Neues vom Ballonprojekt, Teil 2

Wie versprochen nun die Details zur Wissenschaft. Zuerst vielen Dank an Arne! Der Arduino ist natürlich die Platine und die Software, die CPU ist ein Atmel ATmega 328. Auf dem Mega ist ein ATmega2560 verbaut. Der Arduino ist übrigens in Hard- und Software Open Source, sodass es einige sogenannte „Klone“ gibt und wenn man geübt ist, könnte man auch so eine Platine selbst zusammenbauen. Ich hatte ja schon davon gesprochen, dass man die Platine auf einem Breadboard nachstellen kann.

Nun zur Wissenschaft.

Ich habe einige Sensoren erhalten, einige als Gratis-Muster, andere habe ich bei sparkfun gekauft. Diejenigen die ich so erhalten habe sind zum einen der Thermosensor DS1821 von Maxim (früher Dallas Semiconductor) und der SHT21 von Sensiron, der ein kombinierter Sensor für Temperatur und Luftfeuchte ist. Der letztere ist für eine Temperatur von bis zu -40C ausgelegt, kann also ohne Probleme in der Außenluft betrieben werden.

Von Sparkfun habe ich einen weiteren Feuchtigkeitssensor erhalten, den HIH-4030 von Honeywell, der auch gleich schon auf einem sogenannten „Breakout“-Board geliefert wurde. Damit hat der Sensor bereits seine eigene kleine Platine, was das Arbeiten mit ihm einfacher macht. Die oben genannten Sensoren müssen z.B. erst noch verlötet werden, was bei den Thermosensoren noch relativ einfach geht, aber der SHT21 ist ein Chip, der etwas schwieriger an Kabel anzulöten ist. Der HIH-4030 ist ein analoger Sensor, der schon darauf abgestimmt ist, nahezu linear seine Ausgangsspannung mit der gemessenen Feuchtigkeit zu variieren. Daher ist er einfach zu verwenden.

Der nächste Sensor ist ein TEMT6000 von Vishay, ein Lichtsensor. Bei diesem muss ich noch überlegen, wie ich ihn am besten anbringe. Vielleicht werde ich noch einen zweiten dazukaufen, damit einer der beiden Sensoren die Abnahme der Helligkeit des Himmels misst, während der andere direkt nach unten auf die Erde ausgerichtet ist.

Man sieht, dass zwei Sensoren fehlen, die eigentlich wichtig sein müssten: Weder der Luftdruck, noch die Beschleunigung werden gemessen. Das hat mehrere Gründe. Es gibt keinen guten Drucksensor, der auch günstig ist, der bis zu den niedrigsten Drücken messen kann. Der BMP085 von Bosch beispielsweise kann nur bis zu einem Druck von etwa 300 mbar messen. Dieser Druck entspricht in der US-Standardatmosphäre von 1976 einer Höhe von 9164 Metern. Beim Beschleunigungssensor habe ich mich noch nicht entschieden, aber der ADXL345 von Analog Devices sieht gut aus, da er in allen drei Dimensionen und bis zu 16 G misst.

Schließlich habe ich noch zwei weitere Sensoren erhalten, bei denen ich erst nach der Bestellung gesehen habe, dass sie aufgrund ihrer Messbereiche nicht geeignet sind. Diese sind von Hanwei und sind der MQ-4 für Methan und der MQ-7 für Kohlenmonoxid. Beide müssen übrigens auch ständig geheizt werden, da sie ein Element enthalten, welches sich aufheitzt. Dies gehört zum Messprinzip.

Die elektrochemischen Sensoren von Alphasense sehen da interessanter aus, da fast alle für einen Messbereich eingerichtet sind, der bei 0 ppm beginnt. Allerdings sind diese laut den Datenblättern auch nur bis 80 kPa eingerichtet. Ich werde die Firma kontaktieren, um herauszufinden, ob die Sensoren auch bei niedrigeren Drücken funktionieren. Wenn nicht, müssen wir versuchen, eine Gasprobe aus den großen Höhen zu erhalten, das bringt aber bei reaktiven Gasen wie Chlor oder Ozon nichts, da sie im Probenbehälter zerfallen und sich neu verbinden.

Das sind erst einmal alle Sensoren, die bis jetzt geplant sind. Den hier geplanten Abschnitt über BASE verschiebe ich nach hinten. Teil 3 wird sich mit der Bahnvorhersage beschäftigen und Teil 4 mit weiteren Versuchen. Dort wird auch BASE seinen Platz finden. Bis dahin freue ich mich über Kommentare und Fragen!

5 thoughts on “Neues vom Ballonprojekt, Teil 2

  1. > Beide müssen übrigens auch ständig geheizt werden, da sie ein Element
    > enthalten, welches sich aufheitzt. Dies gehört zum Messprinzip.

