Technik im naturwissenschaftlichen Unterricht

mobilitt fr die Zukunft

Im Jahr 2020 werden weltweit circa 1,5 Milliarden Fahrzeuge unterwegs sein und damit fast dop-pelt so viele wie heute. Dies wird einen dramatischen Einfluss auf den Aussto von Treibhausgasen haben. Bereits heute entfallen in Europa rund 20 Prozent der CO2-Emissionen auf Kraftfahrzeuge.

Forscher tfteln schon lange an Alternativen zum Benzinauto. Mit Elektromotor knnte das Auto in Zukunft umwelt- und klimafreundlich fahren. Es stt keine Abgase aus und verursacht keinen Lrm. Noch sind die Batterien der E-Autos teuer und schwer, haben lange Ladezeiten und reichen nur fr Fahrten bis 300 Kilometer (Rekordfahrt: 600 Kilometer, Oktober 2010). In Zukunft sollen mglichst viele Autos nur noch mit Strom fahren. Eine Bedingung hierzu gibt es unter Umweltgesichtspunkten allerdings: Der Strom fr die Fahrzeuge darf nur aus erneuerbaren Energien gewonnen werden, weil sonst die CO2-Problematik vom Auspuff hin zu den Kraftwerken verlagert wird.

Untersuchungen haben ergeben, dass fast ein Drittel aller Autofahrten in Deutschland krzer als drei Kilometer sind Fahrten, um zur Arbeit zu gelangen oder fr den Einkauf und andere Besor-gungen. Fr das Elektroauto ist dies ein ideales Einsatzgebiet.

lohner-Porsche und elektrische ViktoriaDer elektrische Antrieb fr Autos ist keine neue Erfindung. Schon im Jahr 1899 entwickelte Fer-dinand Porsche fr die Firma Lohner & Co. in Wien ein Elektroauto, dessen Vorstellung im Jahr 1900 auf der Pariser Weltausstellung groes Aufsehen erregte. Der Wagen fuhr mit einer 410 kg schweren Bleibatterie rund 50 km weit. 1905 wurde von der Firma Siemens in Berlin die Elektrische Viktoria gebaut. Die Reichweite betrug ungefhr 80 km. In der Frhzeit der Automobile waren die Elektroautos den Autos mit Verbrennungsmotor berlegen, weil der Wirkungsgrad von Elektromo-toren hher ist als der von Verbrennungsmotoren. Erst nach 1900 wurden die Elektrofahrzeuge von den benzin- und dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen schrittweise verdrngt. Elektrowagen mit ihren schweren Akkus konnten mit der Reichweite von Wagen mit Kraftstoffmotoren nicht mehr mithalten.

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Elektrische Viktoria (1899)

Tesla Roadster, Stromversorgung ber 6831 handelsbliche Lithium-Ionen-Akkus fr Laptops. Reichweite ca. 350 km, Ladezeit etwa 3,5 Stunden

Lohner-Porsche (1900) mit Elektromotor in der Radnabe

Konzeptstudie von Nissan zum Elektroauto. Elektro-motoren in den Rdern, Reichweite 125 Kilometer, Ladezeit 6 Std.

bau von elektroautosDas infoblatt


AufgAbeBaue mit den vorgegebenen Materialien ein Elektroauto. Form und Gre des Fahrzeugs kannst du frei whlen. berlege dir, aus welchem Material du das Fahrzeug bauen willst leichtes Holz, Styrodur, Pappmach. Je leichter das Fahrzeug ist, desto schneller wird es fahren.

Anforderungen:Das Auto kann mit wiederaufladbaren Akkus, Solarzellen oder einem Green-Cap-Kondensator ausgestattet werden. Fr die Variante mit dem Kondensator musst du eine Solartankstelle aus Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind, vorsehen. Green-Cap-Kondensatoren lassen sich sehr schnell aufladen (30 s) und dienen unter anderem als Ersatz oder Ergnzung fr Batteriesysteme.

dAs brAuchst du*:

Werkzeug:Holzbohrer 4 und 8, Bohrmaschine, Leim, Sge, Kreuzschraubendreher, Seitenschneider, Ltkolben, Heiklebepistole, gegebenenfalls scharfes Messer (zum Schneiden von Styrodur)

fr dAs fAhrzeug: Dnnes Holzbrett Fichte/Tanne, ca. 15 x 10 cm (1 x), Holzleiste Fichte/Tanne, ca. 15 x 4 cm (2 x), Winkelstab 15 x 12, 10 Loch (2 x), Flachstab 7 Loch (1 x), Spanplattenschrauben 3 x 16 (10 x), Zahnrad fester Sitz auf Welle 3 mm, 40 Zhne (1 x), Motorschnecke/Schneckenradgetriebe) fester Sitz auf Welle 2 mm (1 x), Vollrad 44 mm fester Sitz auf Welle 3 mm (4 x), Metallachse 120 mm, 3 mm (2 x), Distanzrollen innen 3,6 mm, 12 mm lang (6 x) und den Elektromotor RE 140 mit Montagesockel, 1,5 V 4,5 V, Welle 2 mm, bei 1,5 V / 0,27 A und 7800 U/min (1 x)

fr den karosseriebau mit Pappmach: Kchenpapier und Kleister, Plastikflasche (0,5-0,7 Liter)fr den karosseriebau mit styrodur: Styrodurwrfel (ca. 30 x 20 cm), geeigneter Kleber

fr die energieversorgung:Batteriekasten fr 2 Mignonzellen (1 x), Lsterklemmenleiste klein (1 x), Litzenband rot-schwarz, 5 m (1 x), Druckschalter (Ein-Aus) (1 x), Mess-Strippen zur Verkabelung der Solarzellen der Solar-tankstelle, Solarpaneele 380 mA / 2V fr die Solartankstelle (1 2 x), Green-Cap-Kondensator 10 F/2,5 V (1 x)

solArtAnkstelle:Die Solarpaneele (mind. 2 V, besser 4 V) werden in der Sonne oder unter einem 500 W-Strahler positioniert. Der Green-Cap wird nun an die Solarpaneele angeschlossen. Nach einer Ladezeit von ca. 30 Sekunden kann der Kondensator in die Lsterklemme auf dem Fahrzeug eingesetzt werden.

green cAP:Die Lsterklemme wird direkt mit dem Motor verbunden. Ihre Funktion hnelt der einer Steckdose. Der Green-Cap wird von oben in die Lsterklemme eingesteckt und der Stromfluss durch den Schalter freigegeben. Die Schrauben der Klemme mssen dazu nicht jedes Mal gelst und festgezogen werden.

* Alle bentigten Materialien knnen ber den Lehrmittelhandel kostengnstig bezogen werden, z. B. bei der Firma Traudl Riess: www.traudl-riess.de. Bezug des Green-Cap-Kondensators ber Conrad Electronic: www.conrad.de.

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bau von elektroautosbauanleitung


und so gehts:1 Zuerst nimmst du die Grundplatte fr das Fahrzeug und leimst an einer der beiden schmalen

Seiten die Holzleiste auf, sodass diese genau mit dem Ende der Platte abschliet. Dies ist das Heck (hintere Ende) des Fahrzeugs.

Antrieb montieren:2 An die Holzleiste wird auen der Montagesockel des Elektromotors angeschraubt. Der

Motor wird in den Montagesockel eingesetzt und mit einer kleinen Schraube befestigt. Danach schiebst du die Motorschnecke vorsichtig auf die Welle des Elektromotors.

3 Drehe nun die Platte um. Den Flachstab fr die Aufnahme der vorderen Achse biegst du in einem Schraubstock an beiden Enden jeweils ein kleines Stck (ca. 2 Loch breit) im 90-Grad-Winkel um und schraubst ihn an das vordere Ende der Platte.

4 Jetzt montierst du den ersten Winkelstab an das hintere Ende der Platte so, dass er zu ca. 1/3 seiner Lnge unter der Platte hervorragt. Eine der beiden Achsen wird durch das letzte Loch des Winkelstabs gefhrt. Vorher wird das grne Zahnrad mittig aufgeschoben.

5 Nun wird der zweite Winkelstab montiert und die Achse durchgefhrt. Achte darauf, dass das Zahnrad leicht in die Motorschnecke einpasst. Wird das Zahnrad zu stark auf die Schnecke gedrckt, kann der Motor nicht anlaufen.

6 Nun werden die beiden Rder mitsamt den beiden zugehrigen Distanzrollen auf die Hinter-achse aufgesetzt. Danach wird die vordere Achse in gleicher Weise zusammengebaut. Dazu fhrst du die Achse durch die beiden hochgebogenen Lcher (siehe Punkt 3) des Flachstabs.

elektrik instAllieren:7 Lte das Anschlusskabel an die Anschlsse des Motors. Achte dabei auf die richtige Polung,

das Auto soll ja vorwrts fahren. Dann werden die Anschlussdrhte mit dem Batteriehalter und dem Schalter verbunden und verltet. Klebe den Batteriehalter und den Schalter mit einer Heiklebepistole auf die Grundplatte.

