Geïnspireerd door ons succesvol radio contact met het ISS in samenwerking met het Sint Jozefcollege in Turnhout in oktober 2018, stelden we ons de vraag of we een nieuw uitdagend project konden uitvoeren met een andere school.

Half 2019 was er van Covid-19 nog geen sprake. Een school met enthousiaste leraren vinden was ook ditmaal geen probleem. Samen met het Heilig Graf Instituut te Turnhout vormden we een werkgroep.

Een van de eerste dingen die geregeld werd, was de lanceerdatum: april 2020. Deze datum was een compromis tussen de drukke schoolagenda en de verwachte weersituatie. Met deze deadline gingen we aan de slag.

De school was verantwoordelijk voor de wetenschappelijke experimenten en wij namen de datastroom en radiocommunicatie voor onze rekening. De STEM leerkrachten stelden een hele lijst interessante experimenten op. De experimenten werden gewikt en gewogen , alle doelstellingen en benodigdheden werden opgelijst. Uiteindelijk werden de haalbare experimenten gekozen. De energievoorziening en het gewicht waren de voornaamste beperkende factoren.

Het Basisplan

Onze zoektocht naar een radio-oplossing begon. We zochten uit welke vergunning en toelatingen er nodig waren. De eerste technische oplossing werd een radiomodule met APRS van een commerciële weerballon. Deze module hadden we nodig om de data van de experimenten “live” tijdens de ballonvlucht tot in de school te brengen. De module werd geherprogrammeerd met alternatieve software. Na veel testen en aanpassen moesten we helaas op zoek naar een alternatief. De module bleek niet correct te werken voor ons doel.

Alternatief plan

Een alternatief werd gevonden, een VHF / UHF radio module: DRA818/SA818. De module was configureerbaar via een seriële poort en beschikte verder over een audio in- en uitgang. Hierdoor werd het ook mogelijk om meer dan enkel APRS door te sturen, we voegden een camera toe en SSTV werd een nieuwe bijkomende uitdaging. We herwerkten ons basisplan, zochten naar bestaande software en wogen de voor- en nadelen af. Er werd een Raspberry Pi (Rpi) als boordcomputer en camera gekozen. De beelden van de camera zouden opgeslagen worden in hoge resolutie en verwerkt en omgevormd tot SSTV signaal via de Rpi.

De totale oplossing groeide uit tot een warboel van printen en draden:

Raspberry Pi,
hardware voor 2 extra seriële poorten,
een GPS ,
de radio (DRA818) module
en een geluidskaart bij
een ups-batterij

Tevens werd er een PicoAPRS toegevoegd als een redundant systeem met zijn eigen energievoorziening. Deze module had als doel om de ballon te volgen tijdens de vlucht en na de landing.

Om de bedrijfszekerheid op te drijven, het volume, het energieverbruik te optimaliseren en de warboel van draden te beperken kozen we uiteindelijk voor een eigen PCB ontwerp.

Via wat contacten vonden we zelfs iemand die over een soldeeroven en microscoop beschikte waarmee het plaatsen van de SMD componenten een stuk eenvoudiger werd.

Een hobbelig parcours

Begin 2020 nam Covid-19 dramatische proporties aan.De lockdown verbood alle bijeenkomsten en scholen stapten over op thuisonderwijs en alle extra activiteiten werden geschrapt. De lancering in het schooljaar 2019-2020 kon niet plaatsvinden, het hele project werd ‘on-hold’ gezet.

Eind 2020 gingen de scholen weer van start maar via thuisonderwijs, maar het schooljaar 2020-2021 beloofde ook al niet veel goeds voor ons gezamenlijk project. Scholen gingen deels open maar alle beschikbare tijd werd gebruikt om zoveel mogelijk leerstof in te halen. Begin 2022, het dagelijkse en schoolleven ging opnieuw zijn normale gang en een lancering eind april 2022 leek haalbaar. We startten onze werkgroepen terug met een bang hartje, “gaat het deze keer wel lukken?”.

De componenten werden besteld en de PCB werd verder uitgewerkt. Ook wij ondervonden dat er na Covid een schaarste was op de halfgeleidermarkt waardoor we enkele extra uitdagingen moesten oplossen. We slaagden er op de valreep in om toch de nodige componenten te bemachtigen. Het plan B: zijnde de warboel van printen en draden en extra gewicht zou potentieel ten koste gaan van een aantal experimenten.

Ook de leerlingen en leraren zaten niet stil: ze maakten een definitieve selectie van de experimenten. De experiment beheer module en de sensor data-interface werden afgewerkt.

Deze wetenschap module was gebaseerd op een arduino-controller. Tijdens de vlucht werden er een aantal metingen uitgevoerd:

de luchtdruk
de lichtintensiteit
de UV sterkte
temperatuur in de payload behuizing en daarbuiten

De wetenschap module kreeg ook nog een capsule met gist en enkele dosimeters.

