Hier werden nun die Messergebnisse unseres Wetterballons vorgestellt.

Weiterlesen: Ballonflug - Messergebnisse

Hier wird ansatzweise beschrieben, wie wir in der FIP-AG unser Messgerät für die Messung der Äquivalentdosisleistung gebaut und programmiert haben.

Der Geigerzähler

Für den Wetterballon haben wir einen Geigerzähler besorgt, der mit 3,3V Spannung betrieben werden kann. Auf der Platine ist ein Spannungswandler bereits integriert, die die erforderlichen 400V für das Zählrohr erzeugt, so dass man ein bisschen aufpassen muss, die spannungsführenden Leitungen nicht zu berühren.

Durch den integrierten Wandler kann man die Platine direkt mit einem Calliope betreiben, den wir in der Schule im Klassensatz zur Verfügung haben. Daher haben wir mit diesem Mikroprozessor angefangen, die ersten Experimente zur Vorbereitung durchzuführen. Zunächst haben wir einfach nur die Impulse gezählt:

Der Signal-Output des Geigerzählers wird dabei an Pin 1 des Calliopes geklemmt, die Spannungsversorgung an den Plus- und Minuspol des Calliopes.

Die Signal-Auswertung

Der Geigerzähler liefert nur Impulse, das heißt, dass das Signal kurz von 3,3V auf 0V fällt, wenn ein β oder γ - Ereignis detektiert wird. Wenn man innerhalb von einer Minute die Impulse zählt (counts per minute), kann man mit Hilfe der "CPM ratio" des Zählrohrs von 153.8 CPM/(μSv/h) die Äquivalenzdosisleistung ausrechnen. Doch man will ja nicht immer eine Minute warten, bis man einen Messwert hat...

Deshalb haben wir uns mit Hilfe der geometrischen Reihe überlegt, immer eine Sekunde die Impulse zu zählen, diese Zahl zu dem vorherigen Ergebnis hinzuzuaddieren und dann den Wert mit 60/61 zu multiplizieren. Dahinter steckt wohl ein Filter mit unendlicher Impulsantwort mit a₀=61, a₁=-60 und b₀=1, doch da die Mathematik dahinter doch etwas schwierig für die Schule ist, haben wir uns überlegt, unseren Filter experimentell zu überprüfen. Dazu gleich mehr.

Das Endergebnis ist hier zu sehen:

Um die Werte möglichst schnell auf dem Calliope auszugeben haben wir uns noch überlegt, die 5x5 LEDs auf der Platine zu nutzen, um die Messwerte im 6er-System auf dem Calliope auszugeben. Die Spalten dienen dabei als Stellen des 6er-Systems (6⁴, 6³, 6², 6¹ und 6⁰), und je mehr LEDs in der jeweiligen Spalte leuchten, desto höher der Wert an dieser Stelle. 

Test mittels Geiger-Zähler-Simulator

Um unser Auswerte-Programm zu testen, und um am Schulfest unsere Ergebnisse zu präsentieren, haben wir noch einen Calliope verwendet, um einen Geiger-Zähler zu simulieren. Dieser gab entweder zufällig oder in äquidistanten Zeitpunkten ein Signal wie das des Geiger-Zählers aus. Damit konnten wir überprüfen, ob unserer Auswerte-Elektronik wirklich richtig funktioniert. Über die Neigung des Calliopes und Druck auf Taster A konnte die Impulsrate verändert werden, Taste B bestimmt, ob die Impulse zufällig oder gleichmäßig getaktet werden.

Die Elektronik

Am Ende haben wir aber das Auswerteprogramm noch auf einen ESP8266 (D1 Mini) portiert, um dann zum einen die Messwerte zu speichern, zum anderen auch noch einen Beschleunigungssensor (GY-521 MPU-6050) auszuwerten. Das Programm kann mit der ArduinoIDE auf den D1 Mini geflasht werden. An Port D1 wird SCL und an Port D2 SDA des Beschleunigungssensors am I²C-Bus angeschlossen, Port D3 ist mit dem Geigerzähler verbunden. Und beide Sensoren müssen natürlich an GND und 3.3V angeschlossen sein. Es sollte ein WLan in der Nähe sein, dessen Einlogg-Daten im Programm vor dem Hochladen eingegeben werden müssen. Dadurch wird beim Start des ESP kurz die Uhrzeit synchronisiert, damit man später über die Uhrzeit die Höhe des Ballons nachschlagen kann. Nach dem Flug liest man die Daten aus dem ESP aus, indem man ihn am PC anschließt, ein Terminal-Programm nutzt und über die Reset-Taste die Ausgabe aller bisherigen Daten erzwingt (unter Linux funktioniert das mit moserial gut).