8 Wenn du einen Green-Cap benutzen willst, dann befestige eine Lsterklemme oben auf der Querleiste und verbinde sie mit dem Motor. In die Lsterklemme steckst du den Green- Cap-Kondensator. Zustzlich kannst du einen Ein-Aus-Schalter einbauen.

9 Du kannst auch ein Solarpaneel (mind. 2 V, besser 4 V) auf die Holzplatte montieren und mit dem Motor verbinden. So hat der Wagen bei Sonnenschein eine stndige Stromversorgung und ist unabhngig vom Green-Cap bzw. von den Akkus. Das Fahrzeug muss dann aber sehr leicht sein.

vAriAnte:Du kannst die Grundplatte auch selbst herstellen. Trnke Haushaltspapier mit Kleister und lege es auf eine Plastikflasche. Flaschen eignen sich besondersgut, da sie durch den spitz zulaufenden Hals der Form eines aerodynamischen Rennwagens hneln. Nach der Aushrtung (ca. 24 Std.) wird die Form in der Mitte halbiert und abgelst. Dieses Verfahren hnelt der Her-stellung eines Carbon-Chassis im Rennwagenbau.

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bau von elektroautosbauanleitung

Sicht auf die Unterseite eines Fahrzeugs mit Holzplatte. Zu sehen ist die Grundplatte mit quer liegendem Flachstab und der Vorderachse mit den beiden Rdern (im Bild links). Rechts sieht man die beiden Winkelstbe mit der Hinterachse und dem Zahnrad.

Seitenansicht des Fahrzeugs. Zu sehen sind der Fahrzeug-rahmen aus zwei Winkelstben mit Zehnerlochung und der aufsitzenden Holzplatte. Auf der Holzplatte ist der Batterie-kasten montiert, verbunden mit dem dahinter befindlichen Elektromotor. Links ist die Hinterachse mit dem Zahnrad zu erkennen.

Ansicht von oben. Zu sehen ist die Rad aufhngung an derHinterachse eingepasst in die Lochung der beiden Winkel-stbe. Auf der Achse sitzt mittig das Zahnrad (40 Zhne), das mit dem Elektromotor ber das Schnecken radgetriebe (Motorschnecke) verbunden ist.

Sicht auf ein fertiges Fahrzeug. Ausstattung mit aufmontier-tem Solarpaneel, Elektromotor mit Schnecken radgetriebe und Zahnrad, Batteriekasten und dem aufgesteckten Green- Cap-Kondensator in der Lsterklemme. Batteriekasten, Green-Cap und Solarzelle sind jeweils mit eigenem Ein-Aus-Schalter versehen.


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bau von elektroautosfahrzeugansicht

Technische Sinnesorgane

Sensoren (lateinisch sentire = fhlen, empfinden) auch Messfhler genannt spielen in der modernen Welt eine wichtige Rolle. Sie registrieren physikalische und/oder chemische Eigen-schaften wie zum Beispiel Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Lautstrke, Schall, Helligkeit, pH-Wert oder Beschleunigung.

Tank leer?Sensoren zur Messung der Fllstandhhe in Tanks und Silos sind in un-serer technischen Welt von groer Bedeutung. Bei der kontinuierlichen Fllstandmessung wird die Fllhhe einer Messstelle erfasst und ein elek-trisches Signal erzeugt. Anwendungen fr die kontinuierliche Fllstand-messung finden sich in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, dem Wasser- und Abwasserbereich, bei Kraftwerken und in der Umwelt-technik. Auch im Auto ist der Fllstandsensor ein wichtiges Sinnesor-gan. Wer schon einmal mit leerem Tank liegen geblieben ist, weil die Tankanzeige ausfiel, wei wie wichtig es ist, dass der Sensor funktioniert.

Abstand halten!Ein Abstandssensor (auch Distanzsensor) ist in der Lage, berhrungslos den Abstand zwischen sich und einem Objekt zu messen. Im Auto kommt dieser Sensor zum Beispiel bei der Ein-Parkhilfe zum Einsatz. Bei der Abstandsbestimmung detektiert

der Sensor in der Regel Richtung oder Laufzeit eines aktiv aus-gesandten, am Objekt reflektierten Signals. Die aktiv ausgesandten

Messstrahlen von Abstandssensoren sind z. B. Licht, Infrarotstrahlung, Radiowellen, Mikrowellen, Terahertzstrahlung oder Ultraschall. Einge-

setzt werden Abstandssensoren in der Robotik und Automatisierungstech-nik und im Maschinenbau. Auch die Natur liefert beeindruckende Beispiele

fr Abstandssensoren. Fledermuse und Delfine zum Beispiel nutzen Ultra-schall zur Orientierung und fr die Beutejagd.

Volle BeschleunigungEin Beschleunigungssensor misst die Beschleunigung, indem die auf eine Testmasse wirkende Trgheitskraft bestimmt wird. So kann ermittelt werden werden, ob eine Geschwindigkeits-zunahme oder -abnahme stattfindet. Ihren Einsatz finden die Sensoren in vielen Bereichen, z. B. in Alarmanlagen, in den Dummys bei Crashtests, in Handys, zur Steuerung von Video-spielen (Wii), bei Airbags in Fahrzeugen oder in Laptops zum Schutz der Festplatten (Head-Crash).

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herstellung von SensorenDas infoblatt

Abstandsmessung mit optischen Sensoren Bei diesen Gerten wird ein Licht- oder Infrarotimpuls ausgesandt und am Objekt reflektiert. Der Abstand kann durch verschiedene Methoden ermittelt werden: Nach Messung der Laufzeit zwi-schen Sender und Empfnger kann ber die Lichtgeschwindigkeit die Distanz zwischen Quelle und Objekt ermittelt werden. Bei anderen Sensoren wird das Signal je nach Entfernung an unterschied-lichen Positionen im Empfnger eintreffen. Eine Signalverarbeitungseinheit setzt den Auftreffpunkt in einen Spannungswert um.

fllstandEinen einfachen Tankfllstandsensor, zum Beispiel fr die Anzeige des Flssigkeitsstandes in einem Wasserbehlter, kann man relativ leicht selber bauen, indem man als Sensorelement ein Potentiometer nutzt. Dessen Achse wird ber einen Hebel mit einem Schwimmer verbunden. Die nderung des Wasserstandes wird in eine Drehbewegung des Potentiometers umgesetzt. ber eine elektrische Schaltung kann diese zur Anzeige gebracht werden.

winkelgeber und winkelsensor im AutoModerne Autos drehen in der Dunkelheit ihre Scheinwerfer bei Kurvenfahrten in die Kurve hinein. Dazu werden Winkelsensoren benutzt. Der Winkelgeber dient zum Erfassen eines Drehwinkels oder dessen nderung an einer Welle relativ zu einer festen Position. Im einfachsten Fall kann die Dreh-achse mit der Achse eines Potentiometers verbunden werden. ber eine elektrische Schaltung wird ein Signal erzeugt, das ein Ma fr den Winkel ist.


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Schaltplan zur Verstrkung des Signal

+

Widerstand

SensorAktor

G [Gate]

D [Drain]

S [Source]

Verstrkung eines SignalsEin Transistor ist ein Schalter, dessen Durch-lssigkeit elektrisch gesteuert werden kann. Zu diesem Zweck muss man das am Gate (G) herrschende Potenzial verndern. Dies wird durch eine Vernderung des Widerstandes des Sensors ausgelst. Wenn das Potenzial am Gate des Feldeffekttransistors den Wert von ca. 2V bis 3V berschreitet, ist der Schalter geff-net: Der Stromkreis, in dem sich der Aktor befindet, wird geschlossen.

