Ein Panorama von Bildern des FAST-7-Höhenballons im Nahbereich

Massendurchflussmessung auf der Suche nach neutralem Auftrieb

Angeführt von Dr. Amanda Maxham von der University of Nevada, Las Vegas, hat das FAST-Team ein ehrgeiziges Ziel: einen Wetterballon über den Atlantik zu schicken. Dieses Kunststück erfordert, dass der Ballon eine genaue Höhe erreicht und aufrechterhält, die lang genug ist, um die stratosphärischen Winde von Südnevada nach Afrika oder Europa, eine Entfernung von ungefähr 6000 Meilen, zu führen. Eine große Herausforderung besteht darin, dass alle Latexballons aufgrund der Zersetzung des Materials durch ultraviolette Strahlung schließlich platzen. Dieser Effekt verstärkt sich in großen Höhen, in denen die Luft dünn ist. Um die Tageslichtbelastung des Ballons durch UV-Strahlen zu minimieren, dreht das Team auf eine Winterüberquerung, vielleicht mit einer Wintersonnenwende. FAST muss auch genau auf eine Höhe zielen, deren Winde den Ballon schnell über den Atlantik tragen, bevor er platzt. Dies erfordert eine genaue Kenntnis darüber, wie viel Gas sich im Ballon befindet.

Höhenballon während der Explosion, von der nach oben gerichteten Kamera betrachtet

Der Start und Flug von FAST-12 am 4. August 2013 war ein Meilenstein für das FAST-Team. Dieser Flug erreichte eine maximale Höhe von 123,463 Fuß und landete das Team zum ersten Mal auf der Amateurfunk-Höhenleiter. Noch wichtiger ist, dass der Ballon einen neutralen Auftrieb erreichte und etwa 90 Minuten lang eine konsistente Höhe bis zum Platzen des Ballons beibehielt. Neutraler Auftrieb ist entscheidend für die Bestrebungen des Teams, den Atlantik zu überqueren, da der Ballon um eine bestimmte Höhe schweben muss, um die schnell wehenden Winde zu bewältigen, die in dieser Höhe wehen. In größerem Maßstab ist dieses Ziel auch eine Voraussetzung für Googles Project Loon, der dafür ausgelegt ist, eine gleichmäßige Ballondistribution aufrecht zu erhalten, indem er den Ballons befiehlt, unterschiedliche Richtungswinde in bestimmten Höhen zu nutzen.

Füllung des FAST-8-Höhenballons mit dem Massendurchflußmesser

Der Schlüssel zum Erzielen eines neutralen Auftriebs in einer bestimmten Höhe besteht darin, gerade genug Gas aufzunehmen, um den erforderlichen Auftrieb von der Starthöhe aus zu erreichen, jedoch nicht so sehr, dass der Ballon die Zielhöhe überschreitet. Der Ballon hört auf zu steigen und wird neutral schwimmfähig (wenn alles richtig gemacht wird), wenn die Masse der Atmosphäre, die durch den Ballon und die Nutzlast verdrängt wird, gleich der Masse des Gases innerhalb des Ballons plus der Masse des Ballons und der Nutzlast ist. Die primäre Variable, die einen neutralen Auftrieb ermöglicht, ist die Elastizität des Ballons und der daraus resultierende Druckanstieg im Ballon im Vergleich zum atmosphärischen Druck. Dieser Druckanstieg ist in großen Höhen signifikanter, wodurch der Ballon neutral schwimmt. Der Trick besteht darin, dem Ballon die “Goldlöckchen” -Gasmenge zu geben, wie Dr. Maxham es nennt: gerade genug, um ihn auf die gewünschte Höhe zu bringen, aber nicht zu sehr, damit der Ballon es nicht aufnehmen kann, wenn er diese erreicht hat.

Durch die Summierung der Gasmasse in jedem Ballon mithilfe des Massenflussmessers ist das Team in der Lage, während der Testflüge wiederholbare Daten zu generieren.

FAST-Teammitglied Eric Lujan, 15, nutzt seine Android-App, um Berechnungen für Masse und Auftrieb im Feld durchzuführen.

Dr. Maxhams Schüler verwenden eine komplexe Formel, um die für jeden Flug erforderliche Gasmenge zu berechnen. Die Formel enthält Berechnungen unter Verwendung des idealen Gasgesetzes, des Hakengesetzes, des atmosphärischen Modells von 1976, des Elastizitätsmoduls des Ballons und vieler anderer Faktoren, um genau die richtige Menge an zu verwendendem Gas zu bestimmen. Als ob diese Berechnung nicht schwierig genug wäre, ändert sich der Gasdruck gegen den Ballon mit Druck und Temperatur, ebenso wie der Elastizitätsmodul des Latex. Darüber hinaus verändert sich die Umgebungstemperatur außerhalb des Ballons in einer seltsamen Weise, wenn der Ballon durch die Atmosphäre aufsteigt: In der Troposphäre nimmt die Temperatur mit zunehmender Höhe ab, aber sobald der Ballon in die Stratosphäre übergeht, steigt die Temperatur mit der Höhe. Ein FAST-Student, der 15-jährige Eric Lujan, hat sogar eine Android-App geschrieben, um die notwendigen Massenberechnungen während des Starts durchzuführen.

Durch die Summierung der Gasmasse in jedem Ballon mithilfe des Massenflussmessers ist das Team in der Lage, während der Testflüge wiederholbare Daten zu generieren. Dies erweitert die Bildungsreichweite des Programms, da die Schüler nicht nur den Ballon benutzen können, um wissenschaftliche Experimente durchzuführen, sondern sie können auch die Wissenschaft auf dem Ballon selbst testen. Es geht darum, Menschen in der Wissenschaft zu engagieren.