Dem Wetter auf der Spur

Stratosphärenballons erforschen die obere Atmosphäre

10. Februar 2021, 11:16 Uhr   |  Heinz Arnold

Stratosphärenballons erforschen die obere Atmosphäre
© CSEM

Der Start eines Stratosphärenballons, der innerhalb von drei Monaten zwei bis dreimal um die Erde kreist und Daten sammelt.

Stratosphärenballons sollen die Geheimnisse der Wechselwirkungen zwischen Troposphäre und Stratosphäre lüften.

Rund vierzig mit Messinstrumenten ausgestattete Stratosphärenballons sollen dieses Jahr über dem Indischen Ozean abgeworfen werden, um wenig bekannte atmosphärische Phänomene des Äquators zu untersuchen. Für dieses Forschungsprojekt hat das CSEM ultraleichte und maßgeschneiderte Photovoltaik-Module entwickelt.

Die atmosphärischen Phänomene am Äquator sind so stark, dass sie sogar die Abläufe an den Polen der Erde beeinflussen. Wie genau das geschieht, ist derzeit noch weitgehend unerforscht, insbesondere die Wechselwirkungen zwischen Troposphäre und Stratosphäre bergen noch viele Geheimnisse. Das von den französischen Forschungszentren CNES (Centre national d’études spatiales) und CNRS (Centre national de recherche scientifique) initiierte Projekt STRATEOLE-2 soll nun im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit die Lücke schließen.

Die Wissenschaftler setzen dabei auf Stratosphärenballons, die das CNES entwickelt und umgesetzt hat. Zwei Reihen zu je zwanzig Ballons sollen im Abstand von drei Jahren über dem Indischen Ozean abgeworfen werden und über einen Zeitraum von drei Monaten zwei bis dreimal um die Erde kreisen. Sie werden Daten sammeln, um die Wetterphänomene besser zu erfassen, theoretische Modelle zu untermauern und numerische Simulationen zu validieren.

»Die Stratosphäre ist ein Bereich, den bisher vor allem Raketen erreichen können. Der Vorteil der Ballons liegt darin, dass sie mehrere Monate dort verbleiben können«, sagt Pierrick Duvoisin, der das Projekt beim CSEM als Spezialist für Moduldesign begleitet.

Jeder der vom CNES entwickelten Ballone besteht aus einer transparenten, mit Helium gefüllten, kugelförmigen Hülle mit einem Durchmesser von 11 bis 13 Metern und einer Gondel, die den Flug steuert. Ebenfalls mit an Bord ist eine weitere Gondel, die mit verschiedenen wissenschaftlichen Messinstrumenten bestückt ist. Sie sind speziell für Niedrigdruck und tiefe Lufttemperaturen (-85 °C) ausgelegt. Während ihres Flugs sammeln die Ballons eine Vielzahl von Daten wie die Konzentration von Wasserdampf, Ozon und Kohlendioxid oder das Vorhandensein von Schwebeeis und messen weitere Größen wie die Lufttemperatur und den Druck. Die Daten zur Temperatur, die Windgeschwindigkeit oder der Druck werden praktisch in Echtzeit an die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) übertragen, um die Wettervorhersagen in den Tropen zu verfeinern.

Die PV-Module des CSEM wiegen zehnmal weniger als Standard-Panels und erreichen je nach Größe Leistungen von 40 W und 30 W.
© CSEM

Die PV-Module des CSEM wiegen zehnmal weniger als Standard-Panels und erreichen je nach Größe Leistungen von 40 W und 30 W.

Maßgeschneiderte Photovoltaik-Module

Für die Energieversorgung der Gondeln und der wissenschaftlichen Instrumente hat das CSEM maßgeschneiderte Photovoltaik-Module entwickelt, die aus ultraleichten Verbundwerkstoffen bestehen. Jede Gondel wird mit vier bis sechs quadrat- oder trapezförmigen Sonnenkollektoren ausgerüstet, auf denen jeweils 9 bis 12 Zellen angebracht sind. Die größeren Panels erreichen eine Leistung von 40 W, die kleineren von 30 W.

Die Module montiert das CSEM derzeit in seinen Labors am Standort Innoparc in Hauterive/Kanton Neuenburg. »Die Module wurden im Winter 2019/2020 im Rahmen einer ersten Probereihe mit acht Geräten in der Luft erfolgreich validiert. Aktuell werden die Kollektoren für die wissenschaftlichen Gondeln der ersten Reihe von zwanzig Ballonen produziert, die im Oktober 2021 starten soll«, sagt  Stéphanie Venel, Projektleiterin von STRATEOLE-2 beim CNES in Toulouse.

Das Pflichtenheft erwies sich als besonders anspruchsvoll. So dürfen die Module nur rund 1 kg pro Quadratmeter wiegen. Das ist um den Faktor 10 weniger als ein Standard-Modul auf die Waage bringt. Außerdem müssen die Module extremen Bedingungenstandhalten. Dazu zählen niedrige Temperaturen und große Temperaturschwankungen sowie der starken UV-Strahlung in der Stratosphäre.

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