Den ESP und die Kamera haben wir dann parallel an die Powerbank angeschlossen, die Spannung hat den ganzen Flug prima ausgereicht.

Viel Spaß beim Nachbauen. Bei Fragen gerne an schieder(αt)cvo.nrw.schule schreiben.

 (zumindest auf dem Weg dorthin)

Eigentlich hätte er platzen müssen. Und an einem Fallschirm heruntersegeln. Dann wäre der Ballon sicher nicht fast 350km geflogen. 
Doch der Reihe nach: Alles fing mit dem Projektkurs "Beyond the Atmosphere" in der Projektwoche an. Nein, eigentlich schon vorher: In der Programmier-AG hatten wir uns bereits vor Wochen auf das Projekt vorbereitet, und die Auswerte-Elektronik für das Geiger-Müller-Zählrohr gebastelt und programmiert. Ziel sollte sein, die Radioaktivität auf dem Weg zur Stratosphäre zu messen. Denn in unserer Atmosphäre passiert so einiges: kosmische Strahlung wird absorbiert, Teilchen werden ionisiert und Sekundärstrahlung entsteht. Auf dem Weg nach oben verringert sich der Druck, die Temperatur ändert sich, selbst die Anziehungskraft der Erde bleibt nicht konstant. All das wollten wir näher untersuchen.

Zuvor besuchten wir das Meteorologische Institut der Universität Bonn, die uns über die aktuelle Forschung und die Messungen berichteten, mit denen die täglichen Wettervorhersagen berechnet aber auch langfristige Klima-Veränderungen untersucht werden. Und dass das Klima für unsere Zukunft eine wichtige Rolle spielt, weiß heutzutage ja bereits jedes Kind. Doch um das alles zu verstehen, ist ein Studium unerläßlich, bei dem auch ein Großteil aus Mathematik und Physik besteht. Unsere Projektgruppe durfte auch einige Experimente durchführen und das Wetter-Radar auf dem Dach des Instituts bestaunen.

Am Schulfest konnte dann endlich (nach mehreren Verschiebungen aufgrund des Wetters) unser Ballon gestartet werden. Dabei musste an tausend Sachen gedacht werden: Ist die Kamera und der Datenlogger eingeschaltet? Besteht ein Kontakt zum WLan, damit die Uhrzeit synchronisiert wird? Läuft der Server, der den Live-Stream der Kamera übertragen sollte? Wie schwer ist die Sonde, um genau zu berechnen, wieviel Helium in den Ballon eingefüllt werden muss? Funktioniert der GPS-Sender, der die Position des Ballons zurückmeldet? 

Irgendwann, nachdem alles gecheckt wurde, konnte der Count-Down beginnen, und als dann endlich eine Schere, die die letzte Schnur durchtrennen sollte, gefunden war, hob der Ballon ab. Durch den starken Wind wurde die Sonde noch gefährlich nah an die Bäume geblasen, diese wurden aber gerade so umschifft, so dass der Ballon immer höher stieg und letztlich nur noch ein kleiner Punkt am Himmel war. Auch der Live-Stream funktionierte, und alle Besucher des Schulfestes konnten live die Bilder der ersten Kilometer verfolgen, bis der Ballon außerhalb der Reichweite des Mobilfunknetzes war. Das letzte Signal der Sonde war aus 7,5km Höhe, wo der Ballon bereits eine Horizontalgeschwindigkeit von 176 km/h besass. Es war windig dort oben!

In der Nähe von Gießen sollte der Ballon eigentlich landen. So war die Vorhersage, welche aktuelle Winde sowie die Platz-Höhe des Ballons berücksichtigt. Denn die Luft wird da oben dünner (der Druck nimmt ab, würden die Physiker mit Hilfe der barometrischen Höhenformel ausrechnen), und nach dem idealen Gasgesetz dehnt sich der mit Helium gefüllte Ballon (unter Annahme konstanter Temperatur) aus und sollte dann platzen. Doch es kam ganz anders: Als die Sonde dann schließlich in der Nähe der tschechischen Grenze gefunden wurde, war der Ballon noch mit einem Rest Helium gefüllt. Vermutlich ist folgendes passiert: durch das Ausdehnen des Ballons schabte der Kabelbinder, so dass ein kleines Loch entstand. Dadurch sank der Ballon bereits ab einer Höhe von 28km, verpasste deshalb die in höheren Lagen wehenden Ostwinde und schwebte viel länger als geplant zur Erde.

