Uschis in Space

Welches Kind hat nicht mal davon geträumt, als Astronaut ins All zu fliegen? Durch einen Wettbewerb der ESA (Europäische Weltraumorganisation) bekamen wir die Möglichkeit von der ISS aus Aufnahmen unseres Planeten zu machen – ohne dabei selbst im Weltraum zu sein. 

Ende Oktober 2017 stellte Frau Dr. Oesterle die European Astro Pi Challenge in den vierstündigen Physikkursen der Kursstufe 1 vor. Dieser Wettbewerb wurde von der ESA ins Leben gerufen und richtet sich an Schüler und Schülerinnen aller Altersklassen aus den Mitgliedsstaaten der ESA. Ziel ist es, eine eigens entworfenen Problemstellung auf der Raumstation ISS, die in 400 km höhe um die Erde kreist, umzusetzen. Zu diesem Zweck wurden vor drei Jahren zwei kleine Computer, sogenannte Astro-Pi, auf der ISS installiert. Astro-Pi steht für einen Raspberry-Pi mit einer speziellen Vorrichtung aus verschiedenen Sensoren, einem kleinem Display und einer Kamera.

In den einzelnen Wettbewerbsstufen geht es zunächst um die Bewerbung mit einer eigenen Projektidee, im zweiten Schritt muss der zugehörige Code programmiert werden, danach folgt die eigentliche Durchführung des Experiments auf der ISS und abschließend die Datenauswertung.

Wir fünf Schülerinnen der 11. Klasse des St. Ursula Gymnasium (Projektgruppenname "Uschis") waren sofort Feuer und Flamme und überlegten uns, ob wir lieber ein Projekt mithilfe der Sensoren innerhalb der ISS durchführen wollen oder ob wir die Kamera an Bord nutzen wollen, die mit Blick auf die Erde ausgerichtet ist. Schnell war klar, dass die Möglichkeit, die Erde selber zu fotografieren, am faszinierendsten war. Diese Kamera hat eine wichtige Besonderheit. Handelsübliche Kameras enthalten einen Infrarotfilter, der dafür sorgt, dass ihre drei Kanäle nur sichtbares Rot, Grün und Blau aufnehmen und kein infrarotes Licht. Dieser Infrarotfilter wurde bei der Astro-Pi Kamera durch einen Blaufilter ersetzt, so dass die Kamera  (nahes) Infrarot statt sichtbarem Rot, sowie sichtbares Grün und Blau registriert.

Ziel unseres Projekts war es, die Vegetation der Erde zu untersuchen. Dazu sollte die sogenannte NDVI Methode verwendet werden. Der Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) beruht darauf, dass sichtbares Licht von Chlorophyll stärker absorbiert wird als Infrart-Licht. Aus einem Vergleich der Infrarotanteile und der sichtbaren Anteile der aufgenommenen Bilder kann dann Aufschluss darüber gewonnen werden, wie viel Chlorophyll im fotografierten Bereich vorhanden ist. Nach dieser Bewerbungshase wurden wir Anfand November 2017 zur zweiten Runde zugelassen und erhielten unseren eigenen baugleichen Astro-Pi. Mit ihm konnten wir unseren Programmiercode testen, der danach auf der ISS laufen sollte. Dazu mussten wir uns zuerst mit der Programmiersprache Python vertraut machen. Kriterien der ESA waren einerseits die Beschränkung auf eine nicht zu große Datenmenge und andererseits, dass während der dreistündigen Messzeit auf dem LED-Display des Astro-Pi angezeigt wird, dass gerade eine Messung läuft. Außerdem mussten erläuternde Texte zur Hauptintension des Experiments, der Umsetzung und der erwarteten Ergebnissen formuliert werden, natürlich auf Englisch. Nach einer stressigen Endphase hatten wir Anfang Februar alle Hindernisse überwunden und konnten unseren Code an die ESA schicken. Zuerst erschien ein Gruß aus Deutschland auf dem Display. Danach wurde die genaue Position der ISS bestimmt und errechnet, ob auf der Erde unter der ISS gerade Tag oder Nacht ist. Bei Tag wurde überprüft, ob sich die ISS über Meer befindet oder über Land. Nur im letzten Fall bekam der Astro-Pi den Auftrag ein Bild aufzunehmen. Nach 30 Sekunden wurde die Überprüfung wiederholt. Innerhalb dieser Zeit erschien ein sich änderndes , geometrisches Muster auf dem LED-Display. Zu Beginn jeder Wiederholung leuchtete allerdings das Wappen der Stadt Freiburg und am Ende und das gelb-rote Badische Wappen auf. So nahm unser Programm nur Bilder am Tag und über Land auf, da wir letztlich nur diese Bilder brauchten, und speicherten zusätzlich das Datum, die Uhrzeit und die Position der ISS ab. 

