Die Quantenkryptografie bietet die Chance, die Kommunikation der Zukunft abhörsicher zu gestalten. Im Schülerlabor PhotonLab am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, sich mit der Technologie in einem Analogexperiment vertraut zu machen.
Bei Schülerinnen und Schülern besteht oft eine große Hemmschwelle, sich mit naturwissenschaftlichen Fächern zu befassen. Mit Apps, die Arbeitsblätter anreichern und mit Live-Bildern aus dem Weltall wird jeder MINT-Unterricht spannend.
Bilder der Erde aus dem Weltall sind faszinierend. Geografen der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und der Universität Bonn helfen Schülerinnen und Schülern zu entdecken, wie viel mehr dahintersteckt. In den Projekten KEPLER ISS (Kompetenzorientiertes, erfahrungsbasiertes und praktisches Lernen mit Erdbeobachtung von der ISS) sowie FIS-III (Fernerkundung in Schulen) werden faszinierende Arbeitsblätter, digitale Lernmodule und Apps für den Unterricht entwickelt und auf Webportalen zur Verfügung gestellt. Unter dem Begriff Fernerkundung versteht man die kontaktlose Beobachtung der Erde. Dies geschieht meist aus dem Weltraum mithilfe von Satelliten und ihren verschiedenen Beobachtungsinstrumenten. Aber auch die Erdbeobachtung mit Drohnen oder Flugzeugen fällt darunter.
Als europäischer Partner des NASA HDEV-Experiments ist das Projekt KEPLER ISS dafür verantwortlich, die Aufnahmen der am Columbus-Labor befestigten HD-Kameras, die die Erde rund um die Uhr beobachten, zu archivieren. Die Internationale Raumstation (ISS), die die Erde ungefähr alle anderthalb Stunden umrundet, ist mit vier Kameras ausgestattet, die Tag und Nacht hochaufgelöste Live-Bilder zur Erde schicken. Diese Bilder der NASA-Mission High Definition Earth Viewing (HDEV) sind faszinierend und enthalten viele Informationen. Basierend auf diesen HDEV-Videos unserer Erde werden Lehrmaterialien entwickelt, die die natürlichen Phänomene der Erde und die auftretenden Wechselwirkungen in einem gekoppelten Mensch-Umwelt-System verdeutlichen.
Dabei werden auch die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse erläutert. So thematisiert z. B. das Arbeitsblatt „Streuung und Farben in der Atmosphäre“, wie das Sonnenlicht in der Atmosphäre gestreut wird. Hierzu wurde ein ISS-Video vom Sankt-Lorenz-Strom in Kanada so aufbereitet, dass die Atmosphäreneinflüsse herausgerechnet wurden. Anhand einer kleinen Interaktion, dem Original-Video und der bearbeiteten Version werden den Schülerinnen und Schülern die Rayleigh- und Mie-Streuung erläutert, sodass sie zudem den Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Teilchengröße und Streuung verstehen.
Die Unterrichtseinheit „Stereoskopie“ befasst sich mit 3D als Thema des Faches Physik. Seit 2009 kommen vermehrt 3D-Filme in die Kinos. Doch wie funktioniert der Effekt? Die Schülerinnen und Schüler lernen die physikalischen Grundlagen der Technik zu verstehen. Sie bekommen u. a. einen Überblick über gängige Techniken, die einen 3D-Seheindruck vermitteln, wie Anaglyphenbilder und Shutter-Technik. Darüber hinaus lernen sie die physikalischen Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen und grundlegende Begrifflichkeiten wie Polarisation kennen.