Vorschlag fr die mechanik

Wasser

Schwimmer

Schwimmerhebel

Potentiometer

Schleifkontakt

Vorschlag fr die elektrik

Batterie

Multimeter

Potentiometer

Widerstand0V

herstellung von SensorenTipps und hinweise


TankfllstandsensorProjektauftragBaue mit den dir zur Verfgung stehenden Materialien einen Sensor, der den Flssigkeitsstand (Wasser) in einem Gef als elektrisches Signal am Spannungsmessgert anzeigen kann.

anforderung:Der Sensor soll stets den aktuellen Flssigkeitsstand anzeigen. Er muss daher rasch auf sich verndernde Flssigkeitsstnde reagieren und den Wasserstandsnderungen folgen knnen.

elektrische anforderungen:Das Potentiometer wird als variabler Widerstand geschaltet. Der Messbereich des Multimeters muss durch geeignete Widerstnde an die Spannung der Batterie und an den Widerstand des Potentiometers angepasst werden.

das kannst du verwenden:Potentiometer, Spannungsmessgert, Styropor, Holzbrettchen, Widerstnde, Wanne bzw. groer Messbecher (5 Liter), 9V-Batterie, Kabel

AirbagauslserProjektauftrag Baue mit den dir zur Verfgung stehenden Materialien einen Sensor, der beim Aufprall auf einen Gegenstand eine Warnleuchte einschaltet.

anforderung:Beim Druck mit dem Finger auf die Piezoscheibe wird ein Spannungsimpuls erzeugt. Dieser soll gemessen werden. Der Spannungsimpuls soll dazu genutzt werden, mithilfe eines Transistors (MOSFET) eine LED oder eine Glhlampe zum Leuchten zu bringen.

das kannst du verwenden:Piezoelement, Feldeffekttransistor (MOSFET), LED oder Glhlampe, Batterie und verschiedene Widerstnde, Multimeter

AbstandssensorProjektauftrag Baue mit dem dir zur Verfgung stehenden Sensor ein Gert, das bei Annherung ein optisches Signal erzeugt.

anforderung:Die Warnlampe soll leuchten, wenn der Abstand zu einem Hindernis kleiner als 15 cm wird. Die Lampe soll mithilfe eines Transistors (MOSFET) geschaltet werden.

das kannst du verwenden:Abstandssensor, z. B. Sharp GP2 D120 (Infrarotsensor), Feldeffekttransistor (MOSFET), LED oder Glhlampe, Batterie und verschiedene Widerstnde, Multimeter

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herstellung von SensorenProjektauftrag (herstellungsanleitung in der handreichung fr lehrkrfte)

Bau und Funktion einer WindturbineDas Infoblatt

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mit der kraft des Windes

Warum haben die meisten Windrder eigentlich drei Rotoren und nicht nur zwei oder gar vier oder fnf? Dieser Frage kannst du nachgehen, indem du dir eine eigene Windturbine baust und dann testest, wie sich eine unterschiedliche Anzahl von Schaufeln auf die Leistung der Windturbine auswirkt.

Deine eigene kleine Windturbine baust du aus dickem Papier. Als Vorlage dient ein Ausschneidebogen, den du auf starkes Papier kopierst. Die Turbine kann man unterschiedlich gro bauen, je nachdem wie der Vergrerungsfaktor beim Kopierer eingestellt ist, und natrlich mit unterschiedlich vielen Schaufeln.

Um elektrischen Strom zu gewinnen, nutzen wir Generatoren. Sie wandeln die Energie einer Drehbewegung in elektrische Energie um. Um die Drehbewegung zu erzeugen, kann zum Beispiel Wind (oder Wassers bzw. heier Dampf) genutzt werden. Auch ein Fahrraddynamo nutzt die Drehbewegung (des laufenden Rades), die ber das Rdchen auf seine Welle bertragen wird. Mit der Welle verbunden ist eine Magnetspule, die die Drehbewegung in elektrische Energie umwandelt und dadurch Strom erzeugt, der die Fahrradlampe leuchten lsst.

Wie gut funktioniert meine Windturbine?Die Windturbine wird mit Klettband auf der Welle eines Elektromotors mit geringem Anlaufwiderstand (Phywe Leichtlaufmotor oder Glockenankermotor) befestigt. An den Motor wird ein Fahrradrcklicht angeschlossen. Wird die Turbine von einem Fhn oder einem Ventilator angeblasen, so dreht sich der Motor, arbeitet als Generator und das Fahrradrcklicht beginnt zu leuchten. Anhand der Helligkeit kannst du bewerten, wie gut deine Windturbine funktioniert und Turbinen mit unterschiedlicher Gre und Anzahl an Schaufeln vergleichen. Interessant ist es auch, die Windstrke zu variieren.

TechnIk Im naTurWIssenschaFTlIchen unTerrIchT klassensTuFe 57

Bau und Funktion einer WindturbineBauanleitung

AUFGABEBaue mithilfe der Ausschneidevorlage (Blatt 3) eine Windturbine und teste sie.

DAs BrAUchst DU: Ausschneidevorlage (Blatt 3), starkes Papier (Grammatur ca. 160 200 g/m2), Kopierer, Schere, Klebstoff, Korken, Toilettenpapierrolle

UnD so GEhts:1 Kopiere die Vorlage auf starkes Papier. Aus der Vorlage kannst du zwei Schaufeln anfertigen.

2 Schneide die Schaufeln entlang der ueren Umrandung aus. Die grob schraffierten Bereiche schneidest du weg; so entstehen zwei einzelne Schaufeln.

3 Zunchst steckst du drei Schaufeln so ineinander, dass jeweils die mit 3 gekennzeichnete Linie genau an der Auenkante der benachbarten Schaufel liegt. Der Pfeil zeigt dabei nach auen.

4 Bei mehr Schaufeln steckst du diese so gegeneinander verdreht zusammen, dass jeweils die mit 4, 5 oder 6 (je nach Zahl der Schaufeln) gekennzeichneten Linien genau ber den Hinterkanten liegen, weil du sonst die Schaufelspitzen spter nicht exakt zur Nabe biegen kannst.

5 Die Schaufeln werden im eng schraffierten Nabenbereich gut miteinander verklebt.

6 Auf den schraffierten Nabenbereich klebst du einen zylindrischen Nabenkrper passender Gre, z. B. einen Korken oder eine Toilettenpapierrolle.

7 Die nicht durch Pfeilspitzen markierten ueren Ecken der einzelnen Schaufeln biegst du hoch und klebst sie auf dem Nabenkrper fest. Fertig ist die Windturbine!

8 Teste deine Turbine mit einem Fhn oder einem anderen Geblse, dem Motor und einem Fahrradrcklicht wie in dem Versuchsaufbau auf Blatt 1 beschrieben.

9 Teste Windturbinen unterschiedlicher Gre und Schaufelzahl. berprfe ihren Wirkungsgrad anhand der Leuchtstrke der Lampe.

hinwEis: Eine Turbine mit sechs Schaufeln ist ziemlich schwer hinzubekommen.

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Bau und Funktion einer WindturbineVorlage fr zwei Windschaufeln

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Herstellung einer Farbstoffsolarzelle (Grtzelzelle)Das infoblatt

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Strom aus Sonnenlicht, wandfarbe und Fruchtsaft

Solarzellen wandeln die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Die Herstellung ist auf-wendig und energieintensiv. Eine Solarzelle hat erst nach einigen Betriebsjahren mehr Energie bereit-gestellt, als bei ihrer Herstellung aufgewendet wurde.

Vor etwa 20 Jahren hatte Prof. Grtzel aus der Schweiz eine geniale Idee: Warum sich nicht die Natur zum Vorbild nehmen und Solarzellen verbessern, indem man der Natur abguckt, wie sie die Energie des Lichtes nutzt? Das tut sie nmlich seit Jahrmillionen mit der Fotosynthese eine grundstzlich andere Herangehensweise als bei der herkmmlichen Solarzelle.

So wurde von Prof. Grtzel und seinem Team die sogenannte Farbstoffsolarzelle erfunden. Sie ist so eng mit dem Namen des Professors verbunden, dass sie meist schlicht Grtzelzelle heit. Die Grt-zelzelle bentigt kein Silizium wie die herkmmliche Solarzelle, sie besteht einfach aus zwei Glasplat-ten, die mit einer Strom leitenden Schicht bedeckt sind, Titandioxid (ist auch in Zahncreme, Wandfar-be und Sonnenmilch enthalten), Pflanzenfarbstoff (Beerensaft, Fruchtsaft, Bltenextrakte, Chlorophyll usw.), Grafit (wie im Bleistift) und einem Elektrolyten (z. B. Kochsalzlsung oder Iodidlsung). Die Herstellung einer solchen Zelle bentigt wesentlich weniger Energie, als fr die Herstellung einer her-kmmlichen Solarzelle ntig wre. Derzeit wird daran gearbeitet, ihre Haltbarkeit zu verbessern.

Strom aus dem FensterDie Grtzelzelle verspricht nicht nur preiswerte, flexible Solarzellen, die auf Oberflchen wie Fassaden, Fenstern und sogar Textilien eingesetzt werden knnen. Die Farbstoffsolarzelle arbeitet auch bei diffusem Licht (Bewlkung). Wird die Grtzelzelle noch weiter optimiert, knnte sie eines Tages der Solarenergie endgltig zum Durchbruch verhelfen.

Transparentes Farbstoffsolarmodul

Fotovoltaikanlage aus herkmmlichen Solarzellen

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Aufbau wie ein Sandwich

Vorteile und Nachteile der Farbstoffsolarzelle

* Durch das Sintern wird das TiO2 fest mit der Glasplatte verbunden und die Oberflche vergrert. Dadurch kann mehr Farbstoff in der TiO2-Schicht festgehalten werden.