    Du meinst, die Sensoren müssten gekühlt werden, weil sie sich bei der Arbeit aufheizen, oder?

    Ansonsten klingt das Projekt bisher eher nach Wetterforschung, denn nach andrer Wissenschaft, so das ich darauf gespannt bin, was es tatsächlich erforschen soll.

  2. Das ist wirklich ne spannende Sache. Ist es zu vernünftigen Kosten machbar, auch Proben von Feinstäuben, Partikeln zu nehmen? Überhaupt würden mich die Kosten interessieren. Selbst Helium ist ja nicht ganz günstig. Ich würde mich auch gern an einem solchen Projekt mal beteiligen, aber es sprengt wohl den Rahmen dessen, was ich für Hobby ausgebe.

  3. Für einen unbemannten Ballon muß es ja nicht unbedingt Helium sein. Wasserstoff ist billiger und außerdem noch leichter. Sollte also sogar für weniger Geld eine größere Höhe erreichen. Man sollte sich aber bei den Startvorbereitungen vorsichtshalber das Rauchen verkneifen. (was auch für eventuell vorhandene neugierige Zuschauer gilt.)

    Zu den Experimenten: Es könnte auch interessant sein, die Helligkeit in mehreren Spektralbereichen zu messen. Müssen ja nicht gleich dutzende Kanäle sein, aber zum optischen Bereich noch IR und UV sollte mit vertretbaren Kosten zu realisieren sein. Entweder mit mehreren Sensor / Filter-Kombinationen parallel oder ein Sensor mit einer drehbaren Filterscheibe.

  4. Vielen Dank für die Fragen und Kommentare und Entschuldigung für die Verzögerung der Antworten!

    @Hans: Ich hab mich etwas missverständlich ausgedrückt: Dadurch, dass im Sensor die ganze Zeit ein Heizelement aktiv ist, wird für dieses Element auch ständig Energie benötigt, was wohl auf Dauer die Batterien stark belasten wird. Außerdem müssen die Sensoren für zwei Tage „vorglühen“, laut Datenblatt.

    @frank: Ich würde mich sehr freuen, wenn noch mehr Leute mitmachen würden! Das Helium ist kein Problem, denn einer meiner Professoren hat mir zugesichert, dass ich so wenig Helium brauche, dass er mir etwas von seinem Helium zur Verfügung stellen kann. Wegen dem Feinstaub: Jemand von der UKHAS (die ich ja im 1. Beitrag erwähnt hatte), hat einmal einen elektrostatischen Staubsammler gebaut, der jetzt in einer Abstellkammer seiner Uni herumsteht. Hier hat er dsa Prinzip beschrieben: http://ukhas.org.uk/_media/projects:report_v4.pdf
    (Zu den Kosten allgemein kann ich in Teil 3 noch etwas schreiben)

    @Arne: Ich habe noch einmal über die Beschleunigungssensoren nachgedacht. Für die Positionsbestimmung hatte ich sie nicht einsetzen wollen, nur für die Bestimmung der Beschleunigung in den drei Achsen im Flug. Schließlich dachte ich mir, dass das einzige Ereignis, welches wohl eine große Änderung in der Beschleunigung hervorrufen könnte, der initiale Fall nach dem Platzen des Ballons ist. Daher würden sich die normalen Beschleunigungssensoren nicht lohnen. Es gibt aber eine Idee, über die ich hoffentlich etwas im 4. Teil schreiben kann.

    @Elendsoft: Zur Frage „Kosten von He“ siehe die Antwort an frank. Wasserstoff ist aber eine interessante Alternative, wenn man, wie du schreibst, die Sicherheitsvorkehrungen einhält. Ich hab auch mal von einer Idee gelesen, einen kleinen Ballon mit einer Brennstoffzelle auszustatten. Da stelle ich mir aber auch die Modalitäten schwierig vor: Nimmt man Wasser mit, wird dieses in großer Höhe anfangen zu kochen, und die Elektrolyse, die man mit einer Solarzelle betreibt wäre auch nötig. Da könnte man ja gleich die Solarzelle nehmen. Nimmt man Sauerstoff und Wasserstoff gasförmig mit, hat das auch seine Probleme (LH2 und LOX wie bei Apollo werden wohl aufgrund des kleinen Gewichtsbudgets nicht gehen).
    Im Bereich der Optik gibt es tatsächlich viele Möglichkeiten, Experimente zu machen. Wenn ich in Teil 4 über BASE schreiben werde, sieht man das auch, denn die haben auf einer Reihe von Flügen Polarisationsmessungen gemacht, sowie auch mal einen Spektrographen gebaut, der in den Bändern von CO2, Wasserdampf und Ozon gemessen hat.

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