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Physik - Forscherwoche 2016

Forscherwoche 2016

Energiespeicher, Star Wars und Mathe – Forscherwoche 2016 in Thüringen

 

Michael Dey, Phillip Lober, Mary Schönauer. Julian Gleißner, Tobias Jaud, Niklas Johne ganz groß durch die Lupe vor dem Ernst Abbe Zentrum der TU Ilmenau zusammen mit den Betreuungslehrern Fr. Rißner und H. Werner-Forster

Spannende Naturwissenschaften in unterschiedlichster Form erlebten 30 Jungforscher aus ganz Deutschland in der vergangenen Woche an der Technischen Universität Ilmenau. Auch sechs Schüler vom Max-Born-Gymnasium durften teilnehmen.

Sie begannen mit einem Vortrag zur Physik der Ballsportarten:

Prof. Stefan Krischok mit Windmaschine
unterstützt von einer Teilnehmerin

173 Schläge pro Minute – diesen Weltrekord stellten die besten Tischtennisspieler auf, aber geht da nicht noch mehr? Doch das Überspielen des Netzes setzt eine Grenze von 170 Schlägen, errechnete Prof. Stefan Krischok von der TU Ilmenau. Durch Andrehen des Balls mit 50 Umdrehungen pro Sekunde – schnell wie eine Bohrmaschine – steigern Profis die Schlagzahl noch ein wenig – aber mehr verbieten Naturgesetze. „Erstaunlich, wie präzise die Physik die Realität beschreiben kann“, wundert sich Julian Gleißner (17) vom MBG.

Tonstudio

Wie wird eigentlich der 3D-Sound im Kino hergestellt? Genau das lernte Philipp Lober (17) mit anderen Jungforschern in einem Seminar des Fraunhofer Instituts für digitale Medientechnologie, bei dem sie ihr eigenes “spatial sound“ Hörspiel produzierten. Dabei sprachen sie Dialoge in einem professionellen Tonstudio ein, suchten passende Hintergrundgeräusche, schnitten das Tonmaterial und animierten es für ein dreidimensionales Hörerlebnis. Als Höhepunkt durften sie einen (fast) schalltoten Raum betreten: „Es ist, als hätte man Druck auf den Ohren, wenn kein Laut von der Umgebung kommt“, so Lober.

Mathe und Mechanik

Die Teilnehmer vom MBG

Wie muss man eigentlich eine Brücke bauen, damit sie auch drei LKWs standhält? Damit es keine Katastrophen gibt, wird ihre Konstruktion exakt berechnet. Doktor Carsten Behn zeigte den Schülern, dass sie mit ihrer Schulmathematik und ein wenig Hilfe schon einiges davon verstehen können. „Bei der nachfolgenden Vorlesung für Drittsemester waren die Anforderungen dann so hoch, dass wir nur bewundern konnten, wie souverän Studenten nach kurzer Zeit mit Mathe umgehen“, so Gleißner.

Pumpspeicherkraftwerk

 
Teilnehmer vor Turbine in Goldisthal

„Die Bergspitze wurde weggebaggert und ausgehöhlt um ein tausend Meter großes Wasserbecken zu erbauen“, berichtet Mary Schönauer (17) vom Besuch des größten deutschen Pumpspeicherkraftwerks Goldisthal. Einen knappen Kilometer tief in den Berg führt ein Stollen zu den Turbinen und Generatoren. Goldisthal kann nach 90 Sekunden Anlaufzeit 60% der Energie eines großen Wärmekraftwerks produzieren. Es wird vor Allem während der Mittagszeit und in den frühen Morgenstunden eingesetzt um die Spitzenlasten im Stromnetz aufzufangen. Gibt es viel Sonnen- oder Windenergie, so wird diese zwischengespeichert, indem die Turbinen Wasser vom Unterbecken ins Oberbecken pumpen. „Acht Stunden lang könnte das Kraftwerk ganz Thüringen mit elektrischer Energie versorgen – doch müssen solche Vorteile gegen die Eingriffe in die Natur abgewogen werden“, so Schönauer.

Bildverarbeitung

Michael Dey mit 3D-Kamera

Wie kann man Kugelschreiber-Federn in Sekundenbruchteilen vermessen, Weizenkörner von Steinen trennen und bei Äpfeln die Druckstellen Wochen voraussagen – und das alles nur mit Hilfe von Kameras? Das erklärte Dr. Maik Rosenberger bei dem Workshop „Bildverarbeitung in der Qualitätsmessung und Industrie“. Danach durften die Schüler selbst an die Messgeräte. Sie programmierten einen Testlauf für eine Kamera, nahmen ein dreidimensionales Foto von Händen auf und vermaßen Bohrlöcher auf Bruchteile von Millimetern genau – „mit Hilfe eines Fotos und einer Methode, die wir selbst durchgerechnet hatten“, freut sich Michael Dey (18).

