Best Practice in der MINT.ub


Was können Schülerlabore in der MINT-Umweltbildung? Schülerlabore bieten einen guten Weg, Fachwissen in der MINT.ub praktisch zu erlernen bzw. Appetit darauf zu machen in Zukunft an der Generierung von neuem Wissen beteiligt zu sein. In Schülerlaboren können Kinder und Jugendliche erleben, wie kreativ das Arbeiten in MINT-Fächern ist, aber auch, dass Wissenschaft einen langen Atem braucht: Lösungen liegen nicht auf der Hand, um sie muss teilweise lange gerungen werden.

Hier zeigen Schülerlabore an einigen Beispielen, wie das im Bereich der MINT.ub funktionieren kann.

Beispiele zum Download
Peter Eyerer
(nach einer Vorlage von Berthold Arheidt)
[ TheoPrax, Fraunhofer ICT, Offene Jugendwerkstatt Karlsruhe ]
Peter Eyerer
[ TheoPrax, Fraunhofer ICT, Offene Jugendwerkstatt Karlsruhe ]
Superkondensatoren - Goldcap




Was soll herausgefunden / untersucht werden?

Superkondensatoren – Energie speichern wie bei der Formel 1

Die SuS sollen messen, wieviel Energie in einer vorgegebenen Zeit mit verschiedenen Methoden durch Superkondensatoren gespeichert werden kann.

Warum / wofür könnte das wichtig sein?

Eine wichtige Herausforderung bei der Energiewende ist die Speicherung von Energie. Mit diesem Experiment verstehen die SuS, wie ein Superkondensator funktioniert und weshalb er für die Speicherung von Bremsenergie nützlich ist (Rekuperation).

Warum ist das Experiment für die Teilnehmer interessant?

Die SuS kennen Superkondensatoren (Goldcaps) bereits aus dem Alltag vom Standlicht beim Fahrrad. Durch die Erklärung der Rekuperation bei Rennautos der Formel 1 wird ein weiterer interessanter Alltagsbezug hergestellt.

Was sollen die Kinder / Jugendlichen mit diesem Experiment lernen?

Die SuS sollen grundsätzlich verstehe, wie ein Superkondensator aufgebaut ist und was ihn von anderen Speichertechnologien, z.B. dem Lithium-Ionen-Akku, unterscheidet. Sie können selbst erfahren, wie mechanische Energie umgewandelt und gespeichert wird. Darüber hinaus möchten wir den SuS zeigen, wie wichtig es ist, Speichertechnologien für die Energiewende weiter zu verbessern und auszubauen.

Gibt es einen gesellschaftlichen Aspekt in der Fragestellung?

Die Energiewende ist ein aktuelles Thema, das alle angeht und viele Aspekte wie Energieverbrauch, Konsumverhalten, Umweltschutz, Klimawandel und Umwelttechnik einbezieht. Unser Experiment mit Superkondensatoren zeigt einen Teilaspekt der Energiewende, die Speicherung und Rückgewinnung von Bremsenergie. Die SuS sollen verschiedene Techniken kennen lernen, um für das Thema Energiespeicherung sensibilisiert zu werden und informiert am gesellschaftlichen Diskurs um Energiefragen teilnehmen zu können.

Werden spezielle Kompetenzen mit dem Experiment / Angebot gefördert?

Lesekompetenz; Technisches Verständnis

Was wird gemacht?


  • Laden eines Superkondensators mit Hilfe der Bremsenergie eines Fahrrads

  • Korrektes Verbinden von Dynamo, Goldcap und Laderegler/Transformator

  • Kurbeln, Anlegen des Dynamos, Aufladen des Goldcaps

  • Zeit messen

  • Messen der Ladung des Akkus

  • Anschließen eines Verbrauchers

  • Messen, wie lange der Strom genutzt werden kann

  • Laden von Goldcaps durch mechanische Kurbeln

  • Zeit messen

  • Montieren der Akkus auf Fahrzeuge und korrektes Verbinden mit Kabeln

  • Wettfahrt der Fahrzeuge, Messung der Wegstrecke



Ist das Experiment interdisziplinär angelegt?

Ja: Physik und Chemie

Ist das ein aktuelles Forschungsthema? Wenn ja, warum?

Ja.
Speichertechnologien werden ständig verbessert und sind ein zentraler Aspekt der Energiewende.

Ist es ein Thema der eigenen Trägerorganisation?

nein

INFOBOX


Schülerlabor:
Gläsernes Labor
Berlin

Link zum Schülerlabor

Kontakt-Person(en):
Cornelia Stärkel

Alter und Schulart(en) der Zielgruppe:
Ab Klasse 9, alle Schularten

Fachgebiet(e):
Physik, Chemie

Zeitaufwand:
30 Min (es handelt sich um ein Modul eines Kurses), gesamter Kurs: 4 Stunden

Schlagwörter:
Energiewende; Superkondensator; Goldcap; Speichertechnologie

Methode(n):
Geführt forschendes Experimentieren. Schüler bekommen für die Lösung der Problemstellung genügend Informationsmaterial zur Verfügung gestellt.

Kommentar:

Aus der Forschung zur Schülerpraxis: Arbeiten mit dem Modell eines Schachtwasserkraftwerks

Foto: Hubert Czech, ©Deutsches Museum/TU München


Foto: Hubert Czech, ©Deutsches Museum/TU München

Was soll herausgefunden / untersucht werden?

Die Teilnehmer/innen beschäftigen sich als Ingenieure und Biologen mit der Frage: Wie können wir mit Wasserkraft Strom „erzeugen“1 und zugleich die Natur, insbesondere die Fische, schützen? Mit dem Modell lässt sich das Funktionsprinzip des patentierten Schachtwasserkraftwerks des Lehrstuhls für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München nachbauen.







1Die Begriffe Strom“produktion“, Energie„erzeugung“ etc. werden hier im Sinne der besseren Lesbarkeit in ihrer alltagssprachlichen Bedeutung verwendet, nicht als physikalische Begriffe.

Warum / wofür könnte das wichtig sein?

Das Schachtwasserkraftwerk wird in Großweil an der Loisach gebaut werden. Vorausgegangen ist ein Konflikt zwischen Naturschützern und Befürwortern des Kraftwerks, in dessen Mittelpunkt der Schutz der Fische in dem sensiblen Gebiet stand. Die Diskussion um die Vor- und Nachteile der Wasserkraft ist prototypisch für viele Debatten der Energiewende – welche Kompromisse ist man bereit einzugehen? Wie lässt sich Technik umweltschonend und möglichst naturgerecht gestalten und implementieren?

Warum ist das Experiment für die Teilnehmer interessant?

Die Jugendlichen können selbst ihre Ideen zum Aufbau eines umweltschonenden Wasserkraftwerks umsetzen, indem sie es mit verschiedenen vorgegebenen Bauteilen konstruieren. Spannend ist das eigenständige Arbeiten mit einem Projekt aus der aktuellen Forschung und der starke Anwendungsbezug.

Was sollen die Kinder / Jugendlichen mit diesem Experiment lernen?

Neben das eigene Erlebnis, Strom mit Wasserkraft erzeugen zu können, tritt die Möglichkeit, die Bauteile des Kraftwerks zu verändern und die Auswirkungen auf die Effizienz der Stromerzeugung zu messen. Um beide Ziele zu erreichen – effizient Strom zu produzieren und die Fische zu schützen, ist ein Kompromiss nötig: Auf eine maximale Stromproduktion muss zugunsten des Fischschutzes verzichtet werden.

Gibt es einen gesellschaftlichen Aspekt in der Fragestellung?

An dem lokalen Beispiel eröffnen sich viele Fragen zu einer möglichen globalen Nutzung, z.B. in Entwicklungsländern. Die Kontexte reichen von der lokalen Anwendung in Großweil zur nationalen Energiewende bis zum globalen Ausbau der Energieversorgung.

