Stratosphärenflug

Position 50°53’26.3″N 9°31’03.6″E 30.000m ASL
Sonde: „Peter 1“

So, was mache ich hier eigentlich? Im Internet stieß ich auf diese Aufnahmen von Schulklassen und Privatpersonen. Das kann ich doch sicher auch. Nur wie?
Als kleiner Junge wollte ich unter anderem gerne Astronaut sein. Meine Begabungen fand ich in einem anderen Bereich. Aber dies war ein Weg, diesem Kindheitstraum näher zu kommen.
Mit Kamerasonde und Wetterballon?

Vorbetrachtung

Große Wetterballons fliegen bis ca. 30.000 m über dem Meer. Was also würde ich sehen können?
Die Berechnung gelingt mit etwas Trigonometrie, dem Satz des Pythagoras und der Formel für eine Kugelkappe (mit Erdradius R = 6.370 km und Flughöhe h = 30 km):

Flughöhe in km = h (bzw. x in m)
=> Direkte Sichtweite bis zum Horizont in km = √((6.370 km + h)² − (6.370 km)²)
=> Überblickter Erdboden-Radius (entlang der Erdkrümmung) = arccos(6.370 / (6.370 + h)) · 6.370 km
=> Überblickte Erdoberfläche (Kugelkappe) = 2 · π · (6.370 km)² · (1 − 6.370 / (6.370 + h))

Bei einer Flughöhe von 30.000 m (30 km) ergibt das eine Sichtweite von ca. 619 km (Bogenradius am Boden ca. 617,5 km) und eine überblickte Fläche von rund 1,20 Mio. km² – das ist mehr als die dreifache Fläche Deutschlands!

Derweil führe ich auch gleich eine Simulation durch. Mal schaun, was Earth mir auf 30.000m Sichthöhe zeigt..

Die Temperaturen dort oben betragen zwischen -40°C und -60°C. Zur Isolation reicht nach verschiedenen Angaben eine Styroporbox.

Was brauch ich eigentlich alles?

Ich will eine Sonde aus Styropor bauen. => Styropor, Tape, etc.
Ich will Bildmaterial haben. => GoPro + Große Speicherkarte + Maxi-Akku
Ich will das Ganze in die Stratosphäre schicken => Wetterballon + Helium
Ich will, dass es wieder herunter kommt => Fallschirm
Ich will es wiederfinden => GPS-Sender (oder vllt ein ausrangiertes Smartphone?)
vielleicht kann ich mit einem Smartphone noch mehr interessante Daten erfassen.. mal sehn.
Ich will gewisse Daten mit Uhrzeit festhalten: Position, Höhe, Signalstärke

Ich weiss inzwischen, dass ich ca. 1l Helium auf 1g Gewicht benötige. Plus etwas mehr für genügend Auftrieb und Schwund beim befüllen (ca. ½ Traglast). Das sollen wohl 5-7m/s Steiggeschwindigkeit ergeben.
Ausgehend von 6m/s dauert der Aufstieg auf 30.000m ca. 84min.
Vielleicht bekomme ich diese Werte nachher als Journal bestätigt oder wiederlegt =)

Schätzung:
Smartphone 100g
GoPro 100g
Gehäuse 250g
Akkufach 100g
Trophäe 50g
Fallschirm 80g
Puffer 100g
Sonde 800g
Ballon 800g
Gesamt 1600g => 2000l Helium oder 2m³

Messungen

Ich möchte mit dem Smartphone ein paar Messungen durchführen.
Also jetzt schnell erstmal eine App schreiben, welche mir bestimmte Angaben in regelmäßigen Abständen ermittelt und wenn möglich übermittelt.
Den fertigen Code aufs Smartphone laden, schnell noch eine Oberfläche zum Anzeigen der empfangenen Werte gebastelt, noch nen netten Tagesausflug für den Test und fertig.
(Naja, in Wahrheit habe ich den gesamten Dezember entwickelt)

Sondenbau

Weils viel schöner ist, lade ich zur Konstruktion der Sonde meine Freunde zu einem geselligen Tag ein und da alle völlig unterschiedliche Typen sind kommen wir gemeinsam auf ein wesentlich eleganteres Ergebnis, als ich es allein gekonnt hätte.
TIPP: Es hat sich gezeigt, dass ein scharfes nach außen gebogenes Messer die besten Ergebnisse bei der Arbeit mit Styropor gezeigt hat. Die Ränder waren wesentlich glatter als bei allen andren benutzten Werzeugen.

661g. Mit einem kleinen Fallschirm komme ich auf ca. 750g.
Damit kann ich einen günstigen kleinen Ballon verwenden und brauche auch deutlich weniger Helium.

Wenn euch die Aktion gefällt, gebt mir einen Daumen nach oben oder schöner noch: schreibt mir einen Kommentar.