Beide Projekte finden Sie hier:
www.columbuseye.uni-bonn.de/unterricht
www.fis.uni-bonn.de
Exemplarisch soll das Projekt „Aralkum – Vom See zur Wüste“ vorgestellt werden. Im Rahmen dieses Arbeitsblattes wird den Schülerinnen und Schülern am Beispiel des Aralsees verdeutlicht, welche Probleme die voranschreitende Desertifikation in vielen Gebieten der Erde mit sich bringt. Das Arbeitsblatt ermöglicht es, die Entwicklung der Aralsee-Region sowie die gesellschaftlichen und ökonomischen Folgen in den letzten zehn Jahren anhand von ISS-Videos, Satellitendaten sowie Hintergrundinformationen nachzuvollziehen.
Mit Hilfe der auf Augmented Reality (erweiterte Realität) basierenden App „ColEye – Aralkum“ (kostenlos im Google Play Store) können die Schülerinnen und Schüler eigenständig in die Rolle der Forscher schlüpfen und selbstständig Prognosen erstellen. Auf dem Arbeitsblatt befinden sich Bilder, die als Marker dienen. Werden diese mit dem Smartphone und der App aufgenommen, werden ergänzende weitere Informationen im Handydisplay sichtbar. So verwandelt sich z. B. ein einfaches auf dem Arbeitsblatt abgedrucktes Satellitenbild in eine interaktive Zeitreihe, die die Entwicklung des Aralsees von 2000–2016 zeigt. Die Schülerinnen und Schüler lernen zudem, Satellitenbilder zu interpretieren und räumlich zu verorten. Sie werden sie in die Lage versetzt, die in der Aralsee-Region stattfindenden Prozesse einzuordnen, auch mit Blick auf die Konflikte zwischen menschlicher Nutzung und Erhalt des Naturraums.
Neben den Unterrichtmaterialien bieten die beiden Webportale weitere Zusatzinformationen. Das FIS-Portal verfügt z. B. über eine sehr umfangreiche Info-Box, in der Animationen und Hintergrundinformationen hinterlegt sind. Über eine Suchfunktion können einfach die einzelnen Inhalte erreicht werden. So ist schnell ein Überblick möglich, welche Materialien zur Verfügung stehen.
Dr. Johannes A. Schultz, Dr. Andreas Rienow
Die Schulprojekte „KEPLER ISS“ und „FIS-III“ werden von der Arbeitsgruppe Geomatik der Ruhr-Universität Bochum in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Fernerkundung der Universität Bonn umgesetzt und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert (FKZ: 50JR1701 & 50EE1703). Das FIS-Projekt entwickelt digitale, interaktive, intermediale und interdisziplinäre Unterrichtsmaterialien für die Fächer Biologie, Geographie Mathematik, Physik und Informatik. „KEPLER ISS“ ist das Nachfolgeprojekt von „Columbus Eye – Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht“ und hat zum Ziel, die Erdbeobachtung von der ISS in den Schulunterricht zu integrieren. Basierend auf Videos des NASA „High Definition Earth Viewing Experiment“ (HDEV) entwickelt das Projekt Materialien für den MINT-Bereich.
Am 14. September 2015 erschien auf einem Computermonitor in Hannover eine automatisch verschickte E-Mail. Sie stammte vom Detektorsystem LIGO in den USA und enthielt eine wissenschaftliche Sensation: Ausgeklügelte Algorithmen hatten das erste jemals direkt gemessene Signal einer Gravitationswelle erfasst! Continue reading
Den Rostprozess nicht nur verstehen, sondern auch hautnah erleben – und das im Klassenzimmer? Zwei Korrosionskammern aus Alltagsmaterialien machen dies möglich! Überall begegnen wir dem Reaktionsprodukt aus Sauerstoff, Wasser und Eisen: dem Rost. Continue reading
Lange diente das Periodensystem zur Vorhersage neuer Elemente und deren Eigenschaften, heute zumeist der Übersicht. Und dennoch erhält es noch Zuwachs – kürzlich in der siebten und achten Hauptgruppe.Continue reading
Sei es in der Forschung, in der Industrie oder im Alltag, das Kilogramm ist eine wichtige Einheit zur Angabe von Massen. Seine Definition beruht momentan noch auf dem Urkilogramm von 1883, was sich allerdings bald ändern soll.Continue reading
Kein Atom kommt in einer so komplexen Verbindungsvielfalt auf unserem Planeten vor wie Kohlenstoff. In Eiweißen, Fetten und Kohlenhydraten erhält es uns am Leben, als Kohlenstoffdioxid verlässt es unseren Körper und tritt erneut in den Kreislauf des Lebens ein. Doch genauso vielfältig ist Kohlenstoff in seiner Reinstform. Eine dieser Formen ist Graphen, ein bis 2004 für die meisten Menschen noch völlig unbekanntes Material.