Werden spezielle Kompetenzen mit dem Experiment / Angebot gefördert?

Mit dem Angebot können Kompetenzen der Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung gefördert werden.

Was wird gemacht?

Die Modelle erlauben einen äußerst flexiblen Einsatz der Bauteile und eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten in der Konstruktion des eigenen Wasserkraftwerks. Forschend-lernend beginnen die Schüler/innen mit einfachen Fragen und Vermutungen zum Wasserkraftwerk – z.B., ob eine einzelne Turbine in der Strömung bereits Strom erzeugt. Von hier ausgehend entscheiden sie selbständig, welche weiteren Fragen und Vermutungen sowie komplexere Aufbauten sie wählen. Für den Bau steht ihnen zur Verfügung: Der namensgebende Schacht in drei aufeinander stapelbaren Teilen; Turbinen verschiedener Größe und aus unterschiedlichen Materialien sowie Bauteile mit unterschiedlich großen Durchlassöffnungen. All diese Bauteile können horizontal oder vertikal und an verschiedenen Positionen verwendet werden. Die Lage des dreiteiligen Wehrs kann innerhalb des Modellbeckens nicht verrückt werden; in der Höhe sind jedoch drei Ausbaustufen möglich. Die Schüler/innen erhalten darüber hinaus die Anforderung, die Fische im Fluss zu schützen und hierzu Fischgitter und Fischtreppe in ihrer Konstruktion zu verwenden.

Ist das Experiment interdisziplinär angelegt?

Das Experiment spricht die Fachbereiche Ingenieurswissenschaft, Physik, Biologie an und thematisiert zugleich den gesellschaftlichen Kontext.

Ist das ein aktuelles Forschungsthema? Wenn ja, warum?

Die Modelle ermöglichen den Nachbau des patentierten Schachtwasserkraftwerks des Lehrstuhls für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München. Das Besondere an dem Kraftwerk: Turbine und Generator befinden sich unter Wasser in einem Schacht, der in das Flussbett eingebaut ist. Durch die einfache Konstruktion fällt das Kraftwerk im Landschaftsbild kaum auf. Mit einem Rechen, der von Wasser überströmt wird, können Fische geschützt werden.

Ist es ein Thema der eigenen Trägerorganisation?

Ja, als Thema aktueller Forschung an der TUM.

INFOBOX


Schülerlabor:
TUMlab im Deutschen Museum
München

Link zum Schülerlabor

Kontakt-Person(en):
Miriam Voß, Andreas Kratzer

Alter und Schulart(en) der Zielgruppe:
ab 10 Jahren, Grundschule, alle weiterführenden Schulen

Fachgebiet(e):
Technik, Physik, Biologie

Zeitaufwand:
mind. 2,5 Stunden

Schlagwörter:
Wasserkraft; Energiewende; Schachtwasserkraftwerk, Energieversorgung

Methode(n):
  • Geführt forschendes Experimentieren. Schüler bekommen für die Lösung der Problemstellung genügend Informationsmaterial zur Verfügung gestellt.
  • Forschendes Experimentieren. Schüler arbeiten an vorgegebenen Fragestellungen mit eigenen Lösungsvorschlägen.
  • Freies Arbeiten. Schüler können eigene Fragestellungen entwickeln und erforschen.
  • „hands-on“-Exponate zum Ausprobieren wie im Museum oder Science Center.
  • Rollenspiel

Kommentar:
Das Funktionsprinzip des Schachtwasserkraftwerks stellt folgende Animation dar: https://mediatum.ub.tum.de/node?id=1251732

Eine Zusammenstellung der Ergebnisse bisheriger Untersuchungen zur Funktionalität des Kraftwerks und zum Fischschutz findet sich in der Online-Publikation: https://www.tum.de/fileadmin/user_upload/Shaft_hydro_d_Sepp_22082014.pdf

Informationen zur geplanten Anlage in Großweil fasst folgender Steckbrief zusammen: https://www.tum.de/fileadmin/w00bfo/www/Dokumente_zu_Pressemitteilungen/Steckbrief_SKW_Grossweil_20150428.pdf

Windrad-Dynamo




Was soll herausgefunden / untersucht werden?

Fahrradbeleuchtung aus Windenergie – was gibt es hier zu beachten?
Die SuS sollen eine Fahrradbeleuchtung mit Vorder- und Standlicht so steuern, dass die Energie aus einer Kombination eines (Fahrt-)Windgenerators und eines Akku-Speichers gespeist wird.

Warum / wofür könnte das wichtig sein?

Mit diesem Experiment werden die Grundzusammenhänge bei Erneuerbaren Energien erforscht (volatile Energiequellen und Speicher). Die Nutzung von Techniken aus der Informatik (Datenerfassung, -auswertung, programmierte Steuerung) ist wichtiger Bestandteil der Energiewende (Smart Grid), der hier erfahrbar gemacht wird.

Warum ist das Experiment für die Teilnehmer interessant?

SuS können sich das Szenario einer Fahrradbeleuchtungssteuerung gut vorstellen, weil sie es aus dem Alltag kennen. Die Einbeziehung von Windenergie als Energiequelle ist typischerweise problematisch und die Suche nach Lösungen ist aktuelles Forschungsthema in vielen Fachgebieten unserer Universität. So lässt sich gut ein Bezug zu aktueller Forschung herstellen.

Was sollen die Kinder / Jugendlichen mit diesem Experiment lernen?

Die SuS sollen verstehen, wie ein Dynamo (Generator) funktioniert, und was es für Speichertechniken gibt. Sie erfahren, wie mechanische Energie (Wind, der Rotorblätter bewegt) umgewandelt, als elektrische Energie genutzt und gespeichert wird. Sie lernen, wie man Energie misst und Messwerte in Programmen nutzt, um die Energieverwendung zu steuern. Dafür lernen sie grafische Programmierung mit LabView kennen, einem echten Ingenieurswerkzeug, das in Forschung und Industrie weit verbreitet ist.

Gibt es einen gesellschaftlichen Aspekt in der Fragestellung?

Aspekte der Energiewende sind gesellschaftlich außerordentlich relevant. Das Experiment konzentriert sich zwar auf Windkraftanlagen, bezieht aber auch Speichertechniken und Steuerungsprogrammierung mit ein. Dadurch wird deutlich, dass die Energiewende ein sehr interdisziplinäres Thema ist (Elektrotechnik, Informatik, Chemie, Umweltschutz, Klimaschutz, Politik).

Werden spezielle Kompetenzen mit dem Experiment / Angebot gefördert?

Programmieren (Schleifen, Bedingungen, Messdatenerfassung); Technisches Verständnis (Strom, Spannung, Energie, Generator, Speicher)

Was wird gemacht?

Die SuS sollen eine Fahrrad-Vorderlampe (weiße LED), ein Standlicht (rote LED) und eine Akku-Kontroll-Lampe (grüne LED) so steuern, dass folgendes passiert:



  • bei Fahrtwind wird die weiße LED direkt aus dem Windgenerator gespeist und der Akku wird aufgeladen.

  • Weht kein Fahrtwind (das Fahrrad steht), dann leuchtet die rote Standlicht-LED, die aus dem Akku gespeist wird.

  • Ist der Akku fast leer, so leuchtet die Kontrollanzeige (grüne LED).




  • Diese Vorgaben sollen mit LabView programmiert und mit Lego-Mindstorms-Windgeneratoren und mehreren LEDs umgesetzt werden. Dazu muss die jeweils verfügbare Energie gemessen werden, die der Windgenerator gerade liefert. Zur Windsimulation stehen Standventilatoren zur Verfügung.

    Ist das Experiment interdisziplinär angelegt?

    Physik (Elektrotechnik) und Informatik

    Ist das ein aktuelles Forschungsthema? Wenn ja, warum?

