< Vortrag zum Balloonprojekt von OE6NCE

Zusammenfassung des Ballonprojekts: Strato 2017

Projekt Strato 2017 … einmal Stratosphäre und zurück. Hier ist die ultimative Zusammenfassung dieses wundervollen Projekts.

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“Dreihundertfünfzig Schüler, Lehrer und Gäste warten gespannt im Innenhof der HTL Kapfenberg auf den langersehnten Start der beiden Ballone welche die Schüler aus zwei Klassen der Fachrichtung Elektrotechnik in mühevoller Kleinarbeit entworfen, gebastelt und getestet haben.

 

Fünf, Vier, Drei, Zwei, Eins – Los gehts. Der erste Ballon mit dem Kennzeichen OE6XLD wird losgelassen und macht sich auf den Weg in die Stratosphäre. Kurz darauf wird der zweite Ballon mit dem Kennzeichen OE6XG-6 gestartet um ebenfalls Daten wie Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Position über APRS an alle interessierten Stationen zu übermitteln.

 

Bis es allerdings so weit kommen konnte war viel Vorbereitungsarbeit notwendig ...” berichtet OE6NCD (Christian Nimmrichter) im Rahmen eines sehr interessanten Vortrages über dieses erfolgreiche Projekt am 09. November 2017 in Leoben.

 

Ja, es tut sich was in der Amateurfunkszene rund um Leoben. Ich (OE6GUE) möchte in diesem Artikel eine kurze Zusammenfassung über das erfolgreiche Stratosphärenprojekt geben und auch unsere gewonnenen Erkenntnisse daraus vorstellen.

 

 

Von der Idee zum Projekt

 

Also – Angefangen hat es (für mich) am zweiten Freitag im Mai 2017 als Christian Nimmrichter (OE6NCD) im Rahmen unseres Clubabends seine Idee eines Projekts vorstellte in dem ein Ballon, welcher mit Helium gefüllt in die Stratosphäre aufsteigen und allemöglichen Daten über APRS wieder zurück übermitteln sollte. Am selben Abend fand sich ein Kreis von Interessierten der ihn bei der Umsetzung dieses Vorhabens unterstützen wollte.

Eines war schnell klar – für die Umsetzung eines solch ehrgeizigen Projekts brauchten wir noch einen Partner. OE6NCD war bis vor kurzem noch an der HTBLA Kapfenberg in Ausbildung und schrieb dort im Rahmen seiner Abschlussarbeit über die Anwendung des Automatic Packet Reporting System (APRS), welches eine spezielle Form des Packet Radio darstellt. Genau dieser Umstand sorgte für Interesse unter den Lehrern und Schülern. Es gelang ihm aus dem Kreis der Lehrkräfte Hr. Thomas Messner für sein Projekt zu begeistern – welcher ab diesem Zeitpunkt als Ansprechpartner und Projektkoordinator seitens der HTL tätig wurde. Eine Projektpartnerschaft war geboren.

Es ging nun an die konkrete Umsetzung des Vorhabens, und um die Beantwortung diverser Fragen:

• Brauchen wir eine Genehmigung ?
• Muss unser Ballon versichert sein ?
• Wie weit wird das Ding fliegen ?
• Woher bekommt man überhaupt Helium und einen passenden Ballon ?
• Sind Luftbildaufnahmen erlaubt ?
• Mit welcher Technologie werden wir unseren Ballon bestücken (Raspberry Pi, Arduino, …) ?
• ….

Fragen über Fragen. Wir wandten uns an alle uns bekannten Stellen um Meinungen und Expertisen zu den einzelnen Themen einzuholen. Diese widerum hatten Einfluss auf das Projekt selbst. So war es mitunter nicht ganz einfach die Kosten und die Risiken gegeneinander abzuwiegen.

 

Gute Vorbereitung ist die halbe Miete

Irgendwann war es dann aber so weit - Die ersten Antworten auf unsere Anfragen an die österreichische Flugsicherung (Austrocontrol GmbH) bezüglich der Genehmigung und rechtlicher Aspekte erreichten uns: Neben Dingen die auch der Hausverstand schon verbieten sollte (z.B: dass wir mit unserem Ballon keine Dinge abwerfen dürfen, oder, dass wir auch keine Tiere oder explosionsgefährdende Nutzlast transportieren dürfen) waren auch durchaus organisations bzw. konstruktionsrelevante Dinge dabei. Hier ein kleiner Auszug:

• Das Vorhaben muss versichert sein.

• Der Start ist auf ein enges Zeitfenster begrenzt.

• Der Ballon darf die Staatsgrenze nicht überqueren.