Dies änderte sich schlagartig, als der Nobelpreis für Physik im Jahre 2010 an ein Team der Universität von Manchester für „bahnbrechende Experimente in Bezug auf das zweidimensionale Material Graphen“ verliehen wurde. Es war nun plötzlich in aller Munde, und viel wurde über mögliche Anwendungen dieses neuen Supermaterials spekuliert. Verliehen wurde der Nobelpreis an Andre Geim und Konstantin Novoselov, die einige Jahre zuvor mit einem gewöhnlichen Klebeband Graphen von Graphit eines normalen Bleistifts isolieren konnten. Zwar hatte man zu diesem Zeitpunkt bereits andere Methoden ausprobiert (und patentiert), jedoch lieferten diese entweder nur Graphen in schlechter Qualität oder die Methoden waren sehr kompliziert, weshalb man zum Schluss kam, dass freistehendes Graphen und andere zweidimensionale Materialien nicht stabil seien.
Graphen besteht aus einer einfachen Lage Kohlenstoff-Atome (ca. 0,3 nm dick), die in einem gewöhnlichen hexagonalen Gitter aneinandergebunden sind. Daher gehört es zu den zweidimensionalen Materialien. Man nennt diese Struktur auch Honigwabenstruktur. Im Gegensatz dazu steht Graphit, das man vom Bleistift kennt. Es besteht aus mehreren einlagigen Kohlenstoffatomschichten und bildet somit eine dreidimensionale Struktur. Dabei hat jede Schicht grundsätzlich dieselbe Struktur wie Graphen. Im Gegensatz zu Graphen kommt Graphit aber auch natürlich vor. Wenn ein chemisches Element in verschiedenen Formen existieren kann, die durch unterschiedliches Anordnen der Atome entstehen, nennt man sie Allotrope. Kohlenstoff existiert in einer ungewöhnlichen Vielzahl von Allotropen: Diamant, Lonsdaleit, amorpher Kohlenstoff, Carbyne, Fullerene wie C60, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphen und seit neustem Q-Carbon. Viele dieser Materialien wurden erst in den letzten Jahrzehnten entdeckt.
Obwohl viele Allotrope des Kohlenstoffs nützliche Eigenschaften besitzen, zieht Graphen wohl die meiste Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich. Der Grund dafür sind seine einzigartigen elektrischen Eigenschaften, die dadurch entstehen, dass sich die Elektronen aufgrund der Anordnung der Kohlenstoffatome zueinander auf eine spezielle Weise durch das Material bewegen, als hätten sie keine Masse und deshalb fast mit Lichtgeschwindigkeit reisen können. Daraus resultieren Eigenschaften wie eine sehr hohe Leitfähigkeit, die etwa um das Eineinhalbfache größer ist als die des Kupfers, bei einer gleichzeitigen sehr hohen optischen Transparenz.
