Die Welt erleben, Welten rekonstruieren – Erzeugung von 3D-Modellen mit eigenen Kameraaufnahmen

Dieses Thema richtet sich an Lehrkräfte für Physik, Mathe und Informatik.

Seine eigene Welt konstruieren? Geht das überhaupt? Klar, im Bereich der klassischen Naturwissenschaften und heute der sogenannten MINT-Fächer geht es typischerweise auch um die sogenannte Modellbildung. Nur werden die naturwissenschaftlichen Modelle später in Forschung und Anwendung genutzt, um Voraussagen zu Prozessen in unserer Umwelt machen zu können. Das bedeutet, aus einem beobachtenden Prozess wird zunächst ein erprobender, bald darauf ein verstehender und schließlich ein konstruierender Vorgang. Durch technologische Fortschritte geschieht dies nicht mehr nur mit den Augen, wir nutzen heute vor allem digitale Kameras für unsere Fotos und Videos. Das bietet auch den Vorteil, dass man nicht nur auf Erinnerung angewiesen ist und – mit Hilfe eines Computers – kann man auch technische Daten aus den Bildern gewinnen. Dies ist die oben benannte Beobachtung und auch schon ein wenig Analyse. Die Rekonstruktion eines Teils seiner Umgebung, sei es das eigene Zimmer, ein Skater-Park oder auch ein Gebirgszug, können mit Hilfe der Analyse durch einen 3D-Drucker wieder erzeugt werden. Ist das nur Spielerei? Manchmal bestimmt, aber es kann auch der Beginn einer Analysearbeit sein. Stellt euch vor, ihr habt einen Parcour als 3D-Modell und wollt den optimalen Weg herausfinden. Mit dem Modell geht das, denn es gibt maßstabsgetreu die Größen- und Distanzverhältnisse zueinander wieder. Da geht dann für kleine und große Forscher:innen der „Spaß“ erst richtig los.
Unser Ansatz soll es sein, mit einer mobilen Kamera, zum Beispiel von eurem Smartphone oder einem Tablet, eine Aufnahme von einem Gegenstand oder einem Raum zu machen. Dafür gibt es viele Programme und manche davon können auch schon die Daten für einen 3D-Drucker ausgeben. Die Kunst wird es sein herauszufinden, wann man eine gute Datenaufnahme gemacht hat. Dieser teil ist für Naturwissenschaftler:innen sehr wichtig: verstehen, wann eine Aufnahme oder ein Experiment gelungen ist – und wie man das „merkt“, ohne Ergebnisse berechnet zu haben. Wenn dann Zufriedenheit herrscht, kann man das Ganze einem 3D-Drucker übergeben und sein Modell drucken lassen. Und das ist nicht das Ende, jetzt geht es erst richtig los – ihr fragt euch danach garantiert, wie ihr besser aufnehmen könnt, welche Programme und Kameras benutzt werden sollten und bei welchen Objekten der Druck noch dem Original am ähnlichsten ist. Mit diesem Projekt stellt ihr euch alle Fragen wie Forscher:innen in der Industrie oder an der Universität – aber euer Labor ist der Klassenraum!

Mögliche Fragestellungen

• Welche Modelle kennt ihr und wofür benutzt ihr sie?
• Welche Art von Modellen hättet ihr gerne zur Verfügung?
• Welche Vorteile bieten Modelle, welche Nachteile haben sie?
• Welche digitalen Medien habt ihr in der Schule schon benutzt?
• Wie kann man mit Bild- oder Grafiksoftware überhaupt die Ausdehnung von Objekten feststellen?
• Welches Rätsel aus eurem Alltag würdet ihr gerne mit einer 3D-Simulation lösen?

Wissenschaftliche Partner

Betreuung des Schulteams durch

Andreas Junk

Foto: privat

Dr. Andreas Junk forscht an der Europa-Universität Flensburg in der AG Physik vor allem zur Entstehungsgeschichte stereoskopischer Betrachter und Messinstrumente. Diese Instrumente nutzen sowohl physikalische Effekte, als auch individuelle physiologische und psychologische Eigenarten des Beobachters aus. In seinen jüngsten Vorträgen und Veröffentlichungen hat er die Entstehung gängiger Bauformen bis zum heutigen Tag und die technische Entwicklung aufgearbeitet. Im Moment steht der Nachbau eines Entfernungsmessers nach historischem Vorbild im Vordergrund, mit dem auch entsprechende Messungen vorgenommen werden sollen.

Ihr Kontakt

Tel: 0431-8814 664
Email: yes@zbw-workspace.eu

YES! MINT   

Grüne Batterien – aus nachhaltigen und biologisch abbaubaren Rohstoffen

Dieses Thema richtet sich an Lehrkräfte der Chemie, Physik und Wirtschaft/Politik.