Es gab noch ein Problem: Beim Landen verfing sich der Ballon in 30m Höhe in einer Kiefer. Die Sonde baumelte in 15m Höhe unerreichbar an der Schnur. Zum Glück halfen uns viele nette Menschen im Rathaus von Stockheim, einen Baumkletterer zu finden, der mit Hilfe eines Katapults die Sonde vom Baum holte.

Jetzt sind natürlich alle gespannt auf die Ergebnisse. Das dauert leider noch ein bisschen, aber eine wichtige Messreihe können wir schon veröffentlichen: Die Messung der Äquivalentdosisleistung in Abhängigkeit der Höhe über NN. Auf der Erde haben wir eine Dosisleistung von etwa 120 nSv/h (Nano-Sievert pro Stunde) durch natürliche Strahlungsquellen. Das ist vollkommen ungefährlich. Doch je höher man kommt, desto stärker wird die Strahlenbelastung. Das ist insbesondere für Piloten oder Flugpersonal wichtig, denn auf Dauer ist eine so hohe Exposition nicht gesund. Doch unsere Messung verrät noch mehr:

Ab einer Höhe von 19km nimmt die Strahlung wieder ab. Das ist das sogenannte Regener-Pfotzer-Maximum, welches darauf hindeutet, dass die gemessene radioaktive Strahlung in dieser Höhe erst entstanden sein muss. Das wird durch Stöße von schnellen Teilchen aus dem Weltall und der Sonne (Kosmische Strahlung) mit den Gasteilchen der Atmosphäre verursacht. Diese Strahlung nennt man deshalb auch Sekundäre Höhenstrahlung.

Weitere Daten und Messwerte sind hier einzusehen.

An dieser Stelle wollen wir uns nochmal herzlich bei und dem Förderverein des CvO bedanken, die das Projekt erst möglich gemacht haben.

Ein dunkler Kunstraum, mystisch-angestrahlte Wesen, gruselige Sounds: Der Q1-Kunstkurs von Frau Oczkowski präsentierte am 25.06.2024 die praktischen Abschlussarbeiten der Unterrichtsreihe zu Pieter Bruegel. Der Künstler, der vor allem in seiner Malerei „Engelsturz“ (1562) Mischwesen aus verschiedenen Tier- und Pflanzenkomponenten darstellte, bildete die Basis für eine Reihe an dreidimensionalen Kreationen der Schülerinnen und Schüler. Im Prozess der Ideenfindung wurden individuell viele Skizzen, auch aus unterschiedlichen Perspektiven und mit verschiedenen Farbgebungen erstellt. Im weiteren Verlauf ging es von der Einzelarbeit in eine kooperative Arbeitsform: Die Chimären wurden im Team erstellt, in dem die Schülerinnen und Schüler alle möglichen Herausforderungen gemeinsam meistern und eine Lösung für die praktische Umsetzung ihrer Figur finden konnten. Nach der Konstruktion aus Pappmaché und Salzteig wurden die mystischen Wesen bemalt und mit einem selbst produzierten Sound versehen. Beides konnte man in der Ausstellung sehen und hören. Die Objekte bildeten mit ihren unterschiedlichen Geräuschen eine Soundinstallation, die eine besondere Atmosphäre im Kunstraum schuf. Schülerinnen und Schüler aller Jahrgangsstufen haben die Ausstellung besucht und fanden sie „echt beeindruckend“, „man sollte das viel öfter machen“ (O-Ton einer Besucherin). Auch die Künstlerinnen und Künstler des Kunstkurses sind sehr zufrieden mit ihrem Werk, das sie erstmals der CvO-Öffentlichkeit gezeigt haben.
Danke an das fantastische Engagement des Q1-Kunstkurses und die Bereitschaft so vieler Schülerinnen und Schüler, Lehrerinnen und Lehrer des CvO, die Ausstellung zu besuchen!

Weiterlesen: Ausstellung des Kunstkurses Q1 „Gute und böse Chimären“

Die Präsentation vom Kennenlernnachmittag finden Sie hier.