Come inviare un pallone nella stratosfera

Chi ha bisogno di un razzo per inviare cose nello spazio quando può usare un pallone? Questa è l’idea di molti scienziati dilettanti, che hanno usato piccole mongolfiere oppure palloni ad elio per raggiungere proprio questo obiettivo. Così oggi vi sono addirittura in vendita kit fai-da-te per inviare oggetti nella stratosfera. Sono stati usati anche da scienziati, ad esempio da un astrobiologo che voleva prelevare campioni dalla stratosfera. E sono ideali per progetti con le scuole, il che è un ottimo modo per avvicinare i ragazzi alla scienza in modo pratico. Ecco come inviare da soli strumenti nella stratosfera.

Questo articolo è destinato principalmente agli appassionati di palloni meteorologici riempiti con elio – preferibili alle piccole mongolfiere dotate di un mini-bruciatore incorporato – che desiderano inviare attraverso di essi un carico utile (payload) nell’atmosfera terrestre. Sebbene i palloni o le mongolfiere in questione non raggiungano tecnicamente lo spazio, dovrebbero spingersi abbastanza in altitudine da raggiungere la stratosfera, una regione dell’atmosfera che varia da 10 a 50 km.

I palloni meteorologici sono in circolazione da un bel po’ di tempo come un modo per raccogliere dati. Due dilettanti americani hanno pensato che sarebbe stato divertente mettere una macchina fotografica su una mongolfiera o su un pallone e vedere fin dove fosse andata. In effetti, basta aggiungervi un cestino, una videocamera e un localizzatore GPS normalmente usato per rintracciare gli animali domestici. Funzionava, ma non solo. Una volta pubblicato un video online, è stato un boom di imitatori!

Un carico quasi scientifico inviato nella stratosfera con un pallone.

Alcuni ragazzi canadesi hanno visto il video realizzato dai due americani che hanno lanciato la moda e hanno, a loro volta, inviato nella stratosfera un omino del gioco di costruzioni Lego. Da allora è stato inviato su di tutto: hamburger, pupazzi, palloncini riempiti d’acqua, telefonini, aeromodelli e perfino una sedia. Alcune persone vogliono usarlo il pallone come strumento per scattare foto da alta quota. Altri vogliono inviare su i loro effetti personali solo per poter dire che sono stati nello spazio.

In effetti, già dal 4 ottobre 1957, quando l’Unione Sovietica lanciò in orbita lo Sputnik 1, la gente ha inviato ogni sorta di cose nello spazio. Laika, il cane spaziale sovietico, entrò in orbita un mese dopo sullo Sputnik 2. Sfortunatamente, non sopravvisse al viaggio. Scimmie, scimpanzé, alcuni cani e persino alcuni gatti hanno fatto il viaggio, con alcuni animali che se la sono cavata meglio di altri. Nell’Apollo 12 diretto sulla luna, l’equipaggio di riserva nascose perfino le foto di alcune conigliette di Playboy.

Altri oggetti che hanno viaggiato nello spazio includono la spada laser di Luke Skywalker di Star Wars e il personaggio d’azione Buzz Lightyear, che ha trascorso più di un anno fluttuando attorno alla Stazione Spaziale Internazionale. Se non hai un “santo” presso la NASA, l’agenzia spaziale russa o in SpaceX, non preoccuparti, puoi comunque lanciare qualsiasi cosa nella stratosfera per un’esperienza quasi spaziale. Dovrai solo avvisare le autorità aeronautiche e unirti anche tu a questi hobbisti.

Un uomo, poi multato, si lascia sollevare da un gruppo di palloni ad elio. Non fatelo!

Il lancio di palloni-satellite: un’esperienza educativa

Negli Stati Uniti, gli studenti delle scuole superiori locali hanno l’opportunità di fare questi lanci in prima persona mettendo in pratica le loro conoscenze di matematica, scienze e ingegneria. I partecipanti al BalloonSAT Exploring Program della NASA, ad esempio, lanciano un pallone meteorologico di 1,8 metri di diametro, completo di esperimenti scientifici e telecamere, nelle regioni spaziali dell’alta atmosfera terrestre. Esso, infatti, arriva a oltre 30 km sopra la superficie terrestre.

L’uso dei palloni meteorologici come satelliti (BalloonSAT) è iniziato per la prima volta presso il Glenn Research Center della NASA a Cleveland, dieci anni fa, come un modo per studiare la calibrazione delle celle solari fotovoltaiche nello spazio. Un piccolo carico utile che seguiva il sole era sospeso da un pallone meteorologico e volava per raccogliere dati. Il pallone serviva come sistema di lancio economico in alta quota. In seguito, è nato il programma innovativo rivolto agli studenti.

Il programma in questione mira a simulare una missione satellitare. Fornisce agli studenti la possibilità di progettare esperimenti e farli volare con un programma di volo, e ottenere risultati. Gli studenti lavorano tutto l’anno per ricercare, sviluppare, progettare e fabbricare esperimenti che verranno svolti quando lanceranno il loro pallone. Nelle varie missioni che BalloonSAT, ha effettuato dozzine di esperimenti progettati dagli studenti sono stati lanciati in aria fino a oltre 30 km di altitudine.

La bella iniziativa lanciata dalla NASA.

Gli esperimenti possibili sono innumerevoli: Esperimenti di esposizione di semi e muffe; Sensori di luce e temperatura; Acquisizione di particelle di aerogel; Rilevazione di raggi cosmici; Contatori Geiger; Rilevatori di biossido di carbonio / ozono; Misure di celle solari; Espansione del palloncino in lattice; Crescita del lievito e generazione di anidride carbonica; Fotografia 3D; Trasmissione di immagini video; Disturbi del campo elettrico; Fragilità del vetro durante il volo; Misurazioni dell’umidità, etc.

L’idea è quella di utilizzare il pallone come veicolo di lancio e quindi svolgere un’intera missione che è come una missione satellitare. C’è molta scienza, vi sono molti test pre-volo e vi è la progettazione del piano di volo. C’è dunque una vasta gamma di attività in aggiunta agli esperimenti. Competenze provenienti da molti settori sono sviluppate nel progetto, tra cui: Comunicazioni e telemetria; Risoluzione dei problemi; Problemi di alimentazione e batteria; Puntamento; Previsione del volo, etc.

Ma come appaiono città e sobborghi, campi e foreste se visti da circa 30 km sopra la superficie terrestre? È bello scoprirlo con una telecamera a bordo. I palloni a elio possono salire fino a circa 38 chilometri. Questa è tecnicamente la stratosfera piuttosto che lo spazio, ma puoi vedere l’oscurità dello spazio durante il giorno. Ma, soprattutto, puoi apprezzare la curvatura della superficie terrestre e già solo questo risultato è impagabile. Altri, invece, invieranno a bordo sensori di altitudine o scientifici.

Le immagini della Terra dalla stratosfera ti permetteranno di cogliere la curvatura terrestre.

Normalmente ci vogliono un paio d’ore affinché il pallone raggiunga un’altitudine di 38 km. Quando la pressione diminuisce con l’altitudine, il pallone si espande fino a quando non esplode; iniziano con 2 metri di diametro e arriva a circa 10 metri. Quando il palloncino esplode, si apre un paracadute e ci vuole circa un’ora per scendere. Esistono appositi software che ti aiutano a fare previsioni abbastanza precise su dove atterrerà, che può essere ovunque fino a circa 150 km di distanza.

Se acquisti un kit commerciale, di solito ottieni il pallone, il paracadute, il contenitore per il carico utile, i dispositivi di localizzazione e, nei migliori, un sistema informatico chiamato “scatola nera”, che registra i dati (inclusi GPS, altitudine, pressione, umidità, temperatura e accelerazione). Alle scuole piace molto avere tutte queste informazioni dopo il volo. Devi solo procurarti l’elio presso il fornitore più vicino (ad esempio, qui) e, con un certo anticipo prima del lancio, richiedere l’autorizzazione dell’Autorità per l’aviazione civile.

Uno dei numerosi kit che sono in vendita online. L’elio lo puoi trovare ad es. qui.

Come inviare un pallone ad elio verso lo spazio

Scegli una posizione adeguata da cui eseguire il lancio del pallone o della mongolfiera. Seleziona la posizione da cui verrà rilasciato il mezzo in questione con il suo carico utile. Seleziona una posizione ad almeno 140 km da qualsiasi aeroporto o installazione militare e ad almeno 400 km da qualsiasi lago o specchio d’acqua più grande. Il sito dovrebbe essere relativamente piatto senza ostacoli come alberi o pali della luce che potrebbero far impigliare il pallone dopo il lancio.

Se usi un pallone meteorologico, riempi il palloncino utilizzando una bombola (o più bombole) di elio. Mentre il pallone meteorologico viene riempito di elio, misurare continuamente l’ombra del pallone meteorologico con il metro fino a quando l’ombra ha raggiunto il diametro specificato del pallone meteorologico. A questo punto gira la manopola sulla bombola nella direzione opposta a quella in cui è stata girata per la prima volta, fino a quando non è difficile girarla ulteriormente.

Un pallone sonda appena gonfiato con l’elio.

La quantità di elio da mettere nel pallone varia, naturalmente, a seconda delle dimensioni del pallone stesso. Ogni piede cubo di elio può sollevare 28 grammi. Ogni chilo di sollevamento libero significherebbe 300 piedi al minuto di velocità di risalita. Aumentando l’ascensione libera – e quindi la velocità di risalita – diminuisce il tempo di volo del pallone, rendendo meno probabile che l’elettronica esaurisca la carica della batteria, ma troppo elio nel pallone potrebbe rendere l’altezza di scoppio troppo bassa.

A questo punto lega il pallone. Estrai completamente il collo del pallone dalla valvola di uscita del tubo proveniente dalla bombola dell’elio. Lega il collo con un nodo dritto. Immediatamente dopo, chiedi a un tuo amico di tenere il pallone meteorologico. Da questo momento in poi, il tuo amico terrà il pallone meteorologico fino a quando il progetto non verrà rilasciato nell’atmosfera, oppure dovrai provvedere a legarlo a un qualcosa ben ancorato a terra e in grado di sostenere la sua spinta verso l’alto.

Messa a punto degli ultimi dettagli del carico utile.

Lega un piccola cordicella al collo del palloncino. Fai questo nodo sopra a dove hai appena legato il collo del pallone meteorologico con se stesso. Taglia un pezzo di corda da lunga 30 cm e usala per legare il pallone. Lega il pallone al contenitore del carico utile. Taglia una corda lunga 3 m. Lega un’estremità della corda al manico del contenitore del carico utile. Quindi lega l’altra estremità della corda al collo del palloncino. Infine, dota il sistema di un piccolo paracadute per il rientro lento a terra.

Se il capannone che hai usato per costruire il pallone è nella località scelta per rilasciare il mezzo, tutto ciò che rimane è che tu e il tuo amico usciate dal capannone e lo liberiate! Se il capannone non è nella località selezionata, guida verso la località prescelta e rilascialo lì. Ad esempio, potresti decidere di salire su una montagna e lanciarlo da lì. Ad ogni modo, divertiti a vederlo salire! Naturalmente, puoi scegliere di lanciarlo di giorno oppure di notte, anche se sarà meno spettacolare.

Un pallone a idrogeno per alte altitudini.

Se usi una telecamera, il tempo dovrebbe essere completamente soleggiato con vento minimo. Una sufficiente luminosità e un vento minimo riducono le possibilità di sfocatura e la preparazione necessaria per lanciare un pallone. Assicurati di avvisare le Autorità aeronautiche almeno 24 ore prima del lancio. Negli Stati Uniti, i palloni sotto le quattro libbre (pari a 1,8 kg) non sono regolamentati. Ma anche in quel caso avvisare le Autorità riduce le tue possibilità di volare in uno spazio aereo limitato.

Carico utile tipico e suo successivo recupero

Se usi una fotocamera standard “inquadra e scatta”, puoi ottenere l’attivazione automatica con il software CHDK. La velocità dell’otturatore è un fattore molto importante per la qualità delle immagini. Usa una velocità dell’otturatore di 1/800 per avere risultati eccellenti. Oggi esistono videocamere che costano molto poco e che possono essere usate per inviare segnali video in tempo reale, ma sono limitate dal range del segnale. Vedi come estenderlo nel caso dei droni nel nostro articolo che trovi qui.

Due telecamere wireless CMOS economiche a colori, della potenza di 25 mW e operanti alla frequenza di 5,8 GHz, che puoi acquistare online, ad es. qui.

Se vuoi recuperare la fotocamera o la videocamera e le sue immagini fantastiche – o comunque il carico utile – includi nel carico in questione un telefonino che invii le coordinate GPS della posizione di atterraggio a un sito Web specializzato (ad es. www.instamapper.com o www.accutracking.com). Poni il carico utile all’interno di un contenitore di polistirolo, che è leggero e attutirà l’urto quando il paracadute toccherà terra. Fissa tutte le apparecchiature elettroniche alla scatola in questione.

Probabilmente, dovrai fare più buchi nel contenitore: uno per l’obiettivo della fotocamera o videocamera, uno per l’antenna. Posiziona l’obiettivo della fotocamera o videocamera sul lato che consente di vedere l’orizzonte, mentre un foro nella parte inferiore offre viste del suolo, altrettanto affascinanti. Usa fascette e colla a caldo per fissare correttamente le apparecchiature elettroniche alla scatola. Usa delle fascette anche per fissare il paracadute alla capsula e la corda tra il paracadute e il pallone.

L’occorrente per rendere il carico utile resistente all’urto con il suolo al rientro.

Prima del lancio prova tutto, componente per componente. Assicurati che il paracadute funzioni e che l’impatto percepito dai tuoi dispositivi sia minimo. Assicurati che la strumentazione funzioni a temperature gelide. Allo scopo, mettila all’interno di un congelatore per testarla. Inoltre, per garantire un atterraggio abbastanza morbido, metti un uovo all’interno della capsula e lascia cadere la capsula dalla cima di un edificio di 5 piani. Dovrai raggiungere l’obiettivo di non distruggere l’uovo.

Se l’uovo non si rompe, sei sicuro che l’atterraggio del nostro dispositivo con il paracadute sarà morbido a sufficienza da non danneggiare l’hardware e di non far male a nessuno nelle vicinanze. Metti quindi un sacco di giornali sul fondo del contenitore per isolare il sistema durante l’urto e impedire che gli apparecchi si danneggino. Un foglio di alluminio (carta stagnola) posto intorno al contenitore fungerà da riflettore radar in modo che eventuali piloti possano vedere la capsula e allontanarsi da essa.

Data la posizione di lancio, l’altitudine massima prevista e il tempo di lancio, questo sito Web offre un’idea generale della posizione di atterraggio: http://weather.uwyo.edu/polar/balloon_traj.html. Dal momento che ritrovi il carico tramite un telefono cellulare (l’alternativa è usare una radio), la capsula deve atterrare in un’area con copertura certa da parte dell’operatore utilizzato. Per aumentare le possibilità di ritrovamento, attiva la trasmissione della posizione della torre di telefonia mobile.

Recupero del carico utile del pallone dopo il lancio ed il volo.

Ciò consente al telefonino di inviare la posizione della torre di telefonia mobile cui è agganciato se non è possibile fornire una posizione GPS. Se hai un budget più generoso, puoi scegliere di aggiungere al carico utile il segnalatore satellitare SPOT. Dal momento che esso comunica attraverso i satelliti, può funzionare quasi ovunque. Usa il predittore online della traiettoria del pallone in modo da non farlo cadere nel mezzo di una città, il che potrebbe essere abbastanza pericoloso per le persone.

Per conoscere i vari metodi e sistemi con puoi fare il tracking del tuo pallone ai fini del recupero del carico utile, ti sarà probabilmente utile il nostro articolo Come fare tracking avanzato di razzi e palloni, che puoi trovare qui. Per idee su come realizzare un radiofaro – o “beacon” – per il ritrovamento, puoi leggere il nostro articolo Come realizzare un radiofaro, o “beacon”, che trovi qui. Ti potrebbe essere anche utile – e fonte di ispirazione – l’articolo sulla telemetria dei droni con autopilota, che trovi qui.