Herstellung einer FarbstoffsolarzelleDer Aufbau einer Farbstoffsolarzelle (Grtzelzelle)


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Vorteile geringe Umweltbelastung bei der Herstellung wesentlich geringerer Materialaufwand, Ma terialien sind keine Mangelware, TiO2 ist ungiftig

kostengnstige und einfache Herstellung (ca. 20 % der Kosten einer Siliziumzelle)

ist auch fr Entwicklungslnder finanzierbar kann das Lichtspektrum sehr gut ausnutzen; arbeitet auch bei Bewlkung

Wirkungsgrad ist weniger temperaturabhngig als bei der Siliziumzelle

semi-transparente und farbige Gestaltung mglich (Anwendung auf verschiedenen Oberflchen)

nachteile Schwierigkeiten bei der Abdichtung der Zelle Wirkungsgrad (ca. 10 %) noch nicht so gut wie bei Siliziumzelle (ca. 20 %); in der Zukunft ist eine Steigerung aber sehr wahrscheinlich

noch nicht stabil ber lngere Zeit; Farbstoff wird mit der Zeit zerstrt

bei hherem Wirkungsgrad muss der Farbstoff der Zelle gereinigt werden, dies verursacht Kosten

Eine Farbstoffsolarzelle verwendet zur Absorption von Licht nicht ein Halbleitermaterial wie Silizium, son-dern organische Farbstoffe, zum Beispiel den Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane, das sind was-serlsliche Pflanzenfarbstoffe in Blten und Frchten mit roter, violetter oder blauschwarzer Frbung.

Die Farbstoffsolarzelle besteht aus zwei lichtdurchlssigen Glasplatten, die auf der Innenseite jeweils mit elektrisch leitendem Zinnoxid beschichtet sind (TCO-Schicht Transparent Conducting Oxide). Auf die eine der beiden Glasplatten wird im Ofen eine dnne Schicht aus sehr fein gemahlenem Titandioxid (TiO2) aufgebacken (gesintert*). Auf diese Schicht wird der Farbstoff aufgebracht, der sich mglichst gut um die TiO2-Krnchen legen soll. Hinzu kommt dann noch die Elektrolytlsung. Verschlossen wird die Zelle mit einer grafitbeschichteten TCO-Glasplatte.

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Anode

kathode

+

licHT

Glasplatte, ca. 1,5 mm (z. B. Objekttrger)

elektrisch leitfhige Schicht (TCO-Schicht) Minuspol der Zelle

Schicht mit Titandioxid, Pflanzenfarbstoff und Elektrolyt (Titandioxid-Elektrode)

Grafitschicht (Grafit-Elektrode) Pluspol der Zelle

elektrisch leitfhige Schicht (TCO-Schicht)

Glasplatte, ca. 1,5 mm (z. B. Objekttrger)

[Darstellung aufgrund der geringen Schichtdicken nicht mastabsgetreu]

Titandioxid und Naturfarbstoff

Im Gegensatz zu herkmmlichen Solarzellen basiert die Farbstoffsolarzelle nicht auf Silizium. In einer herkmmlichen Solarzelle bernimmt das Silizium zwei wichtige Aufgaben: Es liefert die Elek-tronen und befrdert diese dank seiner elektrischen Leitfhigkeit zu den Elektroden.

In der Farbstoffsolarzelle gibt es fr diese Aufgaben zwei verschiedene Stoffe, nmlich Titandioxid und den Naturfarbstoff. Trifft Licht auf die Zelle, werden in den Farbstoffmoleklen Elektronen (e-) angeregt (Fa*) und auf Titandioxid bertragen. Dann werden die Elektronen durch das elektrisch lei-tende Titandioxid zur Anode (negative Elektrode) abgefhrt. Im Unterschied zur normalen Solarzelle liegt hier kein elektrisches Feld vor, das die Elektronen zur Anode zwingt. Es muss daher dafr ge-sorgt werden, dass die Elektronen nicht wieder zu den ionisierten Farb stoffmoleklen umkehren, da es dann keinen Stromfluss geben wrde.

Aus diesem Grunde ist der Elektrolyt so wichtig, etwa Iod-Kaliumiodid-Lsung (I2/KI). Die negativ geladenen Iodid-Ionen (I3

-) geben je ein Elektron an die positiv geladenen Farbstoffmolekle (Fa+) ab. Die freien Elektronen im Titandioxid werden nun ber die Anode an einen Verbraucher abgegeben und gelangen ber die Kathode (positive Elektrode) zum Elektrolyten, genauer zum neutralen Iod, aus dem dann die Triiodid-Anionen (I3

-) zurckgebildet werden. Die Vorgnge im Elektrolyten werden durch Grafit positiv beeinflusst, da er als Katalysator fr diese Reaktionen wirkt.

hinweisDie Bezeichnungen Anode und Kathode gelten fr die Sicht aus dem Inneren der Zelle. Die Anode nimmt vom Elektrolyten Elektronen auf, die Kathode liefert ihm Elektronen. Von auen gesehen ist die Elektrode, die innen die Anode war, der Minuspol, jene, die die Kathode war, der Pluspol.

Herstellung einer FarbstoffsolarzelleFunktionsweise einer Farbstoffsolarzelle


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Grafik nach W. Wagner, Universitt Bayreuth

Glas Titandioxid

TiO2

2 h*v

2e- 2e-

2e-

2e-

2e-

2e-2 Fa*

2 Fa 2 Fa+

2l3- 3l23l22l3-

2e-

2e-

2e- 2e-

Verbraucher

Farbstoff(Anthocyane)

elektrolytl2/kl G

las

Ano

de (SnO

2)

Grafit

katho

de (SnO

2)

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Herstellung einer FarbstoffsolarzelleAnleitung zur Herstellung

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aUFGaBeEine Gruppe von 3 bis 4 Schlerinnen und Schlern arbeitet zusammen und baut eine Farbstoff-solarzelle (Grtzelzelle) anhand der hier vorgegebenen Anleitung.

Das BraUchst DU:Spatel, Pipette mit Htchen, Tesafilm, Brenner mit Stativ, Plattenhalter und Ceran-Platte, 2 Glasschalen, Fhn, 2 kleine Becherglser, Tiegelzange, Multimeter, weicher Bleistift, Feuerzeug, Lampe mit Stativ, je 1 Folienstift M rot und blau, 2 Verbindungskabel mit Krokodilklemmen 1 x rot, 1 x schwarz, Kunststoffbeutel, Wasserkocher

Fr die Solarzelle: 2 TCO-beschichtete Glasplttchen*, TiO2-Pastemix*, Elektrolyt*, Naturfarbstoffe getrocknete Hibiskus- bzw. Malvenblten, Beerensaft (Brombeere, Himbeere etc.) den Saft am besten frisch gepresst, es geht aber auch gekaufter (reiner) Beerensaft

UnD so Gehts:1 Glasplatten prfen. Nimm die beiden TCO-beschichteten Glasplttchen und prfe mithilfe ei-

ner Widerstandsmessung mit dem Multimeter, auf welcher Seite die elektrisch leitende Schicht angebracht ist. Auf der leitenden Seite sollte das Gert einen Wert von wenigen Ohm bis null Ohm anzeigen.

2 Platten mit Titandioxid bestreichen. Eines der Plttchen wird mit Tesafilm zuerst an den bei den langen und dann an einem der kurzen Rnder (Abb. 1) sorgfltig und blasenfrei abgeklebt.

3 Entlang der Abklebung an der schmalen Seite des Plttchens trgst du nun etwa 2 3 Tropfen der Paste mit dem Spatel auf (Abb. 2) und streichst sie mit einem Glasplttchen durch Lngs-bewegung und etwas Druck glatt (Abb. 3).

4 Trockne die TiO2-Schicht mit dem Fhn auf warmer Stufe fr ca. 3 Minuten und ziehe dann den Tesafilm ab.

5 brennen/Sintern der Platten. Lege die Platte mit der TiO2-Schicht auf die Ceranplatte und erhitze sie mit dem Brenner bei voller Leistung etwa 5 Minuten lang (Abb. 4). Die TiO2-Schicht verfrbt sich zunchst braun bis dunkelgrau und hellt dann wieder auf. Das Brennen ist been-det, wenn die Schicht wieder wei ist. Lass die Platte ungefhr 10 Minuten abkhlen.

* Zu beziehen ber ManSolar, Niederlande (www.mansolar.com)Versuchsanleitung nach: W. Wagner, Universitt Bayreuth. www.lehrer-online.de > Suche: Grtzelzelle

Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4

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Herstellung einer FarbstoffsolarzelleAnleitung zur Herstellung

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6 Farbstoff herstellen Bring einen halben Liter Wasser zum Kochen. Flle ca. 20 Hibiskus- oder Malvenblten in

ein Becherglas und giee 100 ml des heien Wassers ber die Blten. Nach 5 Minuten ist der dunkelrote Tee fertig und kann in eine Glasschale gefllt werden.

7 Frben Platte 1 legst du mit der TiO2-Schicht nach oben in den Bltentee (Abb. 5). Sie nimmt eine

tiefviolette Farbe an. Nach etwa 2 Minuten legst du sie in eine Glasschale mit Wasser und splst die Platte durch leichtes Schwenken. Anschlieend wird sie mit dem Fhn (auf warmer Stufe) getrocknet. Die violette Frbung hellt auf. Danach schreibst du auf die Rckseite (Platte in der Hand halten) mit dem schwarzen Folienstift an jenem Ende, an dem kein TiO2 zu sehen ist, ein groes (minus). Dies ist der Minuspol der Solarzelle.