Batterien enthalten Rohstoffe aus Kohlenstoff, Mangan, Nickel und beispielsweise Kobalt, welche für die Kapazität der Batterien verantwortlich sind. Diese Materialien sind (außer Kohlenstoff) sehr selten geworden und haben einer hohe Nachfrage, auch aus der Stahlindustrie. Außerdem sind sie nicht sehr umweltfreundlich und toxisch. Neben den Rohstoffen allein beinhaltet die Batterie auch einen Elektrolyten, einen Filter und andere Bestandteile, welche derzeit noch mit großem Aufwand und nicht umweltfreundlich hergestellt werden. Doch wie werden diese Stoffe hergestellt? Welche Funktionen haben sie in einer klassischen Batterie und was macht eine Batterie zu einer nachhaltigen Batterie? Wo kann man anfangen und was gibt es bereits? Filter aus Baumwolle, Elektrolyte aus Salzwasser oder Algen sind bereits erste Schritte zu einer „grünen“ Batterie.

Mögliche Fragestellungen

• Wie sieht eure „grüne Batterie“ der Zukunft aus?
• Welche Leistungsmerkmale hat sie im Vergleich zur konventionellen Batterie?
• Für welche Einsatzorte eignet sie sich auf Basis der Leistungsmerkmale besonders gut?
• Wie sieht es mit den Produktionskosten in Relation zur konventionellen Batterie aus und wie lassen sich diese gegebenenfalls senken?
• Wie sieht die CO2-Bilanz von Batterien (z.B. in E-Autos aus) aus im Vergleich zum Benziner oder Diesel?
• Wie würde eine „grüne Batterie“ im Vergleich aussehen und welche globalen Auswirkungen hätte dies?

Wissenschaftliche Partner

Betreuung des Schulteams durch

Sandra Hansen

Dr. Sandra Hansen ist Materialwissenschaftlerin und kümmert sich um die Chemie, Physik und das Zusammenspiel beider Disziplinen, um im Detail Materialien zu verstehen. Dr. Sandra Hansen arbeitet in der Forschung an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel am Institut für Materialwissenschaft im Bereich Batterieforschung und beschäftigt sich zudem mit der Frage wie man das Klima und die heutige Mobilität verbessern kann.
Zeitgleich arbeitet Dr. Sandra Hansen am IPN – Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik und verbindet so die Forschung mit der Bildung und möchte mit euch zusammen neuartige Projekte durchführen.

Ihr Kontakt

Tel: 0431-8814 664
Email: yes@zbw-workspace.eu

YES! MINT   

Wie kann man Wasserstoff in der Luft messen und warum ist das wichtig?

Dieses Thema richtet sich an Lehrkräfte der Chemie und Physik.

Die Messung von Wasserstoff ist ein interessantes Forschungsprojekt, da es Einblicke in die Funktionsweise von Wasserstoffsensoren und die Bedeutung von Wasserstoff als nachhaltige Energiequelle bietet.

Wasserstoff ist ein Gas, das aus erneuerbaren Energien hergestellt werden kann und in vielen Bereichen eingesetzt wird, wie zum Beispiel der Energieerzeugung, der chemischen Industrie und dem Transportwesen. Da Wasserstoff jedoch ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas ist, ist es schwierig, seine Anwesenheit ohne spezielle Messinstrumente festzustellen.

Ein Wasserstoffsensor ist ein Gerät, das speziell dafür entwickelt wurde, die Konzentration von Wasserstoff in der Luft zu messen. Es gibt verschiedene Arten von Wasserstoffsensoren. Wir erforschen elektrische Sensoren, die mit eingebauten Filtermaterialien nur den Wasserstoff zur Messung zulassen.

Unser Forschungsprojekt für Schüler:innen der 7-9. Klasse besteht darin, einen einfachen elektronischen Wasserstoffsensor mit Nanomaterial-Unterstützung zu bauen und zu testen. Hierzu wird eine Platine mit einem vorbereiteten Sensorchip ausgestattet und das Signal über einen Mikrocontroller auslesen. Die Schüler:innen könnten dann experimentell untersuchen, wie sich die Konzentration von Wasserstoff in der Luft auf das Sensorsignal auswirkt und wie sich die Empfindlichkeit des Sensors durch Veränderungen des Aufbaus oder der Betriebsspannung verändert.

Mögliche Fragestellungen

• Wie wird Wasserstoff erzeugt?
• Warum wird es immer wichtiger Wasserstoff schnell und einfach messen zu können?
• Warum muss man auch kleine Konzentrationen von Wasserstoff messen können?
• Wie können einfache und günstige Wasserstoffsensoren die angegebenen Nachhaltigkeitsziele unterstützen?
• Wo ist es wichtig, Wasserstoff zu bestimmen?