    Windenergie und Speichertechniken sind wichtige Forschungsthemen. Beispiele sind die effiziente Energieübertragung über weite Strecken (von Offshore-Windparks im Norden Deutschlands zur Industrie in den Süden), aber auch Akkus für Elektroautos, und die technische Umsetzung von Smart Grids.

    Ist es ein Thema der eigenen Trägerorganisation?

    Zu den oben aufgeführten Themen (Windenergie, Speichertechnik, Smart Grid) wird viel an der Technischen Universität Berlin gelehrt und geforscht.

    INFOBOX


    Schülerlabor:
    dEIn Labor
    Berlin

    Link zum Schülerlabor

    Kontakt-Person(en):
    Claudia Ermel

    Alter und Schulart(en) der Zielgruppe:
    ab Klasse 10 bis Oberstufe, alle Schularten

    Fachgebiet(e):
    Physik, Informatik

    Zeitaufwand:
    5 - 6 Stunden

    Schlagwörter:
    Windenergie; Energiewende; Smart Grid; Programmieren mit LabView; Generator; Dynamo;

    Methode(n):
    • Projektarbeit mit eigenen und/oder angeleiteten Komponenten
    • Geführt forschendes Experimentieren. Schüler bekommen für die Lösung der Problemstellung genügend Informationsmaterial zur Verfügung gestellt.

    Kommentar:

Molekulare Bindekräfte, Recycling/Wiederverwertung, Ganzheitliche Bilanzierung

Teilbild links: Yoghurt- oder Milchbecher, tiefgezogen aus Polystyrol (PS) mit Mittelschicht aus Recycling-Material. An Oberflächen außen jeweils Neuware PS aus hygienischen Gründen;

Teilbild Mitte: Zerdrückt man den Becher, reißt er nur in Längsrichtung auf; belastet man ihn quer dazu durch Biegen, bricht er nicht!

Teilbild rechts: Durch das Tiefziehen bei ca 180 °C aus einer 3schichtigen Folie werden Makromoleküle infolge Scherkräfte im Werkzeug orientiert und beim Abkühlen „eingefroren“; beim Wieder –Aufheizen ab 110 °C „erinnern“ sich die Makromoleküle an ihre entropisch günstige Knäuelform (2. Hauptsatz der Thermodynamik: größte Unordnung) und werden wieder zur Folie.

Was soll herausgefunden / untersucht werden?

Sind die primären Molekülbindungskräfte (innerhalb der Molekülkette wirkenden Bindekräfte, also zwischen verbundenen Atomen) tatsächlich deutlich stärker als die sekundären Bindekräft (Zwischen Molekülen wirkende Kräfte) ? Wie kann man einen Joghurtbecher wieder in einem Becher gleicher Anwendung wiederverwerten, ohne hohe Hygienebestimmungen in D zu verletzen? Welche Rolle spielt eine (qualitative) ganzheitliche Bilanzierung für Produktentwickler in der Industrie? Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Joghurt- oder Milchbecher daraufhin untersuchen.

Warum / wofür könnte das wichtig sein?

Die Haltbarkeit von Verpackungen hilft Lebensmittel mechanisch zu schonen und länger haltbar zu machen. Bricht die Verpackung leicht, z. B. beim Herunterfallen, entstehen Schäden am Gut und Verschmutzungen. Mit diesem Experiment verstehen die Schülerinnen und Schüler, wie die Verarbeitung von Kunststoffen die Produkteigenschaften beeinflusst, wie man Grundlagen der Chemie z. B. Bindekräfte einfach (und überraschend) sichtbar und fühlbar machen kann und wie man intelligent Recyclingmaterial bei Lebensmittelverpackungen (aus hygienischen Gründen fast unmöglich!) verstehen kann.

Warum ist das Experiment für die Teilnehmer interessant?

Alle benutzen wir Kunststoffverpackungen und werfen sie nach dem Gebrauch achtlos weg. Meist ärgern wir uns noch über die voluminösen Müllmengen, wie viel Gehirnschmalz und unerwartete hochinteressante Effekte jedoch in solchen Produkten häufig stecken, bleibt uns verborgen.

Was sollen die Kinder / Jugendlichen mit diesem Experiment lernen?

Sie sollen einen Einblick in die Komplexität heutiger Massenprodukte aus Kunststoffen erfahren. Weiter lernen sie künftiges über chemisch-mechanische Grundlagen von Kunststoffen und bekommen eine erste Vorstellung von Engineering.
Eine qualitative Diskussion über Ganzheitliche Bilanzierung (technisch, wirtschaftlich, umweltlich, sozial) schafft Bewusstsein für systemische Denkweise.

Gibt es einen gesellschaftlichen Aspekt in der Fragestellung?

Kunststoffe, deren Vor- und Nachteile sowie deren Recycling sind ein aktuelles Thema. Damit tangieren Kunststoffe eine Reihe wichtiger Aspekte, wie Ressourcenverbrauch, Konsumverhalten, Kreislaufwirtschaft, ganzheitliche Bilanzierung, Engineering und Umgang mit Werkstoffen, Umweltschutz.

Werden spezielle Kompetenzen mit dem Experiment / Angebot gefördert?

Theorie (Grundlagen der Chemie) mit Hand begreifen; technisches Verständnis; Beobachtungsgabe; logisches ingenieurmäßiges Denken; Problemlösungsverhalten; systemische Denkweise;

Was wird gemacht?

Was wird gemacht?
- Jedes Kind bringt einen großen (0,5 l) leeren Joghurt- oder Milch-Kunststoffbecher mit
- Jedes Kind bringt einen kleinen (0,25 oder 0,3 oder auch 0,5l) leere PET-Flasche mit
- Der Becher wird am oberen verstärkten Rand zusammengedrückt

Was passiert?
Der Becher bricht in Längsrissen zum Boden hin; weiteres Zerdrücken führt über Risse zu Längsstreifen.

Warum bricht der Becher auf diese Weise? Warum bricht so ein Streifen quer zur Längsrichtung nicht? Auch nicht, wenn man über 20x oder öfter kräftig hin und her biegt?
[Lösung: der Becher wurde unterhalb der Kunststoffschmelztemperatur tiefgezogen oder über der Schmelztemperatur spitzgegossen; dabei werden die Makromoleküle in Folge Scherkräfte in Längsrichtung orientiert. Beim Brechen wirken somit überwiegend die um ca. Faktor 20 - 35 schwächeren sekundären Bindekräfte zwischen den Polymermolekülen; während senkrecht dazu die Bindekräfte in der Kette (zwischen den C-C-Bindungen) beansprucht werden und wegen ihrer Höhe der Folie eine hohe Festigkeit garantieren.]

Wiederholen die Schülerinnen und Schüler nun das gleiche Experiment an einem aus der PET-Flasche geschnittenen Stück und belasten den Kunststoffstreifen jeweils um 90° versetzt, was passiert dann?
[Lösung: dieses PET-Stück aus der Flasche ist in beiden Richtungen gleich hoch fest. Es bricht in keiner Belastungsrichtung!]

Warum?
[Lösung: biaxial versteckte Folie bei der Herstellung ergibt gestreckte Makromolekülkette in beiden (um 90° versetzt) Richtungen; daraus folgen hohe Primärbindungen und entsprechend hohe Festigkeiten.]

Was fällt auf, wenn die Schülerinnen und Schüler die Bruchflächen der Längsrisse beim Joghurt oder Milchbecher genau ansehen?
Sie stellen eine Dreischichtung der ca. 0,4 mm dicken Folienwand des Bechers fest. Außen und innen weiß, dazwischen grau.

Welche Erklärung gibt es dafür?
[Lösung: die Außenschichten sind Neuware, also Originalkunststoff, innen ist Recyclingware, also Alt-Kunststoff früherer Becher, versteckt. Hergestellt wird dies über die so genannte Co-Extrusion.