8 Grafit auftragen Bestreiche Platte 2 mit dem weichen Bleistift auf der leitenden Flche so, dass eine gleich-

mige dunkelgraue Schicht entsteht (Abb. 6). Schreibe auf die Rckseite an einem Ende mit dem roten Folienstift ein groes + . Hier ist der Pluspol der Solarzelle.

9 Zusammenbau der Zelle Lege Platte 1 mit der TiO2-Schicht nach oben auf den Tisch und Platte 2 berlappend mit der

Grait-Schicht nach unten darauf. Die TiO2-Schicht muss vollstndig bedeckt sein (Abb. 7). Nun wickelst du einen Streifen Tesafilm quer und fest um die Mitte.

10 Testen der Zelle Drehe die Zelle so um, dass der Minuspol oben zu liegen kommt. Verbinde mithilfe der Kabel

diesen Pol mit dem gleichen Pol (schwarze Buchse) des Multimeters (Messbereich Millivolt) und den Pluspol der Zelle mit dem Pluspol des Messgertes (rote Buchse). Schalte nun die Lampe ein. Es wird keine Spannung angezeigt.

11 Zugabe des elektrolyten Gib nun an einem der schmalen Enden einen Tropfen Elektrolyt-Lsung genau an die Stelle,

an der sich die beiden Glasplatten berhren (Abb. 8). Das Messgert zeigt eine schnell auf 200 400 mV ansteigende Spannung an. Spannungen ber 300 mV bedeuten, dass die Zelle sehr gut, Spannungen zwischen 250 und 300 mV, dass sie gut gelungen ist.

Abb. 5 Abb. 6 Abb. 7 Abb. 8

Versuchsanleitung nach: W. Wagner, Universitt Bayreuth. www.lehrer-online.de > Suche: Grtzelzelle

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Herstellung einer Farbstoffsolarzelleleistungsbestimmung der Solarzelle

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aUFGaBeFhre eine Leistungsbestimmung deiner Farbstoffsolarzelle durch und vergleiche deine Mess-ergebnisse mit denen deiner Mitschlerinnen und Mitschler.

Das BraUchst DU:Multimeter, Krokodilklemmen, Messkabel, die Farbstoffsolarzelle, Lampe (Halogenlampe oder Overheadprojektor), Verbraucher* (Taschenrechner, Soundchip). Eine Energiesparlampe ist nicht geeignet, da ihr Lichtspektrum Linien und Lcken aufweist.

leistungsbestimmung:Die Leistung P ist das Produkt aus Spannung und Stromstrke: P = U x I

Die Spannung ist bereits bekannt: U = .............. mV (trage jeweils deine Messwerte ein).

bestimmung der Stromstrke:Baue einen Stromkreis aus einem Multimeter (Milliampere-Bereich), der Solarzelle und den beiden Krokodilklemmen-Kabeln. Klemme die Kabel an die beschichteten Seiten der Glasplatten und berck-sichtige dabei die Polung.

Miss den Kurzschlussstrom im Messbereich 2 mA. Der Kurzschluss-strom ist eine wichtige Gre zur Leistungsbestimmung bei Solarzellen und zur Qualittsanalyse; er liegt im Bereich zwischen 1 und 3 mA.

Die Leistung P der Solarzelle wird in mW (= Milliwatt) angegeben; sie ist das Produkt aus der Spannung (in mV) und der Kurzschlussstromstrke (in mA), multipliziert mit dem Faktor 0,8:

P = u x i x 0,8 = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . mV x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . mA x 0,8 =

Variation der lichtstrke:Die Leistung der Zelle hngt natrlich von der eingestrahlten Lichtstrke ab. Variiere die Intensitt der Lampe, z. B. durch Dimmen bzw. (teilweises) Abdunkeln mit Papier oder Pappe.

reihenschaltung:Schalte drei bis vier Solarzellen zusammen. Die Gesamtspannung sollte in etwa einen Wert von 1,01,2 V erreichen und ausreichen, um einen Verbraucher wie den Taschenrechner oder den Soundchip zu betreiben.

hinweis:Die gemessene Spannung (ohne Verbraucher) ist die Leerlaufspannung der Solarzelle, der gemes-sene Strom (ohne Verbraucher) ist der Kurzschlussstrom. Der Faktor 0,8 ergibt sich dadurch, dass zur Leistungsbestimmung eigentlich die I(U)-Kennlinie aufgenommen werden muss; sie zeigt die maximale Leistung MPP (Maximum Power-Point), die das ca. 0,8-fache des Produkts U x I ist.

* Bezug eines geeigneten Verbrauchers mit Direktanschluss z. B. ber ManSolar: www.mansolar.com

Solarzelle

+ -mA

VerbraucherSolarzellen

+ -mA

Auf Dauer mit Sonnenpower

Das Klima ndert sich weltweit, mit Folgen, die heute noch niemand genau absehen kann. Ursache ist der Aussto von klimaschdlichen Gasen wie z. B. Kohlenstoffdioxid. Das stammt auch aus der Verbren-nung von Benzin oder Diesel fr Autos und andere Fahrzeuge, z. B. auch fr Boote und Schiffe. Mithilfe der unerschpflichen Energiequelle Sonne kann man diese Kraftstoffe ersetzen, indem man fotovolta-isch elektrischen Strom erzeugt, der dann klima- und umweltfreundlich einen Elektromotor antreibt.

Ohne Lrm und Abgase Nahezu geruschlos, ohne Abgase und mit der Energie der Sonne so wer-den in Zukunft hoffentlich immer mehr Boote und Schiffe dahingleiten. Schon heute fahren auf Flssen und Seen Boote und Schiffe mit Elektroantrieb. Insbeson-dere fr Naherholungsgebiete und hochsensible kosysteme, die eine Benzin- oder Diesel betriebene Motorschifffahrt nicht vertragen, sind der emissionsfreie Antrieb und der fast lautlose Betrieb gut geeignet. So werden derzeit immer mehr Solarschiffe als Fhren und Ausflugsschiffe eingesetzt.

Rund um die Welt Selbst auf hoher See gibt es jetzt ein Sonnen-

schiff. Die PlanetSolar ein Katamaran lief Anfang 2010 vom Stapel und soll mit-hilfe von Strom aus vielen Solarmodulen die Welt umrunden. Extrem effiziente Akkus speichern tagsber den Sonnen-

strom, sodass die Jacht auch nachts ihre Reise fortsetzen kann. Gebaut wurde das futuri-

stisch wirkende Schiff auf einer Werft in Kiel.

Schiff ahoi!Wie wre es, sein eigenes kleines Solarboot zu bauen? Das lsst sich mit den richtigen Hilfsmitteln recht einfach durchfhren. Die folgenden Bltter zeigen, wie es geht. Am leichtesten ist es, das Solar-boot mit einem Luftantrieb auszustatten man baut ein sogenanntes Sumpfboot, wie man es aus den Everglades in Florida kennt. Solarzellen liefern den Strom. Ein Luftpropeller wird an einen Elektro- motor montiert, der auf dem Boot befestigt wird und mit den Solarzellen verkabelt ist, und schon fhrt das Boot los. Etwas schwieriger ist es, das Boot mit einem herkmmlichen Wasserantrieb zu versehen. Hier befindet sich der Propeller (die Schiffsschraube) unterhalb der Wasserlinie. Dafr muss eine Achse zwischen Motor und Propeller eingebaut werden.

Technik im nATuRWiSSenSchAfTLichen unTeRRichT

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Die PlanetSolar, das grte Solarboot der Welt, startete im Herbst 2010 zu einer Erdumrundung.

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bau von SolarbootenDas infoblatt

bau von Solarbootenbauanleitung


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Grafik in Anleh

nung

an Universitt Kassel, FB

Elektrotech

nik, In

form

atik, B

erufs- und

Fachd

idaktik/H. K

irch

hof

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aufgabeBaue ein Boot, das mit Sonnenenergie angetrieben wird. Die Form des Bootes kannst du frei whlen mit einem Rumpf oder mit zwei Rmpfen (Katamaran).

anforderungen:Die Lnge des Bootes darf maximal 30 cm betragen, die Breite etwa 15 cm (Einrumpfboot) bzw. 25 cm (Katamaran). Du kannst das Boot aus leichtem Sperrholz, aus Styropor/Styrodur, aus Kork-platten oder auch aus leeren PET-Getrnkeflaschen bauen.

das brauchst du:1 Technische Bauteile*: Solarmodul aus einer oder mehreren Solarzellen, Solarmotor (z. B. RF 300),

Motorhalter, Kabel, Luftpropeller oder Schiffsschraube2 Verbrauchsmaterial: Baustoff deiner Wahl (siehe Anforderungen), Ngel, Holzleim, Kleber

(lsungsmittelfrei und geeignet fr deinen Baustoff), Kontaktkleber, evtl. Heikleber, Schmirgelpapier, Zahnstocher, Schaschlikspiee, Gummiringe, Schnur, Korken, Draht

3 Werkzeug: geeignete Sge, Hammer, Zollstock/Lineal, Schraubzwinge, Ltkolben oder Ltstation,Handbohrer, evtl. Heiklebepistole, Zange zum Abisolieren, evtl. verschiedene Holzraspeln

4 auerdem: Halogenstrahler/Lampe (wenn der Versuch nicht drauen stattfindet), Plansch- becken oder groe Wasserwanne

und so gehts:1 Auf Blatt 4 und 5 findest du Schablonen fr den Bau des Bootes. Kopiere die Vorlage nach der

gewnschten Gre, bertrage die Schnittlinien auf deinen Werkstoff (z. B. durchpieksen) und schneide dann die Bootsteile vorsichtig aus.