Diese seltene Kombination macht Graphen zu einem vielversprechenden Kandidaten für transparente Elektroden. Aktuelle Entwicklungen haben bereits großflächige Graphenelektroden mit einem niedrigen Schichtwiderstand von etwa 60 Ω/Fläche bei einer Transparenz von 85 Prozent realisiert. Andere nützliche, aber eher theoretische Eigenschaften von Graphen sind hohe Festigkeit und Elastizität. Graphen ist so reißfest, dass man eine 2×2 m² große Decke aufspannen, einen Bleistift in der Mitte aufstellen und darauf einen Elefanten setzen könnte. Die Graphendecke würde nicht reißen! Darüber hinaus kann man Graphen um bis zu 20 Prozent dehnen, sodass es das einzige leitfähige Material ist, welches genauso elastisch wie die menschliche Haut ist. Graphen ist sehr flexibel und kann sogar gefaltet werden, ohne daran Schaden zu nehmen. Leider ist es bisher noch nicht gelungen, diese Eigenschaften in großflächigem Graphen zu erreichen, da diese Eigenschaften nur für die „perfekte“ Graphenstruktur gelten und die Wahrscheinlichkeit, dass ein Defekt während der Herstellung vorliegt, mit der Flächengröße stetig steigt. Solche Defekte entstehen z. B. dadurch, dass sich die hauchdünne Schicht übereinander faltet, einreist oder kleine Löcher herausgerissen werden. Außerdem bleiben andere Stoffe sehr gut am Graphen haften und verunreinigen es, sodass die meisten Experimente im Labor nur ganz kleine Stückchen des Materials nutzen, die man sich unter dem Mikroskop anschauen muss.
(a) Die Kohlenstoffatome sind zueinander mit einem Winkel von 120° ausgerichtet, also sp²-hybridisiert. Dadurch sind die Doppelbindungen delokalisiert und die π-Elektronen befinden sich ober- und unterhalb der Kohlenstoffebene. (b) Dadurch können sich die π-Elektronen ungehindert bewegen, welches die Leitfähigkeit von Metallen übertreffen kann. © Fraunhofer-Institut FEP
Offensichtlich ist es nicht besonders effizient, große Flächen Graphen mit Klebeband und Bleistiften herzustellen, deshalb hat man andere Fertigungsmethoden in Betracht gezogen. Das GLADIATOR-Projekt der EU untersucht Wege, um Graphen großflächig und erschwinglich herzustellen. Dazu wird eine Technik genutzt, die als chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) bekannt ist. Graphen wächst hier bei einer Temperatur von 900 °C auf einem Metallkatalysator. Ziel des Projektes ist es, Graphen auf einer großen Fläche herzustellen und es dann als transparente Elektrode für zukünftige Beleuchtungsmittel nutzen zu können. Die CVD-Technik ermöglicht, Graphen für etwa 30 EUR/m² produzieren zu können. Kein Vergleich zu den Kosten konventioneller transparenter Elektroden, die groß angelegten Bergbau und den Import von Seltenen Erden benötigen, wohingegen CVD-Graphen aus einfachen Gasen wie Methan, Acetylen und Wasserstoff mit Hilfe von Kupferkatalysatoren hergestellt werden kann. Der Preis von Graphen reduziert sich enorm, wenn es in größeren Flächen hergestellt wird. Im EU-Projekt wird mit DIN-A4 großen Graphenelektroden experimentiert. Des Weiteren wurde schon gezeigt, dass man Graphenflächen aneinanderreihen kann, um noch größere Graphenplatten zu bauen, die man für Leuchtplatten und große Displays benötigt. Andere zweidimensionale Materialien wie hexagonales Bornitrid oder Übergangsmetall-Dichalcogenide werden intensiv untersucht und es ist noch zu früh um zu sagen, welche Materialien und Produktionsmethoden es in die Anwendung schaffen werden.