Ist das Experiment interdisziplinär angelegt?

Chemie, Technik, Werkstoffkunde, Betriebswirtschaft (qualitativ), Produkt- (Lebensmittel) Schutz/Hygiene.

Ist das ein aktuelles Forschungsthema? Wenn ja, warum?

Sichere Verpackungen sind ein wichtiges Thema beim Ressourcenschutz und der Hygiene. Kreislaufwirtschaft ist technisch, wirtschaftlich, umweltlich und sozial bedeutungsvoll.

Ist es ein Thema der eigenen Trägerorganisation?

Ja

INFOBOX


Schülerlabor:
Offene Jugendwerkstatt Karlsruhe
Karlsruhe-Grünwettersbach

Link zum Schülerlabor

Kontakt-Person(en):
Peter Eyerer, Dörthe Krause

Alter und Schulart(en) der Zielgruppe:
Ab Klasse 8 aller Schularten

Fachgebiet(e):
Chemie, Naturwissenschaften, Technik (NWT)

Zeitaufwand:
45 Minuten

Schlagwörter:
Primäre und Sekundäre Bindekräfte; Herstellung von Verpackungsprodukten aus Kunststoffen; Recycling; Kreislaufwirtschaft; Ganzheitliche Bilanzierung; Systemisches Denken

Methode(n):
Geführt forschendes Experimentieren (Für die Lösungen der Frage/Problemstellungen gibt es genügend Infomaterial (schriftlich, visuell (Videos), haptisch))

Kommentar:

Nachhaltige Mehrphasenkatalyse mit Ionischen Flüssigkeiten




Was soll herausgefunden / untersucht werden?

Es sollen verschiedene Strategien aufgezeigt werden, wie sich Chemie nachhaltiger gestalten lässt. Dazu lernen die Schülerinnen und Schüler Ionische Flüssigkeiten als multifunktionale, wiedergewinnbare, umwelt¬freundlichere Lösemittel kennen. Die verwendete Ionische Flüssigkeit dient gleichzeitig als Katalysator, Lösemittel und wasserentziehendes Mittel in einer flüssigen Mehrphasenkatalyse, die eine technisch interessante Alternative zur konventionellen Katalyse darstellt.

Warum / wofür könnte das wichtig sein?

Ionische Flüssigkeiten sind sehr stabil, nicht entflammbar und verdampfen nicht. Sie können gezielt an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden, und sie können wieder¬verwendet werden. Daher sind Ionische Flüssigkeiten für eine Vielzahl an Prozessen und Reaktionen interessant, welche sie durch Verringerung des Energie- und Chemikalieneinsatzes deutlich ökologischer und ökonomischer machen. Gleichzeitig erhöht sich die Sicherheit. Kombiniert wird diese nachhaltigere Methode mit dem industriell interessanten Konzept der homogenen Mehrphasenkatalyse, welches die Vorteile von homogener und heterogener Katalyse kombiniert. Die Kombination Ionische Flüssigkeiten – Mehrphasenkatalyse führt zur Minimierung des Eintrags von Chemikalien und Energie.

Warum ist das Experiment für die Teilnehmer interessant?

Das Experiment ist einfach in der Durchführung und kommt ohne aufwendige Geräte und ohne Abzug aus, da keine volatilen organischen Lösemittel eingesetzt werden. Es kann auch zeitlich variabel gestaltet werden. Die Ergebnisse sind sehr anschaulich, da sie direkt optisch und über den Geruch zu erfassen sind. Der Versuch spricht in vielerlei Hinsicht das Struktur-Eigenschaftskonzept an (Polarität, Schmelz- und Siedepunkt, Lösungs-verhalten…). Es wird anhand einer einfachen Grundreaktion der Organischen Chemie gezeigt, wie die aktuelle Forschung versucht, Chemie nachhaltiger zu gestalten, was auch großtechnisch gewünscht ist.

Was sollen die Kinder / Jugendlichen mit diesem Experiment lernen?

Den Jugendlichen soll ein Einblick in den aktuellen fachwissenschaftlichen Forschungstand über ILs gegeben werden, mit vielseitigen und kombinierbaren Ansätzen zu einer nachhaltigen Entwicklung. Den jungen Experimentatoren werden mehrere Prinzipien einer MINT.ub näher gebracht. Dies umfasst Ionische Flüssigkeiten als sicheres, wiedereinsetzbares Reaktions-medium, chemikalien¬reduzierende Strategien und die Mehrphasenkatalyse zur Energieeinsparung und Katalysatorrückgewinnung. Sie sollen ihre Kenntnisse über grundlegende physikalisch-chemische Zusammenhänge anhand des angesprochenen Struktur-Eigenschafts-Konzepts erweitern. Ferner soll den Experimentatoren einfaches chemisches Experimentieren und Kenntnisse in organischer Chemie anhand der Grundreaktion der säurekatalysierten Veresterung näher gebracht werden. Da die erhaltenen Fruchtester auch in natürlichen Fruchtstoffen vorkommen, wird das Experiment noch um Aspekte der Natur- und Duftstoffchemie erweitert.

Gibt es einen gesellschaftlichen Aspekt in der Fragestellung?

Der Fokus des Schülerlaborpraktikums liegt auf der nachhaltigen Chemie, welche versucht, einen Beitrag zur Bildung einer Gesellschaft zu leisten, welche unter Berücksichtigung von sozialen, ökologischen und ökonomischen Aspekten dem Drei-Säulen-Konzept der Nachhaltigkeit gerecht wird. Mit den vorgestellten Strategien lassen sich Chemikalien und Energie einsparen, was die Umweltbelastung minimiert. Darüber hinaus sind Ionische Flüssigkeiten nicht entflammbar und verdampfen nicht, was die Sicherheit von beteiligtem Personal merklich erhöht, Risiken für Unfälle reduziert und Verdampfungs-verluste ausschließt.

Werden spezielle Kompetenzen mit dem Experiment / Angebot gefördert?

Vermittelt werden im Sinne einer naturwissenschaftlichen Grundbildung sowohl experimentelle Kompetenzen als auch Grundwissen über konkrete industrielle Umsetzungen von innovativen chemischen Verfahren. Im Fokus steht jedoch die Förderung der Bewertungskompetenz von chemischen Prozessen im Sinne der Nachhaltigkeit.

Was wird gemacht?

Mit Hilfe der Brönsted-sauren Ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-methylimidazolium hydrogensulfat [BMIM][HSO4] (siehe Bild 1) werden verschiedene Carbon-säuren und Alkohole einer säurekatalysierten Veresterung unterzogen. Carbonsäuren und Alkohole lösen sich, im Gegensatz zu den entstehenden Estern, in der IL. Das Produkt bildet eine zweite Phase, die nach beendeter Reaktion, anders als bei konventioneller Reaktionsführung, ohne weiteren Einsatz von Energie oder Chemikalien einfach abdekantiert werden kann. Die Identifikation der Reaktionsprodukte erfolgt ohne Charakterisierungsaufwand einfach durch den charakteristischen Geruch der Früchte, in welchen diese Fruchtester natürlich vorkommen. Die Ionische Flüssigkeit ist in der Reaktion multifunktional: Sie dient als Lösemittel für die Edukte, zur Separation der Produkte, als Katalysator und als wasserentziehendes Mittel. Nach der Abtrennung der Reaktionsprodukte kann sie einfach regeneriert und für weitere Reaktionen wiedereingesetzt werden. Es werden also im Gesamtprozess keine zusätzlichen Chemikalien benötigt, und dementsprechend fällt kein Abfall an.

Ist das Experiment interdisziplinär angelegt?

Das Experiment hat einen Fokus auf Chemie, vermittelt aber auch Kenntnisse aus der Verfahrenstechnik, wie katalytische Reaktionsführungen und Optimierung von Energie- bzw. Chemikalienverbauch, welche für industrielle Umsetzungen unerlässlich sind.