2 Das Motorkabel und die Kabelenden der Solarzellen werden zuerst abisoliert und dann miteinan-der verbunden: Schrauben nur mit den Fingern festziehen. Pluspol = rot; Minuspol = schwarz.

Das Solarboot wird angetrieben vom Solarmodul (mit drei bis vier untereinander verbundenen Solarzellen), dem Elektromotor und dem Propeller.

Fllt Licht auf das Solarmodul, wird eine elektrische Spannung erzeugt. Schliet man jetzt den Elektromotor an, fliet Strom, der Motor dreht sich und treibt den Propeller an. Der rotierende Propeller saugt die Luft von rechts an und drckt sie nach links. Dadurch entsteht eine Kraft der Propeller wird nach rechts gedrckt, das Boot vom Propeller vorwrts geschoben. Aus Sonnen energie wird elektrische energie und daraus mechanische energie!

* Bezug ber: www.opitec.de / www.nils-isfh.de / www.lemo-solar.de / www.schule-trifft-technik.de / www.traudl-riess.de / www.iks-photovoltaik.de / www.conrad.de und allgemein im Lehrmittelhandel

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Sonnenstrahlung

Propeller

motor

Solarmodul

Strom vom motor

Strom zum motor

kRAfT

Luftbewegung

3 Die beiden Hlften des Motorhalters steckst du mittels einer Drahthalterung (oder auch mit zwei Zahnstochern) zusammen und schneidest oben eine flache Kerbe fr den Motor hinein.

4 Den fertigen Motorhalter befestigst du auf jeder Seite mit zwei schrg eingesteckten Zahnstochern am Rumpf.

5 Motor und Solarmodul werden mit Gummiringen befestigt und dann wird geprft, ob der Propeller sich frei drehen kann und das Boot gerade schwimmt. Achtung: Beim Anbringen des Solarmotors die Eintauchtiefe des Bootes unter Belastung bedenken! Der Solarmotor darf auf keinen Fall nass werden!

VarIante:1 Fr den Bau des Bootsrumpfes kannst du auch

einfach zwei 0,5-Liter-PET-Flaschen als Schwimmkrpernutzen. Zur Stabilitt des Bootes fllst du die Flaschen mit etwas Wasser, sodass das Boot ein wenig ins Wasser eintaucht.

2 Auf die Flaschen setzt du einen gebogenen Aufbau (Trger), z. B. aus Dosenblech (Vorsicht: scharfkantig!),

Sperrholz oder Styrodur und befestigst ihn mit Klebeband.

3 Auf den waagrechten Teil des Trgers montierst du die Solarzellen, auf den senkrechten Teil den Elektromotor mit Propeller. Dafr bohrst oder schneidest du (je nach Material) ein Loch, das etwa 12 mm kleiner ist als der Durchmesser des Motors (meist 24,2 mm), feilst das Loch vor-sichtig weiter aus und passt den Motor ein, sodass er genau in das Loch passt und fest sitzt.

4 Mit einem Ruder unter dem Heck (z. B. aus Dosenblech) kann das Boot lenkbar gemacht werden; das geht auch, indem man den Motor auf der Halterung leicht verdreht.

5 Drei Solarmodule mit insgesamt sechs Solarzellen (je 0,5 V) in Reihenschaltung sorgen fr eine Gesamtspannung von 3 Volt. Du kannst das Boot aber auch mit weniger Solarzellen betreiben, es fhrt dann nur langsamer.

erWeIterung:Du kannst auch ein Boot mit einer Wasserschraube bauen. Dafr muss der Propeller ber eine lange Achse mit dem Motor verbunden werden. Die Achse kannst du dir aus einem Wattestbchen und einem Zahnstocher bauen.

fr Tftler: Wie wre es, das Boot mit einer Fernsteuerung auszustatten? Es ist gar nicht so schwer! Informationen findest du im Internet, z. B. unter: www.arexx.com oder unter www.science-club.lu/2010/08/solarboot-bauen/?lang=de


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bau von Solarbootenbauanleitung

bau von SolarbootenVorlage fr das einrumpfboot


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Platz fr Solarmodul Motorstnder1

Motorstnder2

Platz fr Motorstnder

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Technik im nATuRWiSSenSchAfTLichen unTeRRichT kLASSenSTufe 79

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bau von SolarbootenVorlage fr den katamaran

Katamaran-Rumpf1

Katamaran-Rumpf2

Deck hinten

Deckvorn

Motorstnder1

Motorstnder2

Platz frMotorstnder

[wird nicht gebraucht]

Dem Tter auf der spur

Seit ungefhr hundert Jahren tragen viele Verbrecher bei ihren Taten Handschuhe. Der Grund: Im Jahr 1897 klrte Scotland Yard zum ersten Mal ein Verbrechen aufgrund von Fingerabdrcken auf. Entscheidend ist die Tatsache, dass auf nahezu allen Gegenstnden und Flchen, die wir berhren, Fingerspuren von uns zurckbleiben. Und jeder Mensch hat seine ganz eigenen, unverwechselbaren Fingerabdruckmuster, mit denen er eindeutig zu identifizieren ist. Mittlerweile haben Kriminaltech-niker eine ganze Reihe von Verfahren zum Sichtbarmachen von Fingerabdrcken entwickelt.

Fingerabdrcke entstehen durch Schweiabsonderungen auf den sogenannten Papillarleisten in der Haut. Man unterscheidet dabei grundstzlich vier verschiedene Mustertypen.

Um einen Fingerabdruck eindeutig identifizieren zu knnen, mssen die kleinen Feinheiten der Muster genau betrachtet werden: Anfang und Ende der Linien oder ihre Verzweigungen. Ein Fingerabdruck muss in acht solcher Details bereinstimmen (s. unten).

Die vier Grundmuster von fingerabdrcken:

fingerabdrcke untersuchenDas infoblatt


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Mischform

Fingerabdrcke von den Fingerkuppen werden mithilfe eines Stempel kissens sehr deutlich sichtbar und du kannst sie genau studieren. Findest du beim Merkmalsvergleich eine bereinstimmung von acht anatomischen Merkmalen (die sogenannten Minutien, das heit feine Verzweigungen bzw. En-dungen der Papillarleisten), so ist die Identitt der entsprechenden Person eindeutig nachgewiesen.

Bogenmuster

Schleifenmuster

Wirbelmuster


fingerabdrcke untersuchensichtbarmachen von fingerabdrcken mit Grafitpulver

klassensTufe 56

AufgAbe 1Nimm von dir und deinen Mitschlerinnen und Mitschlern mithilfe eines Stempelkissens die Fingerabdrcke von den Fingerkuppen. Einigt euch vorher auf einen oder zwei Fingertypen, zum Beispiel Daumen und Zeigefinger der rechten Hand. Sortiere die Fingerabdrcke nach den vier Grundmustern und lege eine Fingerabdruckdatei an.

AufgAbe 2Hinterlasse einen Fingerabdruck auf einer glatten Oberflche, z. B. einem Spiegel, und nimm danach den Fingerabdruck ab. Vergleiche deine Fingerabdrcke mit denen deiner Mitschlerinnen und Mitschler und versucht, die einzelnen Fingerabdrcke zu identifizieren.

DAs brAuchst Du:Feiner Pinsel, Glasplatten (Objekttrger oder Taschenspiegel), abziehbares Klebeband (Scotch, Tesafilm etc.), Lupe, alte Zeitungen/Papiertcher und Grafitpulver.

unD so gehts:1 Lege deinen Arbeitsplatz mit Zeitungspapier aus.

2 Erzeuge auf der Glasplatte Abdrcke deiner Finger. Am besten gelingen die Fingerabdrcke, wenn du die Finger zuvor etwas eincremst und die Creme ein paar Minuten einziehen lsst.

3 Mit dem Pinsel tauchst du nun in das Graphitpulver ein und tupfst ein wenig davon vorsichtig auf die Stelle, an der sich der Fingerabdruck befindet (nicht verschmieren!). Klopfe das ber-schssige Grafitpulver auf einem Papiertuch ab.