De gist zal na de vlucht een PCR ondergaan met als doel de invloed van straling op DNA te onderzoeken.

De verpakking

Nu alle hard- en software definitief waren, werd het ook tijd om aan de behuizing van de payload te gaan denken. De leraren van het Heilig Graf waren zo enthousiast over het hele zelfbouwproject waardoor ook de behuizing zelf gebouwd werd.

De school heeft een kunstrichting waar nog een oud kunstwerk uit styrofoam (ook bekend als piepschuim) te vinden was. Dit stond klaar om opgeruimd te worden maar was perfect herbruikbaar als materiaal voor de behuizing. Het materiaal beschikte over alle vereisten:

isolerend,
licht en
makkelijk verwerkbaar

In volle “doe het zelf” -stijl werd het versneden in kleinere stukken met een weerstandsdraad uit een oude broodrooster. De alzo samengestelde behuizing paste als gegoten. We besloten hoe we de “Payload” zouden stabiliseren om mooiere, rustigere beelden te maken. Uiteindelijk werd gekozen om één stabilisator vleugel toe te voegen, deze moest de payload een voorkeur oriëntatie geven.

De testvlucht

Een paar weken voor de eigenlijke lancering werd de hele lanceerprocedure eens geoefend met een kleinere ballon.

Op deze vlucht ging enkel onze PicoAPRS mee en de volgens voorspelling zou deze eerste richting Antwerpen vliegen en zodra de ballon in de hogere luchtlagen zou komen afbuigen naar richting Charleroi om dan in de buurt van Leuven neer te komen. Twee ballon jagers vertrokken richting Leuven om de ballon zo snel mogelijk te recupereren. Na een klein uur was het echter op APRS.fi duidelijk dat de ballon nooit de omgeving van Leuven zou halen. De ballon was veel vroeger dan verwacht geknapt en dreef nu aan zijn parachute oostwaarts richting kust en landde in de buurt van Eeklo.

De lanceringsdag

Uiteindelijk kwam dan de dag van de lancering naderbij. Uren van programmeren en knutselen gingen voorbij en alle toelatingen, vergunningen en verzekeringen waren geregeld. De finale dag lag vast.

Op de dag van de lancering stelden we onze radiovereniging en onze activiteiten voor aan alle leerlingen waarna ze een flinke wandeling maakten naar lanceerlocatie net buiten het centrum van Turnhout.

De voorbereiding

Bij de lanceerlocatie zorgden we voor volgwagens met de nodige uitrusting en de aangeduide leerling-ballon jagers kregen nog de laatste instructies.

Onder een groot aantal toeziende ogen maakten we de payload klaar, deze werd volgens de regels van de kunst vastgeknoopt aan de parachute en deze laatste uiteindelijk aan de ballon.

Aan de hand van het uiteindelijke gewicht van de payload, ballon en parachute werd de benodigde hoeveelheid helium bepaald. Ons doel was 35 km hoogte te halen met een stijgsnelheid van 5m/s. Door de weersomstandigheden werd er besloten om toch nog iets meer helium in de ballon te steken daar we uitzonderlijk die dag de wind vanuit het oosten waaide, zowel in de lage als hogere luchtlagen. Dit betekende dat de ballon richting zee zou waaien in plaats van in de verwachte richting naar Duitsland. Met de extra helium hoopten we dat de ballon sneller zijn maximale hoogte zou halen, vroeger zou knappen en bijgevolg eerder naar beneden zou komen en liefst op land zou neerkomen.

Het oplaten van de ballon was allesbehalve eenvoudig. De wind waaide niet alleen vanuit het oosten, maar bij momenten ook erg hard. Zo erg zelfs dat we vreesden dat de wind de ballon tegen de grond zou blazen met het risico dat deze knapte nog voor hij losgelaten werd. Uiteindelijk telden we 2 keer af, de eerste keer moest afgebroken worden omdat het te hard waaide.

De pers

De school duidde een leerling aan als verantwoordelijke om de verzamelde pers te woord te staan. Leerling-verslaggevers zorgden voor live sociale media verslaggeving.

De Morgen: Weerballon Heilig-Graf

RTV: Weerballon Heili-Graf

De vlucht

Eenmaal de ballon was losgelaten, zat het werk op de lanceerlocatie er op. De volgwagens vertrokken en in het radiostation dat in de school werd opgesteld, werd met aandacht geluisterd naar de eerste signalen van onze ballon. Met de telemetrie ging er echter iets fout. De ballon zond wel uit, maar het basisstation kon het signaal niet decoderen en omzetten. Dat was een kleine domper, maar na het eerste RTTY signaal kwamen al snel de eerste SSTV beelden binnen. Het basisstation was het enige deel waar we geen backup voor voorzien hadden en we namen de beslissing om geen last minute-aanpassingen meer te doen. Dit was een pijnlijke les, we hadden hier ook redundantie moeten voorzien..