 

 

Genanalyse an steinzeitlichen Knochenfunden

Wie viel Neandertaler steckt in einem modernen Europäer und woher kommen die Europäer? Wissenschaftler wie Dr. Wolfgang Haak von Max-Planck-Institut for the Science of Human History können das durch Genanalyse heute beantworten. Um Verunreinigung von steinzeitlichen Funden durch moderne DNA zu verhindern wird Knochenmaterial unter Reinstraum - Bedingungen entnommen und aufgearbeitet. Obwohl die DNA durch die lange Verwesungszeit stark fragmentiert ist, zeigt sich das spannende Ergebnis, dass der heutige Europäer von drei Ursprungspopulationen abstammt: Ein eher kleiner Teil des heutigen Genoms stammt von westeuropäischen Jägern und Sammlern. Daneben finden sich große Anteile, die von Bauern aus dem fruchtbaren Halbmond zwischen Euphrat und Mittelmeer stammen, die den Ackerbau erfunden haben. Fast ebenso umfangreich sind die Anteile der asiatischen „Yamnaya“-Steppennomaden, die das Pferd domestizierten. „Und schließlich trägt jeder Europäer durchschnittlich 2 Prozent Gene des Neandertalers in sich“, berichtet Schönauer von Haaks Vortrag.

Physikalische Fehler und Möglichkeiten bei Star-Trek

Prof. Olaf Kretzer beim Starwars-Vortrag

„Der Weltraum, unendliche Weiten. Die Enterprise ist mit ihrer 400 Mann starken Besatzung unterwegs, um in Galaxien vorzudringen, die kein Mensch je zuvor gesehen hat.“ Falsch!, weiß Prof. Olaf Kretzer der die Serie kennt wie wenige. Die Enterprise verlässt genau einmal unsere Galaxie und das auch noch unfreiwillig! Kretzer erklärt, dass die Reisezeit selbst mit 99% der Lichtgeschwindigkeit zu groß wäre für ein Menschenleben. Das zwang die Macher der Science-Fiction-Serie, die Naturgesetze zu beachten sucht wie kaum eine andere, zu „Erfindungen“ wie dem Warpantrieb. Dieser wiederum löste eine hochwissenschaftliche Debatte um seine Realisierung aus: In Fachzeitschriften diskutierten Physiker, wie eine Stauchung des Raumes vor der Enterprise „Überlichtgeschwindigkeit“ ermöglichen könnte. Dass dafür mehrere Sonnenmassen erforderlich wären, macht den Warpantrieb bis heute unmöglich.

Realisiert hat die Technik inzwischen die Schiebetüren, die in dieser Serie vorgestellt wurden – damals wurden sie noch von Menschen auf- und zugeschoben, die natürlich nie im Bild erscheinen durften.

Forschungsarbeiten der Schüler

Faszinierend, wie die Schüler an ihren eigenen Forschungsprojekten arbeiten“, meint Eckart Werner-Forster, Leiter des Wahlunterrichts „Jugend forscht“ am MBG. Niklas Johne baut seit Monaten an einem Roboter, der den Rubikwürfel löst. Zwei Kameras erfassen die Farbe jedes Quadrats, dann entnimmt ein Computer einer Bibliothek den kürzesten Weg, der jeder Farbkombination zugeordnet ist. Schließlich lässt er sechs Stellmotoren die Seiten drehen. In weniger als fünf Sekunden soll der Würfel fertig sein. Leider ist die Erstellung der Bibliothek ein unlösbares Problem. Die 43 Trillionen Farbkombinationen des Rubikwürfels würden Milliarden von großen Speicherplatten belegen. Hier tüftelt Johne noch an einer Strategie.

Michael Dey und Julian Gleißner untersuchten, wie viel zwei Zöllner einem Händler abnehmen sollten. Das Problem: „Je höher der Wegezoll, desto weniger Reisende benutzen diesen Weg“, erklärt Gleißner und zeigt mit mathematischen Methoden, bei welchem Betrag man am meisten verdient.

Die Forscherwoche ist für unsere engagierten Naturwissenschaftler eine unvergleichliche Möglichkeit, die realen Anforderungen eines Studiums kennen zu lernen, in spannende Technik hinein zu schnuppern und anspruchsvolle Experimente selbst durchzuführen“, schwärmt Lehrerin Bettina Rißner und ist sich sicher, dass diese Jugendlichen mit großer Motivation ihre Ausbildung angehen werden.

(Eckart Werner-Forster)