4 Klebe einen Streifen Klebeband auf den Fingerabdruck und drcke ihn vorsichtig fest. Nun kannst du den Fingerabdruck mithilfe des Klebefilms auf ein weies Blatt Papier bertragen, indem du den Klebefilm abziehst und auf das weie Papier klebst.

VAriAnte:Eine Mitschlerin/ein Mitschler aus deiner Klasse hinterlsst unbeobachtet einen oder mehrere Fingerabdrcke an einem Gegenstand im Klassenraum. Es sollte eine Oberflche sein, die es nicht zu schwer macht, einen Fingerabdruck zu erkennen. Eine andere Schlergruppe (ca. 3 4 Schler) begibt sich dann auf die Suche nach den Fingerabdrcken, nimmt diese vom Objekt und identifiziert anhand der Fingerabdruckdatei die Tterin bzw. den Tter.

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fingerabdrcke untersuchensichtbarmachen von fingerabdrcken mit ninhydrin

Technik im naTurwissenschafTlichen unTerrichT klassensTufe 89

Ninhydrin Ethanol

AufgAbeHinterlasse Fingerabdrcke auf Papier und mache diese dann mit einer speziellen Chemikalie sichtbar. Vergleiche deine Fingerabdrcke mit denen deiner Mitschlerinnen und Mitschler und versuche, die einzelnen Fingerabdrcke zu identifizieren.

DAs brAuchst Du:Verschiedene Papiere, Heizplatte, Pinzette, Handschuhe (Latex), Kittel, Schutzbrille, Sprhflasche; Ninhydrinlsung in Ethanol 0,2 g Ninhydrin in 20 ml Ethanol, mit destilliertem Wasser auf 200 ml verdnnen.

unD so gehts:1 Hinterlasse einen Fingerabdruck auf verschiedenen Papieren (Schreibpapier, Filterpapier,

Papiertaschentuch). Wichtig ist, dass du krftig auf das Papier drckst. Am besten gelingen die Fingerabdrcke, wenn du die Finger zuvor etwas eincremst und die Creme ein paar Minuten einziehen lsst.

2 Zieh die Handschuhe an und sprhe etwas von der Nachweislsung (Ninhydrin) aus der Sprhflasche auf die Stelle, auf der dein Fingerabdruck ist oder du ihn vermutest. Mache dies unter dem Laborabzug.

3 Die Heizplatte wird unter dem Abzug auf 100 C eingestellt nicht heier!

4 Lege mit einer Pinzette kurz ca. 10 Sekunden das Papier auf die heie Heizplatte, bis die Flssigkeit verdunstet. Achtung: nicht das Papier verbrennen lassen! Es bildet sich eine blauviolette Frbung des Fingerabdrucks.

5 Betrachte den Fingerabdruck mit der Lupe und fotografiere ihn zur Dokumentation.

hinweis:Dieser Versuch sollte nur an der Schule und mit einem Laborabzug durchgefhrt werden! Ninhydrin gehrt zu den Chemikalien, die als gesundheitsschdlich eingestuft sind. Daher ist beim Umgang mit dem Stoff Sorgfalt und Umsicht geboten. Ethanol (umgangssprachlich: Alkohol) ist als ein leichtentzndlicher Stoff klassifiziert. Wenn du sorgfltig und berlegt arbeitest, kann nichts passieren.

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Vom einfachen Steg zur Schrgseilbrcke

Seit mehr als dreitausend Jahren bauen Menschen Brcken, um Grben, Bche, Flsse und Tler ber-queren zu knnen. Brcken wurden im Laufe der technischen Entwicklung des Menschen zu immer faszinierenderen Bauwerken. Ingenieure in der ganzen Welt wagen sich heute daran, frher nicht fr mglich gehaltene Konstruktionen zu bauen. Beim Bau von Brcken spielen die Gesetze der Physik eine besonders groe Rolle. Werden sie nicht genauestens beachtet, so kann es vorkommen, dass eine Brcke einstrzt. Dies ist auch schon passiert und dann meist mit katastrophalen Folgen.

Die wichtigsten Baustoffe fr Brcken waren bis vor 200 Jahren Stein und Holz. Den Bau von Bo-genbrcken aus Natursteinen perfektionierten die Rmer. In der Zeit der Industrialisierung entstan-den mit dem neuen Baustoff Gusseisen die ersten Eisenbrcken der Welt. Die weitere Entwicklung von sprdem Gusseisen zu zhem und zugfestem Schmiedeeisen dem Stahl ermglichte den Bau von langen Hngebrcken und Fachwerkbalkenbrcken. Der Baustoff Beton wurde ab 1860 bei Bogenbrcken eingesetzt. Es stellt einen Glcksfall der Natur dar, dass Stahl und Beton einen sta-bilen Verbund bilden, da sie sich bei Temperaturvernderungen hnlich ausdehnen bzw. zusammen-ziehen. Beton hat dabei eine hohe Druckfestigkeit, die Armierung mit Stahl liefert die Zugfestigkeit. So wurde ab der Mitte des 20. Jahrhunderts die schlanke Balkenbrcke aus Spannbeton mglich. Parallel dazu wurde im Stahlbau die Schrgseilbrcke entwickelt.

Brckentypen

Brcken bauenDas Infoblatt

TechnIk Im naTurwISSenSchafTlIchen unTerrIchT

Balkenbrcke Fachwerkbrcke

Hngebrcke

BogenbrckeEinfache Bogenbrcke

Schrgseilbrcke

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TechnIk Im naTurwISSenSchafTlIchen unTerrIchT klaSSenSTufe 79

Brcken bauenProjektauftrag

AUFGABEBaue aus vorgegebenem Material eine Brcke, die einen Graben von mindestens 50 cm Spannweite berbrckt und eine Fahrbahn von mindestens 10 cm Breite hat.

AnFordErUnGEn: Die Klasse steht im Wettbewerb miteinander. Das Ziel des Wettbewerbes ist es, eine mglichst leichte, aber belastbare Brcke zu bauen und das Design dabei nicht auer Acht zu lassen. Die Br-cke soll zwei 50 cm weit auseinandergestellte Tische mit einer mindestens 10 cm breiten Fahrbahn berspannen und dabei mglichst viel Last tragen knnen. Das heit: planen, konstruieren, bauen, testen, verbessern, optimieren, wieder testen und dann im Wettbewerb vergleichen!

Zum Schluss werden alle Brcken in der Klasse miteinander verglichen und bewertet. 1 Welche Brcke trgt die grte Last?2 Welche Brcke kommt mit dem wenigsten Material aus?3 Welche Brcke hlt im Vergleich zu ihrem Eigengewicht die grte Traglast?4 Welche Brcke ist sthetisch am Besten gelungen?

dAs kAnnst dU vErwEndEn:Papierbrcke: DIN-A4-Papier (Grammatur ca. 160 g/m2), Klebstoff, Schere, Lineal, Buntstifteholzbrcke: 100 Holzstbchen (z. B. Schaschlikspiee), 5 m Bindfaden (Fadenstrke 8 10), Klebstoff

ABlAUF:Bildet in der Klasse Dreier- oder Viererteams. Studiert vorab die wesentlichen Bauelemente einer Brcke. Entscheidet euch, welchen Brckentyp ihr bauen wollt und welches Material ihr dazu whlt. Die Konstruktion sollte eine gute Mischung aus Tragkraft, Spannweite und Design sein. Danach zeich-net ihr die wesentlichen Brckenelemente auf ein Blatt Papier und fertigt dann daraus die endgltige Konstruktionszeichnung eurer Brcke. Beginnt dann mit dem Bau und plant Testphasen mit ein.

konstruktionselemente einer BrckeBei der Konstruktion einer Brcke mssen physikalische Gesetze und Materialeigenschaften ein-bezogen werden. Die Mitte der Brcke wird der Punkt sein, der besonders verstrkt werden muss, denn hier trgt die Brcke die Last. Dabei entstehen Druck- und Zugkrfte. Diese mssen auf die Auflageflchen (Lager der Brcke) abgeleitet werden. Um diese Krfte zu verteilen, gibt es im Br-ckenbau viele verschiedene Modelle die Brckentypen: Bogenbrcke, Fachwerkbrcke, Platten-brcke, Balkenbrcke, Hngebrcke etc.

Balkenbrcke: Die Kraft wird Bogenbrcke: Die Kraft wird hngebrcke: Die Lager werdendurch die Auflageflchen dem Bogen nach auf die Lager auf Zug beansprucht, die Brcke vertikal nach unten bertragen. bertragen. hngt durch.

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BAUElEmEntE FormEn:1 Papier in mehreren lagen: Hiermit kann man eine dickere ebene Flche bauen.

2 Papier falten: Zickzackfalten im Papier ergeben eine stabile Struktur.

3 Papier einrollen: Mehrere Lagen Papier werden bereinander gelegt, verklebt und dann eingerollt.

4 wabenstruktur: Diese Struktur erhht deutlich die Stabilitt.

5 Steckverbindungen: Eine einfache Mglichkeit, um Teile miteinander zu verbinden.

6 Stabile Dreiecke fr Papier und holzstbchen: Diese geometrische Form ist sehr stabil. Wenn mehrere Dreiecke aneinandergereiht werden, entsteht ein noch stabileres Fachwerk.