• Es sind diverse luftfahrtübliche Meldepflichten einzuhalten (NOTAM, Starterlaubnis, ...)

• Der Betreiber hat dafür zu sorgen, dass die auf die Erde zurückkehrende Nutzlast eine Masse von 1kg nicht überschreitet.

Nun ja – und dann stand da noch in der Erlaubnis “Start zweier baugleicher, leichter unbemannter Freiballone im Abstand von max. einer Stunde ...” Das war der JACKPOT. Mit diesem Moment war klar, dass wir eben nicht nur einen, sondern gleich zwei Ballone steigen lassen durften.

Hr. Messner hat sofort initiiert, dass anstatt ursprünglich einer, nun zwei Elektrotechnikklassen des zweiten Jahrgangs (also Schüler im Alter zwischen 16 und 17 Jahren) zwei technisch voneinander unterschiedliche Payloads entwerfen und bauen sollten, die dann in ein baugleiches Gehäuse verpackt wurden. Einmal mit einem Raspberry Pi und einmal auf Basis eines Arduinos. welche über angeschlossene Sensoren die Temperatur, den Luftdruck (und damit indirekt die Höhe), die Luftfeuchte sowie die Position speichern und auch per APRS an die Bodenstation übertragen werden.

Die Projektteams entschieden sich aber noch zusätzliche Features einzubauen:

Zweck	Arduino	Raspberry Pi
Videoaufnahmen	2 x GoPro	1 x Raspi Cameramodul
Backup / Affindbarkeit	GPS Tracker	--

Im Rahmen zahlreicher Tests wurde die Funktionalität der Hardware unter extremen Bedingungen immer wieder unter Beweis gestellt. Eine besondere Herausforderung war die Auswahl des Akkus der die Sonde während ihres Fluges mit Strom versorgen sollte – denn in der Stratosphäre ist es kalt – sehr kalt:

Anfänglich wurde befürchtet, dass die Batterien der Funkgeräte den Temperaturen von tlw. weniger als -40 Grad Celsius nicht gewachsen sind und frühzeitig versagen würden. Tests im Klimaschrank der Fachhochschule FH JOANNEUM in Kapfenberg haben ergeben, dass diese Vermutungen unbegründet waren. Dort wurde nämlich ein Baofeng UV5R (welches auch als Sender innerhalb der Payload zum Einsatz kommen sollte) auf -40 °C heruntergekühlt und alle 2 Minuten eine kurze Aussendung getätigt. Es hat sich herausgestellt, dass der mitgelieferte Akku dieses Vorgehen über mehr als 2.5 Stunden problemlos aushielt.

Einfache Idee - große Wirkung

Die nächste Herausforderung war, sich zu überlegen, wie die Hülle für die Payload aussehen sollte – bzw. wie und wo man solch eine fertigen würde. Eines war klar – es musste leicht sein und am besten sollte es auch noch thermisch gut isolieren. Kurzentschlossen startete OE6NCD im hauseigenen Garten eine Versuchsreihe um mittels PU-Schaum und einer geeigneten Form eine passende Hülle herzustellen. Die Idee war gut – die Umsetzung scheiterte aber letztendlich an der Ausdehnungsfreudigkeit des verwendeten PU Schaums. (womit er sich sowohl bei seinem Rasen wie auch seiner Frau nicht nur Bonuspukte verdiente). In der zweiten Interation wurde dann anstatt des Schaums ein Zwei-Komponentenkleber verwendet, womit die Herstellung der Ober- und Unterschale der Payload nur noch eine leere PET Flasche sowie einen Eimer benötigte und innerhalb weniger Stunden erledigt war.

Obwohl die Ballone und die Bremsschirme bei der deutschen Firma Stratoflight zugekauft wurden (Preis ca. 175 Euro je Stk – dafür sind sie bereits Luftfahrtzugelassen und erprobt) mussten selbige natürlich ausführlich getestet werden. Zuerst wurden sogenannte Modultests durchgeführt, bei denen alle Bestandteile für sich selbst getestet wurden. Nachdem diese einwandfrei funktionierten wurden sie Zug um Zug zum Gesamtsystem zusammengeschalten welches dann nochmals getestet wurde. Nach einigen Interationen konnte das Projektteam von technischer Seite her ein “grünes Licht” geben.

Mit diesem Moment war klar, dass alle bautechnischen Auflagen eingehalten werden konnten. Der nächste Schritt war, sich eine Versicherung zu besorgen. Dieses Vorhaben gestaltete sich als ziemlich nervenaufreibend, weil erst nach langem Suchen (und auch durch Hilfe von Inspektor Zufall) die Allianz in München bereit war unser Vorhaben für einen Pauschalbetrag von rund 60 Euro zu versichern.