Rechtliches

Versicherung: Hab mich direkt mit meiner Haftpflichtversicherung in Verbindung gesetzt. In meinem Fall ist die Aktion mit abgedeckt.
Rechtsgrundlage (Stand 2016): Luftverkehrs-Ordnung (LuftVO) § 20 Abs. 1 Ziffer 8
„Die folgenden Arten der Nutzung des Luftraums bedürfen im Übrigen der Erlaubnis: der Betrieb von unbemannten Freiballonen nach Anlage 2 der Durchführungsverordnung (EU) Nr. 923/2012 im Hoheitsgebiet der Bundesrepublik Deutschland.“

[Update / Korrektur zur Rechtslage]: Seit der Novellierung der Luftverkehrs-Ordnung ist der § 20 Abs. 1 Nr. 8 LuftVO a.F. umgezogen. Die Erlaubnispflicht für den Aufstieg von unbemannten Freiballonen findet sich heute in § 19 Abs. 1 Nr. 2 Buchst. b LuftVO (Zuständigkeit in § 20 LuftVO) weiterhin in Verbindung mit Anlage 2 der Durchführungsverordnung (EU) Nr. 923/2012 (SERA).

Für leichte Konstruktionen nach der Definition habe ich stark vereinfachte Bedingungen zu erfüllen. Es bleibt mir nur, die Erlaubnis vom Staat einzuholen. In meinem Fall ist das hier das Regierungspräsidium Kassel, welches mir auch sehr zuvorkommend weitergeholfe hat, eben diese rechtlichen Fragen zu klären =)

Kosten

Styroporplatten + Lfng	ca. 20,00€
Holzstäbe	ca. 5,00€
Panzertape, Styro.kleber	ca. 9,00€
Smartphone	war noch übrig
Akku-Pack	ca. 4,00€
Akkus	ca. 7,00€
Fallschirm	ca. 25,00€
Wetterballon	ca. 100,00€
Spezialseil	incl.
Handschuhe	ca. 3,00€
Helium (3,6m³)	ca. 94,00€
Füllstutzen	ca. 40,00€
Genehmigung	100,00€
GoPro	ca. 130,00€
2. GPS-Sender (TK102B)	ca. 20,00€
SIM-Karten	ca. 16,00€
32GB micro-SD-Karte	ca. 13,00€

Fallschirm und Wetterballon, sowie verscheidene Kleinteile konnte ich einfach bei Stratoflights.de beziehen, woher auch ein guter Teil meiner Infromationen stammen.
Das Helium kaufte ich im nächsten Hornbach und den Füllstutzen gleich mit. Hier fallen keinerlei sonst übliche Mieten für Flasche oder Stutzen an und der Preis war auch sehr gut. Flaschenpfand betrugen 125€.
Für die SIM-Karte des Smartphones entschied ich mich für das Tagesflat-Angebot von Congstar, die SIM des GPS-Senders wurde eine O2-Prepaid-Karte mit 5€. Neu kaufen war billiger als mit dem Mindestbetrag eine SIM aufzuladen.
Helium, Genehmigung, Ballon und Batterien (sicherheitshalber) sind Einweg-Artikel. Das kostet mich also jedes mal (wenn ich das wiederholen möchte) 301,00€. Den Rest im Gesamtwert von 284,00€ erwarte ich wiederzubekommen
Macht also einen Gesamtpreis von ca. 585,00€.

Füllmenge ohne Druckmesser/Manometer ermitteln

Ich habe keinen Druckmesser für die Heliumflasche. Der wär mir zu teuer. Wie kann ich also feststellen, dass ich die richtige Menge Helium in den Ballon fülle?
Mein erster Einfall war anhand des Umfangs des Ballons. Ich könnte eine leichte Schnur nehmen, und sobald diese nicht mehr über den Äquator des Ballons passt, ist es richtig. Umständlich und die Schnur muss auf wenige Zentimeter genau sein. Hinzu kommt, dass es eine unbedingt nicht flexible Schnur sein müsste.
Der entscheidende Einfall kommt mir erst Tage später. Dabei ist er so einfach:
Da ich mich fürchte, dass der Ballon versehentlich losgelassen wird, bevor alles vorbereitet ist, möchte ich ihn mit einer einfachen Schnur an einem Referenzgewicht (z. B. einer mit Wasser gefüllten Flasche) am Boden fixieren. Sobald der Ballon dieses Gewicht gerade so vom Boden anhebt, ist die gesuchte Füllmenge erreicht.

Wichtig bei der Physik des Referenzgewichts (damit man keinen Denkfehler macht):
Das Helium im Ballon muss insgesamt drei Dinge leisten:
1. Das Eigengewicht der Ballonhülle tragen (z. B. 800 g) – das erledigt der Ballon von selbst, sobald er schwebt.
2. Das Gewicht der Sonde inkl. Fallschirm & Schnur tragen (z. B. 750 g) – sonst schwebt das Gespann nur schwerelos auf der Stelle.
3. Einen freien Überschussauftrieb (Free Lift) erzeugen (als Faustregel ca. +50 % des Sondengewichts, also z. B. ~375 g), der das Gespann gegen den Luftwiderstand mit 5–6 m/s nach oben zieht.