7 Selbsthemmungsmechanismus bei holzstbchen/holzleisten: Hier hemmen sich die Leisten bei Belastung gegenseitig und versteifen sich dadurch. Das Prinzip kennt man vom Falten des Deckels eines Umzugskartons (Vierlaschenverschluss). Schon vor ber 500 Jahren hat Leonardo da Vinci auf Grundlage dieses Prinzips eine Brcke fr den schnellen Auf- und Abbau bei Militreinstzen konstruiert die sogenannte Leonardo-Brcke.

Beispiel fr eine Brcke aus Papier Beispiel fr eine Brcke aus holzstbchen

Brcken bauenTipps und anleitungen fr die konstruktion

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Herstellung von Sonnenschutzmilch Das Infoblatt

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UV-B UV-B

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UV-A UV-A UV-AUV-B

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kein Schutz:UV-Strahlen Organischer (chemischer) filter: anorganischer (physikalischer) filter: dringentiefindieHaut Strahlenwerdenabsorbiertundin Strahlenwerdenreflektiertund ein.Sonnenbrandentsteht. FormvonWrmewiederabgegeben. gestreut.(TitandioxidundZinkoxid) DieHautaltertvorzeitig. (z.B.Zimtsureester)

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ultraviolette (uV-) Strahlung kann schaden

OhnedieSonnewreLebenaufderErdenichtmglich.IhreStrahlungsorgtfrLichtundWrmeundfrdertunserWohlbefinden.DieUV-StrahlungderSonnekannaberauchschdlichsein.

SonnenschutzmittelsollendieHautvorzuvielUV-Strahlungschtzen.AmhufigstenfindetmanSonnenschutzmittelinFormvonSonnenmilch.MilchisteineflssigeEmulsion,siebestehtauseinemFettanteilundeinemWasseranteil.SonnenschutzmittelgibtesaberauchinFormvonCreme,loderaufWasserbasierendemGel.SonnenschutzmittelmitgeringemWasseranteilsindehersalbenartig,solchemithohemWasseranteileherwieeineLotion.

UmdieUV-Strahlungzublockieren,werdenchemischeundphysikalischeFiltereingesetzt.DaeinigechemischeFilterimVerdachtstehen,mglicherweiseallergischeReaktionenauszulsen,istesbesser,aufsiezuverzichtenundphysikalischeFiltereinzusetzen.EinigePflanzenlewieJojoba-,Sesam-undErdnusslhabeneinennatrlichen,allerdingsgeringenLichtschutzfaktor(ca.LSF5).

PhysikalischeFilterbestehenaussehrfeingemahlenemTitandioxidoderZinkoxid:DieseStoffestreuenundreflektierendasUV-Licht.IhrVorteilist,dasssiechemischpraktischnichtreagieren(inertsind)undsichdeshalbwederzersetzennochallergischeNebenwirkungenaufweisen.EinNachteilist,dassdieSchutzschichtdurchWasseroderSchweileichtabgespltwirdunddassdeshalbfternachgecremtwerdenmuss.

wie uV-filter die Haut vor Sonnenbrand bewahren

Hauttyp, eigenschutzzeit und lichtschutzfaktorWerzumHauttyp2gehrt(inDeutschlandderhufigsteHauttyp),hateineEigenschutzzeitvonca.zehnMinuten,d.h.erkannzehnMinutenohneSonnenschutzinderSonnebleiben,ohneeinenSonnenbrandzubekommen.Trgtmanrechtzeitig(30MinutenvordemSonnen)einSonnenschutz-mittelmitdemLichtschutzfaktor(LSF)15auf,dannverlngertsichdieSchutzzeitauf10x15=150Minuten.Sichereristes,nur60%dieserZeit,also90MinuteninderSonnezubleiben.ErneutesEincremenverlngertbrigensdieSchutzzeitnicht!

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Herstellung von Sonnenschutzmilch Die rezeptur

AUFGABEStelleausdenvorgegebenenStoffeneineSonnenschutzmilchher.TestedieSonnenmilchaufihreGebrauchseigenschaftenundHaltbarkeit.GestalteeineentsprechendeVerkaufsverpackung.

DAs BrAUchst DU:frca.250300gSonnenmilchfettanteil:10gTegomulsHT(EmulgatoreinnatrlichesPalmfett)40gMandel-,Erdnuss-,Avocado-oderJojobal(schtztundpflegtdieHaut;frdenDuft)10TropfenVitaminE(schtztundpflegtdieHaut)5TeelffelSoFiTix(GemischaussehrfeingemahlenemZinkoxidundTitandioxidalsUV-Filter)

wasseranteil (milch):40gdestilliertesWasser,10TropfenParabenK(Konservierungsstoff,darfauchinBiokosmetikverwendetwerden)fakultative Zusatzstoffe(pflegenundbefeuchtendieHaut):2gSonnenhutextraktund/oder0,7gAloevera(20Tr.)

UnD so GEhts:1 KochedestilliertesWasserzurEntkeimungfrcirca3Minutenab.Anschlieendlsstdu

esaufetwa6570Cabkhlen.

2 ZurHerstellungdesFettanteilserwrmstdueineMischungderdortangegebenenvierSubstanzenlangsamauf5060C.

3 ZurHerstellungderfertigenSonnenschutzmilchwiegstdu10gdeserwrmtenFettanteilsab.GibdasabgekochteundabgekhlteWasserunterRhrenlangsamindenFettanteil.UnterkrftigemRhren(ca.2MinutenmiteinemRhreroderMixer)lsstdudieEmulsionabkhlenundgibstwhrenddessendasParabenzu.

4 NachAbkhlenaufca.30CwerdendieZusatzstoffe(fakultativ)zugegeben.

5 DiefertigeSonnenschutzmilchfllstdudannineinelichtgeschtztePlastikflasche.

hinwEis:DieSonnenschutzmilchhateinenLichtschutzfaktor(LSF)vonungefhr1520,dasheit,mitdieserMilchistmanjenachHauttypmindestens1,5Stundengeschtzt.Aberbitteimmerdarandenken,Sonnenschutzmittelalleineschtzennicht!Wichtigist,alleRegelnfrdenSonnenschutzzukennenundzubeachten.www.bfs.de>Suchen:TippszumUV-Schutz

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:Zeitbild

VerlagBerlin

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Herstellung von SonnenschutzmilchDie wirksamkeit von Sonnenschutzmitteln prfen

AUFGABETestedieWirksamkeitdeinesSonnenschutzmittelsunddievongekauftenSonnenschutzmittelnmitunterschiedlichemLichtschutzfaktor.VergleichedieErgebnissemiteinander.WaskannstduberdenLSFdeinerselbsthergestelltenSonnenmilchaussagen?

DAs BrAUchst DU:UnterschiedlicheSonnenschutzmilchund-cremes,UV-Testpapier(sieheHinweis),zwei100mlBecherglser,Tonpapier,UV-Lampe,Tesafilm

UnD so GEhts:1 Vorversuch zur nachweisreaktion fr uV-licht: Einesder100-ml-Becherglserwirdmit

TonpapierumkleidetundsovorUV-Einstrahlunggeschtzt.InbeideBecherglsergibstdujeweilseinenpassendzugeschnittenenStreifendesUV-TestpapiersundsetztdiebeidenBecherglserfrca.5MinutendirekterSonneneinstrahlungalternativderStrahlungeiner

UV-Lampeaus.

2 nachweis der wirksamkeit von uV-filtern in Sonnenschutzmitteln: MarkiereaufeinerOHP-FoliedreiFelder,aufdieProbenvondreiverschiedenenSonnenschutzmittelnaufgetragenwerden.Achtedarauf,dassdieSchichtdickemglichstgeringundbeiallendreiProbenetwagleichist.

3 BefestigehinterderFoliemitTesafilmeinStckTestpapierso,dassesunterdenmarkiertenFeldernist.DiefertigeVersuchsanordnungsetztdudannfrca.10MinutendemdirektenSonnenlichtodereinerUV-Lampeaus.

hinwEis: UV-Testpapieristerhltlichbei:UV-IRTechnology,63128Dietzenbach,Tel.:06074/483079E-Mail:[email protected],www.uv-ir-technology.de/entry71.htm

DasProjektSonnentaler.netverteiltinkleinerStckzahlUV-Papierkostenfrei:ProjektSonnentaler/Lamainlapte;E-Mail:[email protected]/aktivitaeten/humanbio/gesundheit/leben_mit_der_sonne

Esistauchmglich,UV-Testpapierrelativleichtselbstherzustellen.FrdiebentigtenChemikalien(Sulfanilsureund-Naphthylamin)bestehtallerdingseinVerwendungsverbotinSchulen.Gegebe-nenfallsistesmglich,hiereinChemieinstitutaneinerUniversittumHilfezubitten.

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Technik im naturwissenschaftlichen Unterricht