Am 20. Februar 2018 war die Freude riesengroß: eine Email der ESA verkündete, dass das vorgeschlagene Experiment tatsächlich auf der ISS durchgeführt wird. Alexander Gerst, der im Sommer auf die ISS zurückkehrte, gratulierte per Videobotschaft allen 114 Teams, deren Experimente ausgewählt wurden. Allerdings war noch völlig ungewiss, wann genau die drei Stunden sein würden, in denen unser Programm ablaufen sollte. Diese Zeit 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 aufgenommen werden, oder aber, dass der größte Teil der Bahn bei Tag über den Meeren verläuft und nur wenige Bilder aufgenommen werden.

Am 8. Mai 2018 erhielten wir schließlich unsere lang ersehnten Daten. Wir waren begeistert 56 Bilder von Südamerika, Europa und Asien, zu einem großen Teil bei klarem Himmel. Wir hatten nun lediglich einen Monat Zeit, um die Bilder auszuwerten und den Abschlussbericht zu schreiben. Zuerst mussten wir die genauen Bildorte zuordnen. Für die Berechnung der NDVI-Bilder nutzten wir das Programm Matlab, dass uns von Dr. Sebastian Groß von der Firma MathWorks zur Verfügung gestellt wurde. Ihm verdanken wir nicht nur Unterstützung bei der Programmierung von Matlab sondern auch den Kontakt zu Prof. Bodo Bookhagen vom Institut für Erd- und Umweltwissenschaften der Universität Potsdam, der ein Experte für geologische Fernerkundung ist. Schnell stellte sich heraus, dass die Berechnung der NDVI Werte bei unseren Bildern nicht so einfach funktionierte wie zunächst angenommen. In vielen Emails zwischen unserer Betreuerin Frau Dr. Oesterle und Herrn Prof. Bookhagen konnten aber Lösungen für viele unserer Fragen und Problemen gefunden werden. So lernten wir, dass Infrarotlicht und die verschiedenen Lichtfarben an der Atmoshäre unterschiedlich gestreut werden, aber auch, wie wir mit einem Korrekturverfahren dieses unterschiedliche Streuverhalten berücksichtigen können. Dieses Korrekturverfahren bedeutet allerdings, dass wir einen klaren See als Vergleichswert im Bild benötigen. Außerdem stellten wir fest, wie schwierig es ist, die Ergebnisse richtig zu interpretieren. So wurde ein Bild, das Westdeutschland mit dem Rhein vom Ruhrgebiet bis Karlsruhe zeigt, zu unserem wichtigsten Ergebnis. Der Himmel war bis auf kleine Wolken sehr klar, als das Bild am 21. April aufgenommen wurde, es gab einen kleineren See und wir konnten die Vegetation zu diesem Zeitpunkt auch beurteilen.

Anfang Juni war dann auch der Abgabetermin, zu dem wir knapp fertig wurden. Gerne hätten wir noch viel mehr gemacht. 

Insgesamt war es ein riesiger Erfolg, dass wir überhaupt in die letzte Runde der Astro Pi Challenge gekommen sind. Der Wettbewerbserfolg hat uns nicht nur fachlich weitergebracht. Herzlichen Dank in diesem Zusammenhang ganz besonders an unsere Lehrerin, Frau Dr. Oesterle, für die immense Unterstützung und die ungezählten Stunden Arbeit, an Herrn Prof. Bookhagen für die äußerst wertvolle Beratung bei der Auswertung und der Schulleitung für ihr Entgegenkommen. Danke auch der Badischen Zeitung und Radio Regenbogen für das mediale Interesse und die Berichte über unser Projekt.

Caroline Adam, Nicole Anton George, Antonia Münchenbach, Hannah Sondermann, Henrike Zimmermann K1