Obwohl es noch nicht gelungen ist, perfekte, defektfreie Graphenflächen von der Größe einer menschlichen Hand herzustellen, gibt es bereits einige Anwendungen, wo Graphen bereits genutzt wird, um die mechanischen, thermischen oder elektrischen Eigenschaften einiger Produkte zu verbessern. Zum Beispiel wird Graphen bereits in einigen Sportartikeln wie Tennisschlägern beigemengt, um deren mechanische Eigenschaften zu verbessern. Ebenfalls wird es Lacken beigemischt, um deren Korrosionsschutz zu erhöhen. Auch können viele Elektroden für Batterieanwendungen veredelt werden, die dadurch kurze Ladungszyklen ermöglichen und die Lebensdauer erheblich verbessern. Hinsichtlich einer Anwendung als transparente Elektrode wird Graphen bereits für das Touchdisplay von einigen Smartphones genutzt, da für die Touchfunktion die Anforderungen an den Schichtwiderstand nicht ganz so hoch sind wie für klassische Elektrodenanwendungen. Der Vorteil: Graphen kann beim Herunterfallen nicht brechen und die Touchfunktion bleibt erhalten.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt vieles über Graphen gelernt und dabei eine völlig neue Materialklasse, die sogenannten zweidimensionalen Materialien (2D materials), aus dem Dornröschenschlaf geholt. Viele Effekte, die man häufig nur in der Theorie beschreiben konnte, ließen sich nun experimentell untersuchen und nachweisen, sodass die Modelle in der Quantenphysik und -chemie weiterentwickelt werden können. Die Eigenschaften von Graphen werden vor allem in den nächsten drei bis fünf Jahren in Anwendungen genutzt werden, wo geringes Gewicht und Flexibilität im Vordergrund stehen. Deshalb waren wir im EU-Projekt daran auch interessiert, transparente und vollflexible organische LEDs zu bauen, die Graphen als transparente Elektrode nutzen. Darüber hinaus wurden auch signifikante Fortschritte auf dem Gebiet der Sensorik erzielt, die auch hier eine zeitnahe Anwendung erwarten lassen.
Graphen wird allmählich die Eigenschaften bestehender Produkte verbessern, auch wenn dies weniger spektakulär und langsamer geschehen wird, als zunächst erhofft. Aber je mehr wir das Graphen und seine Herstellung verstehen, werden auch völlig neue Produkte realisierbar, an die wir jetzt noch nicht denken. Es ist nur eine Frage der Zeit!
Dr. Beatrice Beyer
Chemie des Graphens
Von Graphit zu Graphen
Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
GLADIATOR-Projekt
Ein Konzert, doch wo ist die Musik? Ein Geburtstag, doch die Stimmung bleibt aus. Eine Bahn fährt ohne Ankündigung in den Bahnhof ein. Was haben diese völlig verschieden erscheinenden Ereignisse miteinander zu tun? In einer solchen Welt ohne Lautsprecher fehlt die Verstärkung von Musik, Gesprächen oder Durchsagen. Erst die Verwendung von Boxen macht es möglich, die Lautstärke und Reichweite von Schallwellen zu vergrößern. Faszinierend und in der Umsetzung überraschend einfach sind die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse, die für eine Übermittlung und Verstärkung der Schallwellen durch einen Lautsprecher notwendig sind. Wie Sie diese mit dem Bau einer eigenen Lautsprecherbox erfolgreich in den Physikunterricht integrieren können, erfahren sie weiter unten. Mit den selbstgebauten Lautsprecherboxen wird dann auch der nächste Geburtstag garantiert zu einem vollen Erfolg.
Die Baden-Württemberg Stiftung unterstützt Schülerinnen und Schülern im Rahmen ihres Programmes mikro makro mint bei der Realisierung von naturwissenschaftlichen Projekten. Im Rahmen dieses Programms wurde in Zusammenarbeit mit Klett MINT ein Buch mit Arbeitsblättern und Experimenten zum Thema Forschen in der Schule entwickelt. Der Blick ins Forscherbuch zeigt, wie der Unterricht für junge Akustiker auf Anhieb gelingen kann.
Die Versuchsreihe „Gute Musik, selbst gebaute Boxen“ besteht aus drei Arbeitsblättern („Forscherblättern“). Die Konstruktion der Lautsprecherbox steht dabei vor den Forschungsaufgaben.