Zodra er een nieuw SSTV-beeld beschikbaar was, werd het door de leerlingen op hun eigen gemaakte websites geplaatst. Menig radioamateur volgde de vlucht vanuit zijn radioshack en deelde gretig de opgevangen SSTV-foto’s.

De wetenschapsdag

Deze dag was voor de leerlingen echter nog niet voorbij. Samen met de lancering van de ballon was de gehele dag ingepland als wetenschapsdag. Leerlingen gaven en volgden workshops over de verschillende disciplines van dit project en een externe spreker(Hetty Helsmoortel) gaf een uitleg over CRISPR, de DNA-techniek die ook bij het ontwikkelen van een Covid vaccin een grote rol heeft gespeeld.

Tijdens de CRISPR presentatie volgden we de vlucht van de ballon via ARPS.fi. Na een vlucht boven de Scheldemonding draaide de ballon af richting land en dus hadden we nog even de hoop dat de ballon op land zou neerkomen. Maar in de afdaling aan de parachute werd onze payload toch terug boven zee geblazen en landde de payload ongeveer een kilometer uit de kust voor het Zwin.

Na de landing

Via een radio in een van de volgwagens hoorden we dat de payload nog steeds werkte, voor het basisstation zat hij achter de radio horizon. Het bepalen van de locatie bleek echter onmogelijk. Vermoedelijk had het zeewater de PicoAPRS op dat moment reeds bereikt en voor kortsluiting gezorgd. Ook met een extra collega-radioamateur en een Yagi antenne was het onmogelijk om een richting of locatie te bepalen. En rond 18u00 werd het laatste radiosignaal opgevangen. Naar alle waarschijnlijkheid had het zeewater de elektronica bereikt. Op dat moment konden we enkel hopen dat de payload ergens zou aanspoelen en de vinders ervan ons zouden contacteren.

Het verlossende bericht

Het verlossende bericht kwam 5 dagen later. Een Franstalige mevrouw had tijdens de ochtendwandeling met de hond op het strand de payload gevonden. In eerste instantie begrepen we dat de payload in Bredene gevonden was. Echter, aangekomen in Bredene was het adres niet bestaand, we namen zelf opnieuw contact op en stelden vast dat we een kleine 70 km verkeerd zaten. Het was niet Bredene maar Bray-dunes, net over de Franse grens. Voor de vinder hadden we een alternatieve payload voorzien en die we konden omruilen voor de onze.

Nagelbijten

Nu de payload in ons bezit was konden we de schade opmeten en de gegevens recupereren. De behuizing had wel wat afgezien. Er waren stukken van de Styrofoam afgebroken, maar het geheel zag er nog redelijk uit na 5 dagen op zee.

De onderdelen aan de buitenkant hadden duidelijk schade geleden, ze waren sterk aangevreten en gecorrodeerd door het zeewater. De PicoAPRS was totaal verloren. Hier moet water in geraakt zijn en verschillende componenten waren doorgebrand. De experimenten leken het beter overleefd te hebben. Hier en daar was er wat corrosie, maar al bij al viel het wel mee. De sensoren aan de buitenkant waren volledig verloren.

De SD kaarten met de meetresultaten, opnamen en foto’s bleken na wat opkuiswerk nog te functioneren en de opgeslagen data was nog perfect afleesbaar.

De beeldopnamen waren uitstekend. Op de beelden van de neerwaarts gerichte camera, zagen we duidelijk waar de ballon overvloog. De foto’s van de zijwaarts gerichte camera waarvan de SSTV beelden gemaakt werden, waren uitstekend.

En de opwaarts gerichte camera zorgde voor een spectaculair beeld van het moment waarop de ballon knapte en de landing op zee.

De telemetrie data van de experimenten toonde echter wel een paar gaten. De GPS ontvanger gaf geen positie en hoogte meer boven de 10 km. Aande hand van gegevens uit de PicoAPRS konden we de data reconstrureren.

Enkele APRS/GPS stats van deze vlucht:

Max hoogte gerapporteerd via APRS: 35770 m
Pico APRS heeft geen temperaturen onder 0 gerapporteerd.
Minimum luchtdruk: 25-24 hPa op een hoogte van 35338 m
Max gerapporteerde snelheid: 107 km/h

De experimenten

De temperatuursensoren registreerden buitentemperaturen van -27°C maar in de styrofoam behuizing was de temperatuur op dat moment 14°C. De minimum gemeten binnentemperatuur ging nooit onder de 6°C. Hierdoor werden de gistcellen en de elektronica binnenin nooit blootgesteld aan temperaturen onder 0 graden celcius.

De gistcellen overleefden de vlucht! Na 5 dagen op zee was het echter niet meer mogelijk om via de dosimeters de verhoogde straling op grote hoogte te bevestigen.

Conclusie, Kort en krachtig.

Opnieuw een geslaagd project, dit proeft naar meer!

Bekijk ook zeker nog eens de compilatie video: