Uschis in Space  –  wie das Freiburger Stadtwappen auf die ISS kommt

Wer hat nicht schon davon geträumt, einmal vom All auf die Erde herab blicken zu können? Für die Uschis, eine Gruppe von fünf Schülerinnen der Jahrgangstufe 11 des St. Ursula Gymnasiums in Freiburg, wird dieser Traum zumindest indirekt wahr. Sie haben bei der European Astro-Pi Challenge drei Stunden Messzeit erhalten, in der ein von ihnen geschriebenes Programm dafür sorgt, dass ein Mini-Computer auf der ISS (Astro-Pi) Bilder von der Erde aufnimmt.

Im Jahr 2015 hat die European Space Agency (ESA) zwei kleine Computer, sogenannte Astro-Pi, auf die ISS gebracht. Astro-Pi steht für einen Raspberry-Pi mit einer speziellen Vorrichtung aus Sensoren und Display, dem Sense-Hat. Seither veranstaltet die ESA  Wettbewerbe für Schülergruppen, die diese Computer für ihre eigene Forschungsidee nutzen können (1).

Die diesjährige Astro-Pi Challenge begann im Herbst 2017. Bis Ende Oktober konnten sich interessierte Schülergruppen mit der Idee für ein eigenes Experiment bei der ISS bewerben.  Teilnehmen durften Gruppen mit mindestens 2 Jugendlichen aus allen 22 ESA-Mitgliedstaaten. Für die Älteren (bis 19 Jahre) standen dabei zwei Themenschwerpunkte zur Auswahl: Life in Space bzw. Life on Earth. Für Experimente zum Thema Life in Space sollte der Astro-Pi „Ed“ genutzt werden, der im Columbus Modul der ISS angebracht ist und über verschiedene Sensoren und eine Kamera verfügt. Astro-Pi „Izzy“ ist an einem Fenster des Columbus Modul so angebracht, dass seine Kamera direkt auf die Erde schaut und damit die Aufnahme von Bildern der Erdoberfläche erlaubt.  Die Kamera ist allerdings so präpariert, dass ihre drei Kanäle  nicht wie üblich sichtbares Rot, Grün und Blau unterscheiden, sondern Infrarot statt sichtbarem Rot, sowie sichtbares Grün und Blau. Auf der dem Columbus-Modul zugewandten Seite von Izzy ist ein 8x8 LED-Display angebracht, das im Verlauf der Messungen anzeigen muss, dass Izzy gerade aktiv ist.

Die Teams, deren Experimente vielversprechend waren, erhielten am 7. November die Nachricht, dass sie für die nächste Runde ausgewählt wurden, und etwa 2 Wochen später auch einen baugleichen Astro-Pi für die Weiterentwicklung vor Ort.

Das Team „Uschis“ besteht aus fünf Schülerinnen der Jahrgangstufe 11 des St. Ursula Gymnasiums: Caroline Adam, Nicole Anton George, Antonia Münchenbach, Hannah Sondermann und Henrike Zimmermann. Alle fünf sind sehr an Naturwissenschaften interessiert und äußerst begabt und engagiert. In den folgenden Wochen hatten sie die große Aufgabe, die eingereichte Experiment-Idee zu konkretisieren und die entsprechenden Programme für Izzy zu schreiben. Dazu mussten sie allerdings zuerst Grundzüge der Programmiersprache Python erlernen. Außerdem mussten bis zur Deadline am 7. Februar erläuternde Texte zur Hauptintention des Experiments, der Umsetzung und der erwarteten Ergebnisse formuliert werden, natürlich auf Englisch. Wochen voller harter Arbeit, die die Schülerinnen und ihre Betreuerin, Dr. Claudia Oesterle, sehr forderten, aber auch sehr intensives Lernen und viel Begeisterung brachten.

Am 20. 2. 2018 war die Freude riesengroß: eine E-Mail der ESA verkündete, dass das vorgeschlagene Experiment tatsächlich auf der ISS durchgeführt wird. Alexander Gerst, der im Sommer auf die ISS zurückkehrt, gratulierte per Videobotschaft allen 114 Teams, deren Experimente ausgewählt wurden (2).  Irgendwann im März oder April wird Izzy auf der ISS drei Stunden lang für 5 Schülerinnen aus Freiburg arbeiten.

Zuerst erscheint dann ein Gruß aus Deutschland auf dem Display. Danach wird die genaue Position der ISS bestimmt, bevor errechnet wird, ob auf der Erde unter der ISS gerade Tag oder Nacht ist. Falls Tag ist, wird überprüft, ob sich die ISS über Meer befindet oder über Land. Nur im letzten Fall bekommt Izzy den Auftrag ein Bild aufzunehmen. Nach 30 Sekunden wird die Überprüfung wiederholt. Innerhalb dieser Zeit erscheint ein sich änderndes, geometrisches Muster auf dem LED-Display. Zu Beginn jeder Wiederholung zeigt Izzy allerdings das Wappen der Stadt Freiburg und am Ende leuchtet das gelb-rote Badische Wappen auf. Wann genau die drei Stunden sein werden, in denen Izzy für die Uschis arbeitet, ist völlig ungewiss. Die Messzeit von drei Stunden entspricht zwei Umläufen der ISS um die Erde, und da die Flugbahn sich von Umlauf zu Umlauf ändert, kann es sein, dass große Anteile der Bahn bei Tag über Land verlaufen und damit viele Bilder aufgenommen werden, oder aber, dass der größte Teil der Bahn bei Tag über den Meeren verläuft und nur wenige Bilder aufgenommen werden. Die genaue Uhrzeit zu der die einzelnen Bilder aufgenommen werden und die genaue Position der ISS zu diesem Zeitpunkt werden natürlich mit abgespeichert.

Am 10. Mai werden die aufgenommen Bilder in Freiburg ankommen. Dann beginnt die letzte Phase der Challenge: Die Auswertung und das Schreiben des Abschlussberichts.

Ziel des Projekts ist es, die Vegetation der Erde zu untersuchen. Dazu soll die sogenannte NDVI Methode verwendet werden. NDVI bedeutet Normalized Difference Vegetation Index und beruht darauf, dass sichtbares Licht von Chlorophyll stärker absorbiert wird als Infrarot-Licht. Aus einem Vergleich der Infrarotanteile und der sichtbaren Anteile der aufgenommenen Bilder lassen sich dann Falschfarben-Bilder generieren, die Aufschluss darüber geben, wie viel Chlorophyll im fotografierten Bereich vorhanden ist. Je nach der Bahnkurve während der dreistündigen Messzeit könnten dann z.B. verschiedene Klimazonen verglichen werden, oder auch ähnliche Klimazonen auf der Nordhalbkugel im Frühling und der Südhalbkugel im Herbst.

 

(1) http://www.esa.int/Education/AstroPI/The_European_Astro_Pi_Challenge

(2) http://www.esa.int/Education/AstroPI/European_Astro_Pi_Challenge_Mission_Space_Lab_codes_selected_for_the_ISS

Dr.C.Oesterle