Die Zugkraft direkt am Ballonhals (der sogenannte Halsauftrieb / Neck Lift) setzt sich also aus Sondengewicht + freiem Steigauftrieb zusammen. Für das Messen mit der Wasserflasche am Boden heißt das:
• Variante A (Ballon hängt beim Befüllen allein an der Flasche, Sonde liegt noch daneben): Die Flasche muss das spätere Sondengewicht plus den freien Steigauftrieb simulieren (also z. B. 100 % Sondengewicht + 50 % Freier Auftrieb = 1,5 × Sondengewicht). Vorsicht: Wer hier beim Befüllen „etwas spart“ und z. B. auf 1,1 × Sondengewicht heruntergeht, halbiert nicht etwa den Puffer um ein paar Prozent, sondern streicht fast den kompletten freien Steigauftrieb zusammen!
• Variante B (Sonde & Fallschirm hängen beim Befüllen bereits fertig am Ballon): Da die Sonde selbst schon mit ihrem eigenen Gewicht nach unten zieht, darf die Referenzflasche am Boden nur noch dem freien Steigauftrieb (also z. B. 0,5 × Sondengewicht) entsprechen.

Das Ergebnis

Es lief leider nicht alles nach Plan.
Am Vortag gab mein Backup-GPS-Gerät noch de Geist auf. Ich hatte versucht es mit einem Nicht-Original-Kabel zu laden und dabei offenbar die Ladeelektronik zerstört. Als Ersatz diente ein weiteres ausrangiertes Samsung Galaxy Y.
Das zusätzliche Gewicht des Ersatz-Smartphones und meine Entscheidung, beim Referenzgewicht unter die Marke von 1,5 × Sondengewicht (ohne angehängte Sonde) zu gehen – wodurch fast der gesamte freie Überschussauftrieb weggespart wurde –, resultierten in einem ungeplant langsamen Aufstieg der Sonde (2,8 m/s).
Das führte zum einen dazu, dass der Landepunkt deutlich weiter entfernt sein würde aber auch, dass wir mehr Videomaterial bekommen würden.
Eine Wasserflasche als Referenzgewicht zu nutzen war anfänglich etwas mühsam, erwies sich jedoch als gute Idee.
Der Ballon in Kombination mit straff gezogenen Panzertape und zwei Knicken in der Öffnung waren absolut dicht.
Meine selbstprogrammierte App stürzte allerdings während der Reise in ca. 18.000m ab. Ein abgeschaltetest Natz hatte ich während den Tests ausprobiert. Offensichtlich gab es allerdings ein Problem, wenn das Gerät nach Netz suchte. Dies wird ein einem möglichen weiteren FLug korrigiert werden.
Eine App, welche mit mir via SMS kommunizieren sollte tat dies genau ein mal. Ich sendete dem Backupgerät während dem Flug eine SMS. Die bekam es beim wiedereintritt in das Mobilfunknetz (ca. 6000m Höhe) und sendete mir auch tatsächlich seinen Standort. Dannach beendete sich die App leider.
Netzempfang hatten beide Geräte nach der Landung nicht mehr. Der Grundgedanke meiner Eigenentwicklung hätte hier trotzdem zum Erfolg geführt.
Wir hatten durch die eine Rückmeldung in 6000m Höhe jedoch einen berechneten ungefähren Landeort und fuhren auf gut Glück einfach drauf los. Während wir unterwegs waren, erhielten wir eine SMS von jemandem, der die Sonde bereits gefunden hatte. Wir riefen an, ließen ihn die Sonde mitnehmen und änderten unsere Route zu seiner Adresse.
Wir hatten echt viel Glück gehabt. Die Sonde war zwar in der Nähe des berechneten Landeorts entdeckt worden, wir hätten sie vermutlich jedoch nicht gefunden.
Umso glücklicher waren wir, dass wir die Sonde trotzdem wiederhatten =)
Das die GPS-Geräte erfrieren würden bestätigte sich nicht. Die gesamte Sonde kam in dem gleichen Zustand zurück, wie wir sie hochgeschickt hatten. Natürlich ohne Ballon.
Es war eine gute Idee, zu den teuren empfohlenen Lithium-Batterien zu greifen. Wohingegen in den Tests billige Alkalinebatterien die Entladung der Geräte nur verzögern konnten hatten die Lithium-Batterien genug Kraft, sowohl GoPro, als auch Smartphone gleichzeitig mit jeder Menge Energie zu versorgen. Die GoPro lief noch 8h, nachdem wir sie gestartet hatten. Nur der Speicher war voll.

Was ich nächstes Mal besser machen würde

Ich würde den Start in einem militärischen Flugbeschränkungsgebiet (https://www.milais.org/) meiden, da dies ein zusätzlicher Problemfaktor und zusätzlichen Aufwand bedeutet.
Ich würde den Fehler in meiner App suchen und diesen korrigieren.
Ich würde ein TK102B wieder kaufen, aber nur mit dem beigelegten Kabel verwenden.
Ich würde etwas großzügiger mit dem Helium sein.