Mission to Mars (Spacecraft Prototyping)

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Verstehen des Luftdrucks mit Hilfe selbst gebauter Raumschiff-Prototypen und Smartphone-Messungen

In diesem Experiment werden Raumschiff-Prototypen für eine Reise zum Mars oder zu einem Exoplaneten gebaut und unter weltraumähnlichen Bedingungen getestet. Die angehenden Astronauten erarbeiten die Zusammenhänge zwischen Raumfahrt, Luftdruck und Leben, wie wir es kennen, und messenden Luftdruck in verschiedenen Situationen (Spicker, Küpper & Bresges, 2021). Ist die Crew auf der Reise zum Exoplaneten im selbstgebauten Raumschiff sicher? Warum (nicht)? 

Es können folgende Begriffe/Zusammenhänge erarbeitet werden:

• die Definition der physikalischen Größe „Druck“ und das Verhältnis von Druck, Kraft und Fläche (sofern nicht bereits bekannt).
• mit Hilfe einer Teilchenanalogie den Luftdruck.
• welche Rolle der Luftdruck für Leben, wie wir es kennen, spielt.
• die Folgen großer Luftdruckunterschiede, z.B. in einem Raumschiff.
• physikalische Messmethoden und Deutung von Messwerten/Graphen.

Auch verfügbar beim European Space Education Resource Office (ESERO)

Übersicht

• Jahrgangsstufe: 7-10
• Unterrichtsfach: Physik, Naturwissenschaften
• Methode: Schülerexperiment
• Dauer: variabel.
• DIY: möglich.
• Verfügbar für: Android // iOS nur mit externem Sensor

Motivation

• Wie kommt man zu einem vielversprechenden Exoplaneten?
• Welche Anforderungen müssen an ein Raumschiff gestellt werden?
• Was passiert mit dem Menschen bei einem Druckabfall?

Versuchsaufbau und Durchführung

Der Versuch gliedert sich in zwei Bereiche. Im „Engineering“-Bereich werden die Materialien für das Prototyping werden auf einer Experimentiertheke bereitgestellt. Aus diesen wird dann ein erster Raumschiff-Prototyp gebastelt. Dieser kann z.B. Kartonage noch den Look eines Spaceshuttles/einer Raumkapsel erhalten. Dabei sind der Phantasie keine Grenzen gesetzt. Einzige Einschränkung: der Sensor (das Smartphone) müssen hineinpassen.

Im Testbereich wird eine Vakuumpumpe und eine Vakuumglocke aufgebaut. Der Prototyp wird nun in Weltraumähnlichen Bedingungen getestet. Dazu wird er unter eine Vakuumglocke gegeben und dann wird ein Vakuum erzeugt. Währenddessen wird der Luftdruck im Raumschiff über die Messung kontrolliert.

Nach der Messung wird das Ergebnis (die Sicherheit der Crew) diskutiert und der Prototyp angepasst: war der Prototyp sicher? Warum (nicht)? Was kann warum geändert/verbessert werden? 

Video der Durchführung

Wichtiger Hinweis

Die Leistung der Vakuumquelle sollte dringend vorher getestet werden, um die Laufzeit abzuschätzen. Die Höhentauglichkeit der verwendeten Smartphones sollte dringend mit den Herstellerangaben verglichen und aus der barometrischen Höhenformel eine untere Schranke für den Luftdruck abgeschätzt werden, um Schäden zu vermeiden. Wir empfehlen dringend die Nutzung eines externen Sensors.

Alternative(n)

Das Experiment kann auch als DIY-Variante durchgeführt werden. Hierzu wird statt der Vakuumpumpe und -Glocke ein Staubsauger verwendet. Dieser wird dann mit einer großen Plastikbox verwendet und eingeschaltet. Dabei wird das erzeugte Vakuum geringer sein, jedoch sind qualitative Ergebnisse trotzdem möglich.

Video zur DIY-Version

phyphox-Experiment

Smartphone: astro-lab.app/phyphox/missiontomars.phyphox

SensorTag: astro-lab.app/phyphox/missiontomars_sensortag.phyphox

• Arbeitsblatt (pdf)
• Handreichung für die Lehrkraft (pdf)

Mission to Mars

In this experiment, spacecraft prototypes for a trip to Mars or an exoplanet are built and tested under space-like conditions. The astronaut candidates work out the connections between space travel, air pressure and life as we know it, and measuring air pressure in different situations (Spicker, Küpper & Bresges, 2021). Is the crew safe on the journey to the exoplanet in the built spacecraft? Why (not)?

The following terms/relationships can be studied:

• the definition of the physical quantity “pressure” and the relationship between pressure, force and area (if not already known).
• with the help of a particle analogy the term “air pressure”.
• what role air pressure plays in life as we know it.
• the consequences of large differences in air pressure, e.g. in a spacecraft.
• physical measurement methods and interpretation of measured values/graphs.

Also available at the European Space Education Resource Office (ESERO).

Overview

• Grades: 7-10
• Subject: Physics, natural sciences
• Method: Student experiment
• Duration: variable.
• DIY: possible.
• Available for: Android // iOS only with external sensor

Motivation

• How do you get to a promising exoplanet?
• What are the requirements for a spacecraft?
• What happens to humans in the event of a pressure drop?

Shopping list / materials needed:

• For prototyping: sealable food containers, freezer bags, PVC plumbing pipe, cardboard, and more.
• Vacuum source / vacuum cleaner
• Sensor / Smartphone

The materials mentioned are exemplary and represent only a selection of possible items.

Experimental set-up and procedure

The experiment is divided into two areas. In the „Engineering“ area, the materials for prototyping are provided on an experimentation counter. These are then used to build an initial spaceship prototype. This can be given the look of a space shuttle/space capsule, for example, using cardboard. There are no limits to the imagination. The only restriction is that the sensor (smartphone) must fit inside.

A vacuum pump and a vacuum bell jar will be set up in the test area. The prototype is now tested in space-like conditions. To do this, it is placed under a vacuum bell jar and then a vacuum is created. Meanwhile, the air pressure in the spacecraft is controlled via measurement.

After the measurement, the result (the safety of the crew) is discussed, and the prototype is adjusted: was the prototype safe? Why (not)? What can be changed/improved and why?

Video of the experimental procedure

Important Notice

The power of the vacuum source should urgently be tested beforehand to estimate the runtime. The altitude suitability of the smartphones used should be checked in advance against the manufacturer’s specifications and a lower limit for the air pressure should be estimated from the barometric altitude formula in order to avoid damage. We strongly recommend using an external sensor.

Alternative(s)

The experiment can also be performed as a DIY variant. For this purpose, a vacuum cleaner is used instead of the vacuum pump and bell. This is then connected with a large plastic box and turned on. The vacuum generated will be lower, but qualitative results are still possible.

Video of the DIY-variant

phyphox Experiment