Ist das ein aktuelles Forschungsthema? Wenn ja, warum?

Sowohl Ionische Flüssigkeiten als auch die homogene Mehrphasenkatalyse sind hochaktuelle Themen in der Fachwissenschaft und haben in den letzten Jahrzehnen vermehrt auch großtechnische Anwendung gefunden. Bekannte industrielle Beispiele sind das BASILTM-Verfahren der BASF, die Ruhrchemie/Rhône-Poulenc-Hydroformylierung oder der Shell Higher Olefin Process (SHOP).

Ist es ein Thema der eigenen Trägerorganisation?

Nachhaltige Chemie ist der thematische Schwerpunkt des Schülerlabors NanoBioLab am Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Universität des Saarlandes. Ein stofflicher Schwerpunkt des Lehrstuhls sind Ionische Flüssigkeiten, die zu Synergien zwischen den Arbeitsgebieten Nachhaltige Chemie und Energierelevante Elektrochemie führen. Der Einsatz von Ionischen Flüssigkeiten ist Gegenstand fachwissenschaftlicher und fachdidaktischer Publikationen des Lehrstuhls.

INFOBOX


Schülerlabor:
NanoBioLab
Saarbrücken

Link zum Schülerlabor

Kontakt-Person(en):
Prof. Dr. Rolf Hempelmann, Daniel Rauber, Dr. Johannes Huwer

Alter und Schulart(en) der Zielgruppe:
Klassenstufe 9 bis 12 bzw. 13

Fachgebiet(e):
Chemie, Verfahrenstechnik

Zeitaufwand:

Schlagwörter:
Ionische Flüssigkeiten; Nachhaltige („Grüne“) Chemie; Mehrphasenkatalyse; Veresterung

Methode(n):
  • Rezeptives Experimentieren. Die didaktisch entwickelten Kurse/Module werden von den Schülern in der Regel vollständig nach Anleitung durchgeführt.
  • Einblicke in die Berufswelt
  • Erstellung von Zukunftsvisionen

Kommentar:

Celluloseverarbeitung mit Ionischen Flüssigkeiten


Was soll herausgefunden / untersucht werden?

Die Schülerinnen und Schüler lernen Ionische Flüssigkeiten (ILs) als neuartige Lösemittel für Biomasse, insbesondere Cellulose, experimentell kennen. Sie sollen Cellulose in Ionischen Flüssigkeiten lösen und diese Lösungen zu Cellulosefasern und -folie verarbeiten. Dabei steht der ökologische Vorteil dieses Verarbeitungsprozesses verglichen mit den aktuellen Verfahren zur Celluloseverarbeitung im Vordergrund.

Warum / wofür könnte das wichtig sein?

Zurzeit wird Cellulose fast ausschließlich durch das abfallreiche Viskoseverfahren verarbeitet, bei welchem eine Derivatisierung mit dem giftigen, flüchtigen und leicht entzündlichen Kohlenstoffdisulfid erfolgt. Durch das direkte Auflösen der Cellulose in ILs und Spinnen in ein Wasserbad fallen keine zusätzlichen ökologisch bedenklichen Chemikalienabfälle an. Da die Ionischen Flüssigkeiten darüber hinaus einfach recycled werden können, lernen die Schüler eine Alternative der Celluloseverarbeitung kennen, die Abfälle und Energieverbrauch deutlich reduzieren könnten.

Warum ist das Experiment für die Teilnehmer interessant?

Jeder nutzt massenweise Produkte aus Cellulose (Papier, Pappe, Kleidung aus Viskosefasern) jeden Tag. Damit ist ein Bezug zur Alltagswelt der Schüler sofort hergestellt. Die Schüler erhalten außerdem einen Einblick in Themen der aktuellen Forschung.

Was sollen die Kinder / Jugendlichen mit diesem Experiment lernen?

Die Schüler lernen, wie chemische Prozesse im Sinne einer nachhaltigeren Chemie zu bewerten sind und wie diese ökologischer gestaltet werden können. Sie lernen außerdem eine Stoffklasse kennen, die Gegenstand der aktuellen fachwissenschaftlichen Forschung ist, und sehen die möglichen Vorteile einer nachhaltigeren, ökologischeren und sichereren Prozessgestaltung.

Gibt es einen gesellschaftlichen Aspekt in der Fragestellung?

Cellulose ist der meist vorhandene nachwachsende Rohstoff. Daraus resultiert ein enormes Marktvolumen für Produkte auf Basis von Cellulose. Eine nachhaltigere Produktion auf diesem Gebiet ist daher von Interesse für die gesamte Gesellschaft.

Werden spezielle Kompetenzen mit dem Experiment / Angebot gefördert?

Die Schüler lernen in einer Reihe von selbstständig durchführbaren Experimenten den Verarbeitungsprozess vom Holz bis zur Cellulose kennen. Darüber hinaus sollen sie erkennen, wie bestehende Prozesse durch innovative Technoligen sicherer, ökologischer und ökonomischer gestaltet werden können.

Was wird gemacht?

Cellulose wird selbst in einem Holzaufschluss gewonnen und in den Ionischen Flüssigkeiten 1-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid und 1-Butyl-3-methylimidazoliumacetat, kurz [BMIM][Cl] und [BMIM][OAc], gelöst. Die Ionischen Flüssigkeiten können vorher selbst synthetisiert werden. Die Lösungen werden zu Cellulosefäden und zu Cellulosefolien weiterverarbeitet. Ein schöner optischer Effekt wird erzielt, wenn man die Lösungen vor dem Verarbeiten mit einem Farbstoff einfärbt. Dazu eignet sich beispielsweise der Jeansfarbstoff Indigo. Die Ionischen Flüssigkeiten werden in einem Wasserbad aus den verarbeiteten Produkten gelöst und anschließend destillativ zurückgewonnen.

Ist das Experiment interdisziplinär angelegt?

Chemie und Verfahrenstechnik.

Ist das ein aktuelles Forschungsthema? Wenn ja, warum?

Ionische Flüssigkeiten stehen im Fokus aktueller Forschungen in vielen Teilgebieten der MINT-Fächern, besonders der Chemie. Die Nutzung für die Verarbeitung von Biomasse ist nur eine der vielen Möglichkeiten. Die nachhaltigere Nutzung von Biomasse ist ebenfalls Gegenstand aktueller Forschungen, nicht nur mit Ionischen Flüssigkeiten.

Ist es ein Thema der eigenen Trägerorganisation?

Ionische Flüssigkeiten sind Forschungsthema von fachwissenschaftlichen und fachdidaktischen Publikationen am Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Universität des Saarlandes. Das Schülerlabor NanoBioLab dieses Lehrstuhls legt seinen thematischen Fokus auf Nachhaltige Chemie.

INFOBOX


Schülerlabor:
NanoBioLab
Saarbrücken

Link zum Schülerlabor

Kontakt-Person(en):
Daniel Rauber, Michael Conrad, Dr. Johannes Huwer, Prof. Dr. Rolf Hempelmann

Alter und Schulart(en) der Zielgruppe:
Gymnasiale Oberstufe

Fachgebiet(e):
Chemie

Zeitaufwand:
5 Stunden

Schlagwörter:
Ionische Flüssigkeiten; Cellulose; Nachhaltigkeit

Methode(n):
  • Rezeptives Experimentieren. Die didaktisch entwickelten Kurse/Module werden von den Schülern in der Regel vollständig nach Anleitung durchgeführt.
  • Erstellung von Zukunftsvisionen.

Kommentar:
Die Versuchsreihe kann je nach vorhandener Zeit angepasst werden. Die Versuchsreihe verliert ihren Sinn nicht, wenn einzelne Teile (z.B. Synthesen der ILs) nicht selbst durchgeführt werden.

Treibhauseffekt




Was soll herausgefunden / untersucht werden?