Wissenschaftliche Partner

Betreuung des Schulteams durch

Norbert Stock

Prof. Norbert Stock arbeitet seit 16 Jahren am Institut für Anorganische Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Ich habe in Bayreuth studiert und dann als Wissenschaftler an Universitäten in Versailles (Frankreich), Santa Barbara (USA) und München geforscht. Seit meiner Zeit als Doktorand interessiert mich die Entdeckung neuer Verbindungen/Materialien und deren Testung in einer Vielzahl möglicher Anwendungsbereiche. Bei den Untersuchungen spielen poröse Materialien eine wichtige Rolle, da diese in energierelevanten Fragestellungen wie beispielsweise der Katalyse, der Stoffspeicherung und -trennung oder der Erzeugung von Kälte eingesetzt werden. Ihn interessiert auch wie sich diese Verbindungen bilden und welche Darstellungswege eigeschlagen werden müssen, damit interessante Verbindungen möglichst umweltschonend, einfach und günstig erhalten werden können.

Leonard Siebert

Dr. Leonard Siebert arbeitet am Institut für Materialwissenschaften. Er beschäftigt sich mit Mikro- und Nanomaterialien und vor allem wie man diese über 3D Druck zu neuen, tollen Anwendungen bringen kann. So hat er über diese Kombination von selbst-bildenden Objekten aus der Nanowelt und 3D Druck promoviert.

Ihr Kontakt

Tel: 0431-8814 664
Email: yes@zbw-workspace.eu

YES! MINT   

Nehmen wir uns die Luft zum Atmen?

Dieses Thema richtet sich an Lehrkräfte der Biologie, Chemie, Geographie, Physik und Wirtschaft/Politik.

Autos, Schiffe, Industrieanlagen, Heizungen, Kerzen und Kamine machen das Leben auf der einen Seite gemütlich, auf der anderen Seite entstehen dabei sehr kleine Partikel. Diese Partikel werden auch Feinstaub genannt. Der Feinstaub wird eingeatmet und ist so klein, dass er sich im Körper ausbreiten kann. Dort führt er zu einem erhöhten Risiko für verschiedene Erkrankungen, wie zum Beispiel Asthma, Krebs oder Herzinfarkt. In Deutschland leben die Menschen aktuell im Durchschnitt etwa ein Jahr kürzer durch Luftschadstoffe. Außerdem führen die Erkrankungen zu einer verringerten Lebensqualität, Kosten durch Arbeitsausfall und benötigte medizinische Versorgung. Feinstaub ist aber nicht gleich Feinstaub: Wissenschaftler*innen haben herausgefunden, dass Feinstaub je nach Korngröße und Bestandteilen sehr unterschiedlich auf den Körper wirkt.

Grenzwerte für Luftschadstoffe sollen sicherstellen, dass Schadstoffe in der Luft nicht die Gesundheit gefährden. Einige sagen, dass die Grenzwerte noch nicht streng genug seien, andere meinen, dass strengere Regeln nicht nötig sind.

Dabei tragen Menschen, die am meisten unter Feinstaub leiden, häufig am wenigsten zur Feinstaubbelastung bei. Kinder atmen im Verhältnis zur Körpergröße besonders viel Feinstaub ein. Reichere Menschen fahren häufiger große Autos, machen Kreuzfahrten und leben in großen Häusern in ruhigen Gegenden, wohingegen andere häufig gezwungen sind, in der Nähe großer Straßen zu wohnen, da die Mieten hier geringer sind.

Mögliche Fragestellungen

• Welche Maßnahmen können ergriffen werden, um die gesundheitlichen Konsequenzen durch Feinstaubbelastung zu reduzieren?
• Wie könnte ein fairer Umgang mit unserer Luft aussehen?

Wissenschaftliche Partner

Betreuung des Schulteams durch

Mareike Wendorff

Foto: privat

Dr. Mareike Wendorff arbeitet am Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaft und Mathematik, dort forscht und arbeitet sie daran die Forschung des Exzellenzcluster „Precision Medicine in chronic Inflammation“ (PMI) an Schülerinnen und Schüler zu vermitteln. Sie hat am Institut für klinische Molekularbiologie des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein promoviert. In ihrer Doktorarbeit beschäftigte sie sich überwiegend mit der Rolle des Haupthistokompatibilitätskomplexes, ein wichtiger Bestandteil unseres Immunsystems, in chronischen Darmentzündungen. Dabei arbeitete sie fast ausschließlich in silico, also am Computer.

Florian Uellendahl-Werth

Foto: privat

Florian Uellendahl-Werth hat sein Abitur 2013 in Bad Bramstedt gemacht und anschließend Biochemie und Molekularbiologie studiert. Nach seinem Abschluss im Jahr 2019 arbeitet er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Klinische Molekularbiologie am UKSH. Seine Arbeiten beschäftigen sich dabei vor allem mit Genexpression und der Genetik entzündlicher Erkrankungen.

Ihr Kontakt

Tel: 0431-8814 664
Email: yes@zbw-workspace.eu

YES! MINT