond über Dessau

 

 

 

J. Home - DK0LG

Neue Lötstationen - erste Erfahrungen

Unsere alten ERSA MS250

Es gibt Dinge im Leben, die halten gefühlt eine Ewigkeit. Im Jahr der Gründung der Elektronik-AG 2002, schaffte die Schule 10 ERSA Lötstationen MS250 an. Dazu gehörten zwei Lötkolben, ein 80W Kolben mit Bleistiftspitze für gröbere  Lötarbeiten und ein Feinlötkolben 12W für SMD Bauelemente.

Im Laufe der Jahre waren diese Stationen intensiv im Einsatz und haben Generationen von AG-Mitgliedern  beim Erlernen der Löttechnik begleitet. Die eine oder andere Station musste aufgrund der vorgeschriebenen Kontrolle ortsveränderlicher Elektrogerätetechnik ausgesondert werden. Dabei war niemals der Ausfall der Station die Ursache, vielmehr die Alterung der Leitungen und die damit verbundene Unterschreitung des Isolationswiderstandes. Bis heute befinden sich noch einige ERSA-Stationen im Einsatz!

Die "Neuen", ERSA i-CON PICO MK2

Jede ausgesonderte Station konnte dank Unterstützung der Schule durch neue (kostengünstigere) Stationen chinesischer Bauart ersetzt werden. Die Haltbarkeit und das Handling ließen jedoch stets zu wünschen übrig, unter dem Gesichtspunkt "Nachhaltigkeit" war dieser Ersatz immer nur eine Notlösung. Als zur Jahresversammlung des Distrikes "W" des DARC (Deutschen Amateur Radioclubs) im letzten Jahr signalisiert wurde, dass noch Gelder insbesondere für die Jugendarbeit des Vereines verfügbar sind, zögerte ich nicht, einen Antrag für die Unterstützung unserer Schulstation mit neuen Lötstationen zu stellen.

Die Anschaffung von zehn neuen Lötstationen wurde beantragt. Dieser Bitte kam unser Distrikt sehr gerne nach. Die von mir angedachten "kostengünstigeren" Stationen wurden schnell verworfen. Warum sollten es nicht wieder altbewährte ERSA-Stationen modernster Bauart sein? Eine Recherche brachte schnell Gewissheit, Qualität hat immer noch ihren Preis. Gut 200 Euro kostet eine moderne  ERSA i-CON PICO MK2. Die Leistungsparameter überzeugen aber: 

- ein ergonomischer leichter Lötkolben mit sehr kurzer Anheizzeit

- eine kleine Stellfläche, die wertvollen Arbeits- und Aufbewahrungsplatz spart

- Automatischer Standby-Zustand für geringeren Energieverbrauch und höhere Spitzenstandzeit

- eine große Auswahl an auswechselbaren Dauerlötspitzen mit leichtem Spitzenwechsel und

- komplette Parametrisierung mittels Computersoftware und Micro-SD-Karte

Erfreulicherweise erklärte sich die Firma ERSA bereit, die Anschaffung der Stationen für die Jugendarbeit in Vereinen und Schulen mit einem kräftigen Preisnachlass zu unterstützen. Als Gegenleistung möchte man einen kleinen Erfahrungsbericht unserer AG beim Einsatz der Stationen. Dieser Aufforderung kommen wir sehr gerne nach.

Einweisung im Umgang mit dem Spitzenwechselsystem

In der gestrigen AG-Stunde sollten die Lötstationen nun auf Herz und Nieren getestet werden. Die Schülerinnen und Schüler unserer AG lassen sich grob in drei Erfahrungsgruppen einteilen. Die Einsteiger im Schuljahr 2023/24 besitzen bereits grundlegende Löterfahrung und vertiefen ihre Fertigkeiten zur Zeit an kleineren Reißzweckenschaltungen. Die fortgeschrittenen AG-Mitglieder sind sicher im Umgang mit dem Lötkolben und können bereits komplexere Platinen sauber und sicher aufbauen. Unsere langjährigen Teilnehmer scheuen nicht den Umgang mit SMD-Bauteilen kleinster Abmessungen, können eigene Schaltungen am Breadboard entwickeln und auf Platinen jeglicher Art umsetzen.

Für den Test der Stationen gab es drei Anwendungsszenarien:

I)  der Einsatz der im Lieferumfang vorhandenen ERSADUR Lötspitze meißelförmig 1,6 mm in der selbstentwickelten Reißzweckenschaltung "Morsetaste", 

II) die Verwendung der dazugekauften ERSADUR Bleistiftspitze 1,0 mm in den klassisch verdrahteten Platinen der AATiS Bausätze "Weihnachtsstern AS118", "Ewiger Blinker AS166" und "Borsti AS104" 

III) und ein Austesten der Grenzen der Bleistiftspitze an dem mit SMD-Bauteilen ausgestatteten Bausatz "Polizeisirene AS131"