Es soll herausgefunden werden, inwieweit Treibhausgase Einfluss haben auf die Erderwärmung.

Warum / wofür könnte das wichtig sein?

Der Anwendungsbezug ergibt sich aus der aktuellen Debatte um Klimawandel und Klimaschutz.
Das Thema gehört aber auch auf jeden Fall zur Grundlagenforschung- es geht um den Gewinn von Erkenntnis über die Zusammenhänge in der Natur.

Warum ist das Experiment für die Teilnehmer interessant?

Es gibt einen direkten Bezug zur aktuellen Situation des Klimawandels auf der Erde. Den Klimawandel kann man selbst in unseren Breiten teilweise spüren sei es durch erhöhte Temperaturen im Winter beispielsweise oder durch die Zunahme von Starkwetterereignissen etc. Diese Vorgänge zu analysieren und herauszufinden, was für Ursachen es gibt, beziehungsweise wie und warum diese sich auswirken ist sehr interessant für die Schüler und Schülerinnen-

Was sollen die Kinder / Jugendlichen mit diesem Experiment lernen?

Die Schüler und Schülerinnen sollen lernen, dass Treibhausgase einen direkten Einfluss haben auf den Klimawandel. Sie können aber gleichzeitig nachvollziehen, dass sie selbst Einfluss nehmen können auf die Höhe der Treibhausgasemissionen.

Gibt es einen gesellschaftlichen Aspekt in der Fragestellung?

Klimawandel ist weitestgehend bedingt durch die hohen Emissionen der wohlhabenden Industrieländer. Entwicklungsländer sind jedoch stäker als die Industrienationen Opfer des dadurch bedingten Klimawandels. Die Dürrekatastrophen und Zunahme des Wassermangels werden nicht zuletzt auch gesellschaftliche Prozesse in Gang bringen wie (Klima)Flüchtlingsmigration und die Lücke zwischen Arm und reich vergrößern.

Werden spezielle Kompetenzen mit dem Experiment / Angebot gefördert?

Es werden Kommunikationskompetenzen (Diskussion im Anschluss an die Auswertung des Experimentes), soziale Kompetenzen (Arbeit in der Gruppe) und das logische Denkvermögen (Erkenntnisgewinn- Verknüpfung mit Fachwissen) gestärkt. Auch die Fähigkeit des Experimentierens an sich, der Handhabung von technischen sowie Labormaterialien wird geübt. Die Vorgehensweise des Erschließens von Erkenntnissen aus den Messergebnissen wird ebenfalls gefördert.

Was wird gemacht?

Ein Experiment mit mehreren Messreihen verdeutlicht den Schüler/Innen den treibhauseffekt. In verschiedenen Messreihen untersuchen die Schüler/Innen selbsständig den Einfluss von Luft, Wasserdampf und Co2 auf die erderwärmung. Sie messen die unterschiedliche Wärmeadsorption dieser Gase und erfahren unmittelbar deren unterschiedliche Wirkung als Treibhausgase. Durch das mehrteilige Experiment zeigen sich verschiedene Aspekte des Treibhauseffektes-

Ist das Experiment interdisziplinär angelegt?

Das Experiment grenzt mit seinen Inhalten an Chemie, Physik, Geographie, Biologie, sowie Klimathemen in anderen Fächern (Politik)

Ist das ein aktuelles Forschungsthema? Wenn ja, warum?

Das Potsdaminstitut für Klimafolgenforschung ist führend auf diesem Gebiet mit seinen Untersuchungen und Analysen in diesem Themngebiet. Darüberhinaus wird an den verschiedenen Universitäten auch dazu geforscht (bspw. Freiburg)-

Ist es ein Thema der eigenen Trägerorganisation?

Das Thema berührt durchaus Inhalte der Trägerrorganisation (Klimabündnis Gelsenkirchen Herten)

INFOBOX


Schülerlabor:
EnergyLab im Wissenschaftspark Gelsenkirchen
Gelsenkirchen

Link zum Schülerlabor

Kontakt-Person(en):
Ralf Engelbrecht-Schreiner

Alter und Schulart(en) der Zielgruppe:
Klassen 8 bis 13, alle Schulformen

Fachgebiet(e):
Chemie, Biologie, Physik, Geographie

Zeitaufwand:
2 Stunden

Schlagwörter:
Klimaschutz, Klimawandel, Treibhausgase, Co2 Ausstoß

Methode(n):
  • Projektarbeit mit angeleiteten Komponenten
  • Rezeptives Experimentieren. Die didaktisch entwickelten Kurse/Module werden von den Schülern in der Regel vollständig nach Anleitung durchgeführt.
  • Einblicke in die Berufswelt

Kommentar:

Weichmacherwanderung in Kunststoffen kann Bauteilversagen bewirken – Spannungsrissbildung bei Straßenlaternenkugeln aus Polycarbonat (PC)

Gesamtübersicht mit Lampenfassung oben (schwarzer Rand und weisse Birnenfassung mit elektrischen Kabeln; abgebrochenes Gewindestück des Polycarbonat-Lampenhalses; Polycarbonat Lampenkugelkörper


Lampenfassung mit elektrischen Kabeln (farbig Weich PVC ummantelt)
Oben: in schwarz der Gusseisenring als Träger der PC-Kugel; darunter montiert die Keramik-Fassung zum Einschrauben der Glühbirne, dazwischen ein Trafo.

Was soll herausgefunden / untersucht werden?

In einer bekannten Stuttgarter Fußgängerzone zerstörten böse Buben im Bauabschnitt 1 die neu installierten Glaskugeln und gefährdeten sich und Passanten. Nach sechs Monaten folgte Bauabschnitt 2 und man entschloss sich von Seiten der Stadt die neu zu errichtenden Lampen mit bruchsicheren Kunststoffkugeln zu machen und gleichzeitig in der Zone 1 die Glaskugeln auch zu ersetzen. Als nach weiteren 2 Monaten im Sommer die Kunststoffkugeln in Zone 2 eine nach der anderen, diesmal ohne Fremdeinwirkung, herunterfielen, war das Staunen groß. Die Lampenkugeln in Zone 1 blieben unversehrt hängen. Wie kann das sein? Was war ursächlich passiert? Wer ist für den Schaden verantwortlich?

Warum / wofür könnte das wichtig sein?

Versicherungs-Schadensfall muss geklärt werden; Gefährdung von Personen auf öffentlichen Straßen;

Warum ist das Experiment für die Teilnehmer interessant?

Aus case studies (in der Realität passiert) lernen Schüler Zusammenhänge zwischen Chemie, Physik, Werkstoffkunde, methodisches Vorgehen beim Lösen von Problemen, Vermeidungsstrategien, Anwendungen (Versagen und Lösungen zum Verbessern)

Was sollen die Kinder / Jugendlichen mit diesem Experiment lernen?

Molekülstrukturen in Kunststoffen reagieren völlig verschieden im Vergleich mit atomaren Metallstrukturen. Im gedehnten Zustand (Zugbelastung) können kurzkettige Moleküle mit entsprechenden chemischen Wechselwirkungen (basierend auf Dipolmomenten also unterschiedlicher Polarität) die langkettigen Makromoleküle brechen. Fehlstellen in der Struktur führen dann makroskopisch zum Riss und zum Bruch des Bauteils. Organische molekulare Stoffe (z. B. Kunststoffe/Polymere) kann man in ihren Grundeigenschaften nur verstehen, wenn man ihre Chemie kennt, Wechselwirkungen berücksichtigt und Physik von molekularen Überstrukturen einbezieht.

Gibt es einen gesellschaftlichen Aspekt in der Fragestellung?