Am 13. Oktober sollten die beiden Ballone ursprünglich starten – allerdings machte uns das Wetter drei Tage vorher einen Strich durch die Rechnung. Der Ballon wäre lt. Ballonprodictor (http://predict.habhub.org/) in Slowenien gelandet – was eindeutig gegen den Bescheid verstoßen hätte. Aus diesem Grund wurde der Start um eine Woche nach hinten verschoben. Man nutzte diese Zeit natürlich noch um weitere Verbesserungen in das System einzubringen – allerdings forderte das noch in der Nacht vor dem Start ein Opfer: Durch eine HF Einkopplung wurde der ATMEL Microprozessor der Arduino Payload zerstört. In einer bis tief in die Nacht dauernden Reparatur wurde dieser Defekt behoben, indem aus einem 240 Ohm Kabel eine neue J-Pole Antenne gebaut wurde. Mission gerettet !

3,2,1 ... Los geht's

Am 20. Oktober war es dann soweit. Am Schulgelände tummelten sich die Schüler der 2ten Klassen um die zuvor genau durchbesprochenen Aufgaben zeitgerecht zu erfüllen: Während eine Gruppe die Ballons mit je 5.6 m³ Helium befüllte kümmerte sich die andere Gruppe darum, dass die Payload einsatzbereit war. Eine Gruppe Funkamateure erklärte den zahlreich anwesenden Schülern die Funktion und den Zweck ihres mitgebrachten Equipments welches von diversen Antennen bis hin zu mehreren Funkgeräten reichte. Nachdem die Bergeteams ihre Berietschaft hergestellt hatten wurden kurz vor 12:00 Mittags die Payloads an die Ballons gebunden und um 12:14 war es dann soweit – der erste Ballon (OE6XLD-6) wurde losgelassen. Kurz darauf wurde auch der zweite Ballon (OE6XG-6) gestartet.

Mit einer vertikalen Steiggeschwindigkeit von rund 5 m/s machten sich die Ballons auf ihre Reise in Richtung Stratosphäre. Obwohl Berechnungen ergaben, dass die Ballone sich aufgrund des geringen Aussendrucks kurz vor dem Platzen auf bis zu 10m (!) Durchmesser aufblähen werden waren sie mit freiem Auge am strahlenden Herbsthimmel schon bald nicht mehr sichtbar. So wanderten die Schüler in die kurzerhand zur Kommandozentrale umfunktionierten Laborräume um die per APRS ankommenden Daten zu analysieren. Die Bergeteams machten sich auf den Weg in Richtung des ca. 90 km Luftline entfernten Großpetersdorf – welches lt. Berechnungen diesmal als Landeort vorhergesagt wurde.

Alles schien gut zu laufen – bis 35 Minuten nach dem Start OE6XD-6 plötzlich keine Daten mehr übermittelte. Auch der eingebaute Backup - GPS Tracker welcher mittels Mobilfunkverbindung seine Position mitteilen konnte sendete keinerlei Daten. Kurze Zeit später meldete sich zufällig ein Funkamateur welcher die beiden Ballons mit freiem Auge erspäht hatte – womit klar war, dass er zumindest nicht abgestürzt war.

Anhand der übermittelten Daten konnten alle Beteiligten sehen, dass der Ballon OE6XLD nach einem ca. 100 Minütigen Steigflug über Hartberg geplatzt war und anschließend weitere 60 Minuten am Fallschirm in Richtung Ungarn unterwegs war. Nachdem die Flugsicherungsbehörde darüber informiert wurde, dass der Ballon (entgegen aller Berechnungen) seinen Pfad verlassen hatte und nach neuesten Daten in Szombathely landen wird, wurde auch das Bergeteam zum neuen Zielort geschickt. Die gute Nachricht war, dass er unzerstört in einem Garten gelandet ist. Die schlechte Nachricht war: Der Hausbesitzer war nicht da – dafür aber war sein Hund im Garten, der schon Interesse an dem aussergewöhnlichen Eindringling gezeigt hatte. Durch ein geschicktes Ablenkmanöver gelang es dem Bergeteam den nahe neben dem Zaun liegenen Ballon mit einem langen Ast herauszuholen.

In der Zwischenzeit erschien der Ballon OE6XD-6 dann auch wieder auf der Landkarte. Auch hier gab es eine Auffälligkeitt: Obwohl der Ballon lt. den barometrischen Sensoren bereits am Boden angekommen sein musste, bewegte er sich nach wie vor – und das ganz Ballon untypisch. Irgendwann blieb er dann in der Nähe eines Bauernhofes stehen. Das Landeteam wurde dann zu dieser Position geschickt, wo sich letztendlich herausstellte, dass ein Landwirt den Ballon auf seinem Feld gefunden hatte und mit zu sich auf den Hof genommen hatte.