Die Bauanleitung gibt einen klaren Konstruktionsweg vor. Die einzelnen Arbeitsschritte werden erklärt und die Ergebnisse auf Abbildungen dargestellt, an denen sich die Schülerinnen und Schüler orientieren können. Es ist bei der Konstruktion sinnvoll, dass alle etwa im gleichen Tempo voran- kommen. Abhängig von den Fertigkeiten der Schülerinnen und Schüler kann das saubere Aufwickeln der Spule unterschiedlich viel Zeit beanspruchen.
Praxistipp 1: Aus Gründen der Zeitersparnis können Sie das Aufwickeln der Spule und die Vorbereitung der nachfolgenden Konstruktionsschritte auch auf die Gruppenmitglieder aufteilen.
Praxistipp 2: Es empfiehlt sich, dass Sie die Lautsprecherbox vorab selbst bauen, um auf die Stellen, an denen wirklich sauber gearbeitet werden muss (Spulenwicklung, Einstellung der Stabhöhe für den Magneten, Abisolierung und Anschluss der Klinkenstecker) vorbereitet zu sein.
Die Forscher-Checkliste des Arbeitsblattes enthält die für jede Gruppe benötigten Materialien und Werkzeuge.
Dieses Arbeitsblatt ist aufgrund des Zeitaufwands für die Spulenwicklung für zwei Doppelstunden konzipiert. Die Schülerinnen und Schüler sollten auf jeden Fall wissen, zu welcher Uhrzeit sie mit dem Aufräumen und Säubern der Arbeitsplätze beginnen müssen. Insbesondere muss für den Zeitraum zwischen den beiden Doppelstunden ein geeigneter Aufbewahrungsort für die Lautsprecherteile gefunden werden.
Die Konstruktion einer Lautsprecherbox ist das Ziel dieser Einheit. Daher ist es sinnvoll, diese nach erfolgter Konstruktion zu testen. Hierfür reicht die Leistung eines handelsüblichen Mobiltelefons, welches über einen Kopfhöreranschluss verfügt, an dem Sie den Klinkenstecker anschließen können. Die Schülerinnen und Schüler werden feststellen, dass die Lautstärke nicht sehr hoch ist. An dieser Stelle kann man direkt zum Forscherblatt 2 überleiten oder alternativ einen kleinen Verstärker im Selbstbausatz, den man mit einer 9-V-Blockbatterie betreiben kann, zusammenlöten.
Die im Forscherblatt genannten Fragen dienen zur Anregung. Sie müssen nicht alle bearbeitet werden, auch die Reihenfolge können die Gruppenmitglieder selbst festlegen. Es ist ebenfalls in Ordnung, wenn Gruppen andere Untersuchungen anstellen wollen.
Die Beschäftigung mit den Forscherblättern macht folgende Faktoren für die Beeinflussung der Leistung einer Lautsprecherbox deutlich:
Auszug, z.T. verändert, aus: Forschen in der Schule – Experimente für angehende Forscher
Melden Sie Ihre jungen Forscher an beim Programm der Baden-Württemberg Stiftung mikro makro mint
Jetzt, da der Geburtstag geglückt ist, kann man wieder ins Labor um das nächste Problem zu lösen. Wenn auch Ihre Schülerinnen und Schüler begeisterte Forscher sind können Sie ihr Projekt für das Programm mikro makro mint anmelden und mit bis zu 2500 Euro gefördert werden. Teilnahmebedingungen, Bewerbungsbogen und weitere Informationen finden Sie unter www.mikromakro-mint.de.
Licht übt Druck auf mikroskopische Teilchen aus. Mit der Optischen Pinzette machen sich Forscher dieses Phänomen zu Nutze. Im PhotonLab des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics können Schülerinnen und Schüler eigenständig mit einer Optischen Pinzette experimentieren.Continue reading
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