In unseren Medien überwiegt ein negatives Image von Kunststoffen: Emissionen, Vermüllung von Meere und Land, nur kurzlebig weil leicht brechbar, unbeständig, kritische Chemie z.B. bei Schäumen usw.
PC-Lampenkugeln, die in Fußgängerzonen gefährlich zu Boden fallen passen da ins Bild. In dieser Situation hilft die Kenntnis der kunststoffkundlichen Zusammenhänge um Produkte aus Kunststoffen zu entwickeln und herzustellen, die nicht versagen. Jugendliche sollten das wissen, denn Kunststoffe sind Lebensretter, Komfort-Werkstoffe, Schutzmaterialien, Energiesparer usw.

Einige Beispiele, die wir als selbstverständlich hinnehmen mögen, verdeutlichen dies:
Sicherheitsgurte, airbags, Reifen, Lebensmittelverpackungen erhöhen die Haltbarkeit und verbessern die Hygiene, Wasser- und Gasrohre, Medizinanwendungen (Katheder, künstliche Organe, Spritzen, Wundverbände) Kleidung, Schuhe, Sportartikel, Verhütungsmittel, Rettungsboote usw.
Nicht die Kunststoffe sind bei Defekten oder Umweltsünden schlecht, sondern wir Verbraucher werfen sie ins Meer und in die Flüsse oder Ingenieure konstruieren Bauteile (z.B. Spielzeuge) falsch und sie brechen.

Werden spezielle Kompetenzen mit dem Experiment / Angebot gefördert?

Einblicke in das Berufsleben; Bezug zwischen Theorie und Praxis; Problemlösungsverhalten wird geschult bei hoher Motivation infolge Praxisrelevanz.

Was wird gemacht?

Problemaufnahme
Eine Dienstreise zum Ort des Geschehens! Ohne Ortsbesichtigung kann man den Fall nicht lösen. Auch nicht ohne Messungen. Als erstes werden Fotos gemacht, das nennt man Dokumentation, siehe Bilder 1 und 2. Die Experten betrachten sich die heruntergefallenen Polycarbonat-Kugeln (PC-Kugeln) genau und stellen fest:


  • Die Kugeln hängen eingeschraubt in einer Metallfassung von oben nach unten, siehe Bilder 1 und 2

  • Weißer Belag im unteren Lampenkugelteil, Bild 3

  • Ölig-schmieriger Belag im oberen Kugelteil, Bild 3

  • Defekte Lampenkugeln sind am Übergang Gewindehals zu Kugelkörper, siehe Bild 4, kreisrund gebrochen; optisch erscheint dies als die dünnste Stelle der Kugelwanddicke. Man ist geneigt dies als Schwachstelle zu identifizieren.

  • Die heruntergefallenen PC-Lampenkugeln sind durch den Aufprall nicht weiter zerbrochen; die Wahl des Kunststoffes hält somit den freien Fall aus ca. 4 m Höhe aus.

  • Temperaturmessungen ergeben: in der Nähe der Glühbirne (damals gab es noch keine LED-Lampen) und zwischen den isolierten elektrischen Kabeln, siehe Bild 3, die nach oben weggeführt wurden, waren es 115 °C, im Bereich der Außenfassung 86 °C, im oberen Bereich der Lampenkugel 45 °C.




Die nächsten Schritte erfolgen dann im Chemielabor in der Schule.
Was ist passiert? Woher kommen die verschiedenen Niederschläge im Kugelinneren? Welche Auswirkungen haben sie? Ist die Lampenkugel im Gewindebereich mechanisch zu schwach?

Um die weiße Schicht unten und die schmierige Schicht oben zu analysieren, wird der Chemielehrer die Methode der Infrarot-Spektroskopie erklären. Mit ihr kann man, wie bei einem Fingerabdruck bei Menschen, den chemischen Fingerabdruck von organischen Substanzen bestimmen und damit diese erkennen. Der weiße Belag kann als Kalkablagerung nach Wassereintritt infolge Undichtheit an der Fassung oben identifiziert werden. Bild 5 zeigt das Ergebnis einer FT-IR-Analyse (Fourier-Transformations-Infra-Rot-Spektroskopie). Über einen Suchlauf durch 1000e im Rechner hinterlegten Spektren erkennt er das aufgenommene Spektrum zu Dioctylphthalat (DOP). DOP ist ein äußerer Weichmacher für PVC. Die Ummantelungen von elektrischen Kabeln sind aus Weich-PVC. Der ölige Niederschlag in der oberen Kugelhälfte stammt also von den Kabeln und ist dort infolge der hohen Temperaturen in der Lampenhalterung ausgedampft und schlug sich an der kalten Innenoberfläche der PC-Kugel nieder.


Warum brechen die PC-Lampenkugeln?
Die nächste Frage "Welche Auswirkungen hat das niedermolekulare ölig wirkende DOP auf Polycarbonat im Gewindehals-Bereich?" und deren Antwort führt uns nun in den Aufbau der Kunststoffe.

Polymere (griechisch: poly viel, meros das Teil, also vielteilig) sind sehr langkettig makromolekular. Kunststoffe bestehen somit aus Makromolekülen mit hoher Molmasse. Wirken nun andere Moleküle mit reaktiven Seitengruppen auf z. B. Polykarbonat-Moleküle ein, kommt es zu Wechselwirkungen. Unter äußeren mechanischen Spannungen, bevorzugt Zugspannungen, kann es zu Brüchen oder Rissen innerhalb einer langen Kette kommen. Dies kann bei passenden Paaren (Kunststoff und Lösemittel, wie beispielsweise PC und DOP) zum Riss des Polymers kommen. Man nennt es Spannungsrissbildung. Erhöhte Temperaturen verstärken den Effekt.

Die Situation um die Lampenkugel im Bereich der Fassung, in der mit ihrem Eigengewicht, ca. 6 kg die PC-Kugel hängt, ist typisch für Spannungsrissbildung.

Zugspannungen im Querschnitt des PC-Schraubgewindes, erhöhte Temperaturen und als spannungsrissauslösendes Medium für PC das niedermolekulare DOP (Struktur des DOP siehe Bild 6) führen schließlich zum Bruch und Herunterfallen der Lampenkugeln. Die geringere Wanddicke unterhalb des Gewindes, Bild 4, ist keine Schwachstelle, sondern konstruktiv richtig. Damit wird die Beweglichkeit (Deformationsfähigkeit) der Kugel in der Aufhängung größer. Die Verjüngung wirkt als flexible Membran.

Bleibt noch zu klären, warum die PC-Kugeln im neu gebauten Teil 2 der Fußgängerzone nicht herunterfielen, nachdem man die Glaskugeln durch sie ersetzte? Erklärung: Das auspermeierte DOP klebte an der Glasinnenoberfläche und wurde mit dem Glas entsorgt. Das für PC spannungsrissauslösende Medium war entfernt. Bei Glas wirkt es nicht.

Mit dieser Ursache lassen sich auch Lösungsvorschläge für die Problembehebung nennen:


  • Andere Kabelisolierungen verwenden z. B. Silikongummi wie in Flugzeugen, jedoch teuer

  • Temperatur senken, z. B. durch LED Leuchten; (gab es damals noch nicht) Für bessere Durchlüftung der Lampenfassung sorgen, ohne dass Regenwasser eindringen kann;

  • Anderen Kugel-Kunststoff wählen, der gegen DOP beständig ist



Ist das Experiment interdisziplinär angelegt?

Das Experiment zeigt einerseits das Zusammenspiel von Chemie und Physik in organischen Werkstoffen. Anderseits wird die ingenieurmäßige Bedeutung von kunststoffkundlichen Zusammenhängen (Werkstoffkunde) begreifbar. Gesellschaftliche Auswirkungen sind oben beschrieben.

Ist das ein aktuelles Forschungsthema? Wenn ja, warum?