Am späten Abend waren dann alle Teams wieder in Kapfenberg vereint wo das auf den SD Karten gespeicherte Video und Datenmaterial gesichtet und besprochen wurde.

 

Erkenntnisse

Wir haben viel dabei gelernt – und das möchten wir gerne auch an dieser Stelle weitergeben. Also:

1. Alle GPS Tracker welche ihre Daten über das Mobilfunknetz senden sollten haben versagt. Dafür gibt es mehrere Gründe: Während des Fluges war die Höhe des Ballons und die damit verbundene schlechte Mobilfunkabdeckung ausschlaggebend. Am Boden wurde die Mobilfunkantenne ins Innere der mit Alu Tape umwickelten Payloads gedrückt – wodurch auch keine Verbindung zustandekommen konnte. Gott sei Dank hat APRS bis zum Schluss funktioniert.
2. Man muss auch den Ausfall einzelner Komponenten testen: Der zeitweilige Ausfall von OE6-XD-6 war letztendlich dadurch bedingt, dass das dort verbaute GPS ab 10.000 Meter schlichtweg keine Daten mehr übermittelte. Das hatte dann zur Folge, dass weder Daten aufgezeichnet noch übermittelt wurden.
3. Zwei äusserlich (beinahe) gleich aussehende GPS Module können sich im Betrieb ganz unterschiedlich verhalten: Wie sich leider erst nach der Landung herausstellte war das GPS Modul von OE6-XD-6 nicht dasselbe – obwohl es beim selben Händler mit derselben Bestellnummer angeschafft wurde. Wir bekamen einmal ein Modul welches Daten bis zu unserer Platzhöhe von 27.028 m lieferte und einmal um eines welches künstlich bei ca. 12 Km gedeckelt war.
4. Unglücklicherweise wurde die Zeit für die Logfiles auch vom selben GPS Modul bezogen – wodurch alle Messungen über 12.000 m den selben Zeitstempel hatten :-(
5. Ein Bergeteam besteht idealerweise aus 3 Personen: Einer sollte der Fahrer sein, der zweite sollte die Daten über APRS empfangen und auswerten und der Dritte sollte sich um alle übrigen Kommunikationen kümmern. Andernfalls läuft man Gefahr, dass die Autofahrt äusserst unangenehm wird.
6. Im Inneren unserer Raspberry-Pi Payload hatte es zu keinem Zeitpunkt Temperaturen unter 5 °C: Dieser Umstand ist nicht zuletzt auf eine gute Dämmung sowie durch die Abwärme des RaspberryPi zurückzuführen welche dort indirekt als ‘Heizung’ gedient hat.
7. Die verwendeten Temperaturesensoren konnten die tatsächliche Aussentemperatur leider nicht erfassen weil die Minimaltemperatur von -40°C unterschritten wurde.
8. Es ist VIEL mehr Arbeit als gedacht: Obwohl 3 Lehrer, 2 Klassen und mehrere ÖVSV Mitglieder um das Projekt bemüht waren, war der Arbeitsaufwand sehr hoch. In erster Linie denkt man an die technische Umsetzung, aber auch das Projektmanagement sowie die Kommunikation der Projektpartner untereinander sind ein nicht zu vernachlässigender Faktor.
9. Der Gesamtpreis des Projekts ist ca. 1500 €, welche sich wie folgt aufteilen:
   1. Bewilligung 320 €
   2. Versicherung 60 €
   3. Ballon + Fallschirm 350 €
   4. GSM Tracker 100 €
   5. Raspberry + Netzteil 100 €
   6. Messgeräte + GPS 450 €
   7. GoPro (Klon) 70 €
   8. APRS Shield 140 €
   9. Baofeng Transmitter 80 €
   10. Rest: Kleinigkeiten

Ich möchte mich an dieser Stelle auch bei den Sponsoren bedanken, die dieses Projekt erst ermöglicht haben. Abschließend möchte ich noch darauf hinweisen, dass wir interessierten Funkamateure auch QSL Karten zukommen lassen.

 

Für alle die das Geschehen lieber in Bewegten Bildern verfolgen wollen sehen würden hat die HTL Kapfenberg ein Video zusammengestellt: https://www.youtube.com/embed/VyrjMjOAz6w

Und hier gibts auch noch unser Bildergallerie mit den besten Bildern der Mission: zur Bildergallerie

 

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