Trockenübung zum Spitzenwechsel

Zur Einführung wurde mit den Schülerinnen und Schülern der Umgang und Spitzenwechsel an den kalten und nicht angeschlossenen Lötstationen besprochen. Hier lag der Schwerpunkt auf dem neuen patentierten Spitzenwechsel Tip´n´Turn, das Einstellen der Temperatur im Betrieb und die Trockenreinigung der Lötspitze in der mitgelieferten Metallwolle. Alle Schülerinnen und Schüler kamen sofort mit dem Spitzenwechselsystem zurecht. Die Bedienung ist intuitiv. Einige wichtige Punkte sollten jedoch vorher geklärt werden. Grundsätzlich ist der Lötkolben bei Spitzenwechsel immer auszuschalten! Ein Abkühlen der Spitze zum Wechsel ist durch den Kunststoffring nicht mehr nötig. Die gewechselte Spitze gehört jedoch in die Mulde der Silikonablage, um ein Verbrennen der Finger nachträglich zu verhindern. Die Drehung des Ringes zum Spitzenwechsel sollte mehrfach "trocken" geübt werden, da bei nicht genügender Drehung leicht das empfindliche Heizelement mit entfernt wird.

Im Betrieb ist uns besonders positiv die schnelle Anheizzeit von zirka zehn Sekunden auf die Nenntemperatur aufgefallen. Mit unseren alten Lötstationen war da stets eine "Zwangspause" einzuhalten. Die Anzeige der Ist/Soll Temperatur offenbart auch das exakte Regelverhalten der Station. Kleine Temperaturänderungen lassen sich schnell über die beiden Taster an der Frontseite der Station herbeiführen. Der Lötkolben liegt leicht und ergonomisch in der Hand, dass Zuleitungskabel ist weich und verwindungsfrei und stört nicht beim Lötprozess.

Gute Wärmeübertragung in der Reißzweckenschaltung

Das Verzinnen der Reißzwecken mit der Meißelspitze beim Aufbau der Schaltung "Morsetaste" geschieht einfach und leicht. Dabei liefert die Meißelform eine optimale Wärmeübertragung auf den Kopf der Reißzwecke. Das übliche Auskühlen der Spitze bei unseren Altstationen tritt hier durch die schnelle Temperaturregelung  der  i-CON PICO MK2 überhaupt nicht auf. Dadurch kann der doch aufwendige Vorgang des Verzinnens zügig durchgeführt werden. Auch das nachträgliche Erhitzen der aufgebrachten Lötzinnmenge zum Einbinden der bedrahteten Bauteile geschieht schnell und problemlos. 

Unser Fazit: Die Station in Verbindung mit der Meißelspitze hat mit ihren 80W ausreichende Leistungsreserven zum Einsatz in Reißzweckenschaltungen. Insbesondere kleinere Unsicherheiten beim Ablauf "Erhitzen - Zinnzufuhr/-wegnahme - Entfernung der Spitze" verzeiht die Station locker. Damit verdient sie das Prädikat "Anfängergeeignet".

"Borsti" - Roboter in konventioneller Löttechnik

Der Aufbau der konventionellen verdrahteten Platinen gestaltet sich mit der Meißelspitze doch etwas schwieriger. Insbesondere für eng liegende Lötpads ist 1,6 mm Meißelform zu grob. Schnell wechselten die Schülerinnen und Schüler unserer AG auf die Bleistiftspitze. Jetzt gelang der Aufbau der Bausätze in sehr kurzer Zeit. Die Bausätze "Weihnachtsstern" und "Ewiger Blinker" wurden innerhalb der AG Zeit in etwa einer Stunde fertiggestellt.

Unser Fazit: Mit der 1mm Bleistiftspitze spielt die Station bei der konventionellen Leiterplattenbestückung ihre Stärken aus. Der kleine und leichte Lötkolben kommt bequem an jede Stelle der Platine, die Lötstellen gelingen zuverlässig und in gleichbleibender Qualität. Insbesondere die Lötkolbenreinigung erspart die aufwendige Neubeschickung der vormals mittels feuchtem Schwamm gereinigten Spitzen. Dadurch kann die Haltbarkeit der Spitzen verlängert werden. Die Bleistiftspitze wird sicher ständig an unseren Lötkolben verbleiben.

Die "Hohe Schule" der SMD-Technik

Zum Schluss noch ein Blick auf den Einsatz der Lötstation am SMD Bausatz. Gewiss stellt der
oberflächenmontierte IC im SO14-Gehäuse noch keine große Herausforderung dar. Als Lötzinn stand uns auch nur Zinn mit 1mm Durchmesser zur Verfügung. Bei üblicher Vorgehensweise (Verzinnen eines Pads, Fixieren eines IC-Beinchens durch Erhitzen und Schieben in die korrekte Position), konnten alle SMD- Verbindungen ohne Lötbrücken korrekt ausgeführt werden. Für kleinere Gehäuseformen müsste man jedoch auf 0,5mm Lötzinn und feinere Bleistiftspitzen umsteigen. Prinzipiell könnte man jedoch schülertaugliche Größen von 805 und 603 mit der vorhandenen Bleistiftspitze löten.

Insgesamt sind die neuen ERSA-Stationen begeistert in unserer AG-Gruppe aufgenommen worden. Auch den Anfängern gelangen die Lötstellen schneller und ohne lästige Wartezeit durch Nachheizen. Wir hoffen, dass uns die Stationen wie ihre Vorgänger, die MS250, lange erhalten bleiben und uns erfolgreich bei den nächsten Projekten begleiten werden.

Jens Home (DM4JH)