Aus der obigen Schadensanalyse lässt sich ein sehr anschauliches Experiment ableiten.
Bild 7 zeigt eine verstellbare Zwinge in die zwischen die Spannbacken ein rechteckiger ca. 4 mm dicker transparenter Polystyrol-Stab eingeklemmt ist. Infolge der Verschraubung biegt sich der Stab ca. 10mm in der Mitte durch. Mit einer Pipette wird jetzt ein Tropfen Azeton auf den höchsten Punkt der Wölbung aufgebracht.
Bei entsprechender Durchbiegung sieht man das Entstehen und die Vergrößerung (Risswanderung) von Rissen bis sich ein großer Riss ausbildet und der Stab mit einem Knall bricht. Wiederholt man nun den Versuch mit einem neuen PS-Stab und tropft das Azeton nun bei umgedrehter Zwinge in die Talsohle (Azeton so dosieren, dass es nicht an den Schnittkanten auf die Rückseite läuft) dann beobachtet man das Verdunsten des Lösemittels ohne jegliche Wirkung.

Ist es ein Thema der eigenen Trägerorganisation?

Ja

INFOBOX


Schülerlabor:
Offene Jugendwerkstatt Karlsruhe
Karlsruhe-Grünwettersbach

Link zum Schülerlabor

Kontakt-Person(en):
Peter Eyerer, Dörthe Krause

Alter und Schulart(en) der Zielgruppe:
Ab Klasse 10 Gymnasium

Fachgebiet(e):
Chemie, Naturwissenschaften, Technik

Zeitaufwand:
45 Minuten oder mit eigenen Versuchen auch 90 min. sehr gut möglich

Schlagwörter:
Kunststoffkunde; Kunststoffchemie; Schadensanalyse; Spannungsrissbildung; Mechanische Eigenschaften von Kunststoffen

Methode(n):
  • Geführt forschendes Experimentieren. Schüler bekommen für die Lösung der Problemstellung genügend Informationsmaterial zur Verfügung gestellt.
  • Forschendes Experimentieren. Schüler arbeiten an vorgegebenen Fragestellungen mit eigenen Lösungsvorschlägen.
  • Einblicke in die Berufswelt

Kommentar:

Artenvielfalt erkennen - Barcoding von Orchideen




Was soll herausgefunden / untersucht werden?

Mithilfe von DNA-Barcoding sollen Blattproben verschiedener Orchideenarten identifiziert werden.

Warum / wofür könnte das wichtig sein?

In der Biodiversitätskonvention von Rio haben sich im Jahr 1992 weltweit 168 Nationen zum Schutz der biologischen Vielfalt, der nachhaltigen Nutzung ihrer Bestandteile und zu einer gerechten Zugangsregelung verpflichtet. Voraussetzung für den effektiven Schutz ist zunächst die Erfassung der Artenvielfalt und ein sicheres Identifizieren von Species. Dies ist durch DNA-Barcoding möglich.

Warum ist das Experiment für die Teilnehmer interessant?

Die Sicherung der biologischen Ressourcen für künftige Generationen ist ein vieldiskutiertes Thema mit hoher Medienpräsenz. Die Familie der Orchidaceae wird weltweit durch das Washingtoner Artenschutzabkommen geschützt. Durch die Auswahl repräsentativer Arten aus dieser Pflanzenfamilie kann die Notwendigkeit des Schutzes von vom Aussterben bedrohter Arten für Schülerinnen und Schüler anschaulich aufgezeigt werden. Dabei kann z.B. die den Jugendlichen bekannte Vanille zum Einstieg gewählt werden und der Stern von Madagaskar als „Darwinorchidee“ untersucht werden. Tropische sowie exemplarisch ausgewählte europäische Species können die weltweite Verbreitung und Bedrohung verdeutlichen.

Was sollen die Kinder / Jugendlichen mit diesem Experiment lernen?

Beim DNA-Barcoding wird die Basenabfolge eines geeigneten DNA-Abschnittes zur Arterkennung genutzt. Die Entwicklung dieser neuen Bestimmungsmethode wurde durch die großen Fortschritte in den genetischen Methoden möglich. Die Jugendlichen lernen einen Anwendungsbereich der lehrplanrelevanten PCR, Gelelektrophorese und Sanger-Sequenzierung kennen. Sie übertragen ihr theoretisches Vorwissen und stellen einen direkten Bezug zu einem aktuellen und weltweit vernetzten Forschungsbereich dar. DNA-Barcoding im Schülerlabor leistet somit auch einen Beitrag zur Wissenschaftspropädeutik.

Gibt es einen gesellschaftlichen Aspekt in der Fragestellung?

Der langfristige Erhalt der Biodiversität der Erde ist aus gesellschaftlicher Sicht von großer Bedeutung (s.o.).

Werden spezielle Kompetenzen mit dem Experiment / Angebot gefördert?

Die Kompetenzbereiche Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung werden gefördert.

Was wird gemacht?

Die Schüler extrahieren zunächst die DNA aus vier verschiedenen Blattproben ausgewählter Orchideenspecies (s.o.). Im Anschluss amplifizieren sie ein geeignetes Markergen mithilfe der PCR. Die entstandenen PCR-Produkte werden mithilfe der Gelelektrophorese überprüft und anschließend wird die Basenabfolge des Markergens durch Sanger-Sequenzierung ermittelt. Diese Ergebnisse gleichen die Schülerinnen und Schüler in einer geeigneten Datenbank (NCBI oder BOLD) mit den dort hinterlegten Sequenzen ab. Durch Prüfung der Übereinstimmung kann die untersuchte Blattprobe einer Art zugeordnet werden.

Ist das Experiment interdisziplinär angelegt?

In diesen interdisziplinär angelegt Experimentiertag fließen Aspekte aus Chemie, Physik, Technik und Informatik mit ein.

Ist das ein aktuelles Forschungsthema? Wenn ja, warum?

Zum DNA-Barcoding wird weltweit aktuell geforscht: Seit 2003 entwickeln verschiedene Arbeitsgruppen das DNA-Barcoding. Bei Tieren brachte das Markergen Cytochrom-c-Oxidase I (COI) schon früh eindeutige Ergebnisse. Bei Pflanzen wurde länger nach geeigneten DNA-Abschnitten gesucht. Aktuell werden matK und rbcL favorisiert. Derzeit sind in der Barcode-of-Life-Database über 5 Millionen Barcodes hinterlegt. Die Zahl hat sich seit 2012 annähernd verdoppelt.

Ist es ein Thema der eigenen Trägerorganisation?

Ja

INFOBOX


Schülerlabor:
teutolab-biotechnologie
Bielefeld

Link zum Schülerlabor

Kontakt-Person(en):
Kerstin Röllke

Alter und Schulart(en) der Zielgruppe:
15 - 17 Jahre, Sekundarstufe II von Gymnasien und Gesamtschulen, Q1 oder Q2

Fachgebiet(e):
Biologie, interdisziplinär mit Chemie und Physik und Informatik verknüpft.

Zeitaufwand:
6 - 8 Stunden

Schlagwörter:
DNA-Barcoding; Erhaltung der Biodiversität; Arterkennung

Methode(n):
Die didaktische Umsetzung des Workshops kann der Projektarbeit mit eigenen und auch angeleiteten Komponenten sowie dem geführt forschenden Experimentieren zugeordnet werden: Die Jugendlichen gehen der Fragestellung nach, welche Blattprobe welcher Orchidee zugeordnet werden kann. Dazu formulieren sie Hypothesen und planen die notwendigen Versuchsschritte zur Überprüfung. Nach der selbstständigen Entwicklung des Prinzips erhalten sie das Material für die konkrete detaillierte Untersuchung. Die Ergebnisse werden mit den Hypothesen abgeglichen und diskutiert. Während des Praktikumstages wird den Schülern deutlich gemacht, dass sie Einblick in die Tätigkeit eines Biotechnologen erhalten und in einem wissenschaftlichen Kontext forschend arbeiten.

Kommentar:



 

Tip:



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