Projektarbeiten im LK Physik als Beiträge zum SFZ am CFG

von Michael Winkhaus

Als zertifizierte MINTec-Schule bietet das neu gegründete Schülerforschungszentrum am Carl-Fuhlrott-Gymnasium den Grundschulen in unserem Einzugsgebiet eine Möglichkeit an, mit 3. bzw. 4. Klassen im Wechsel mit einem biologisch-chemischen Angebot ein physikalisch-astronomisches Unterrichtsprojekt zu besuchen. Damit sollen die Kinder schon früh durch experimentelles Arbeiten für die MINT-Fächer begeistert werden. Im Rahmen dieser Angebote soll vorzugsweise mit Hilfe von Schüler-Projektarbeiten aus dem Leistungskurs Physik auch ein Energieparcours entstehen. Etliche Stationen sind schon fertig und betriebsbereit, und in diesem Schuljahr sind zwei neue Lernstationen hinzugekommen.

Oskar Rieke und Osed Al Hariri haben eine Lernstation zur Elektrolyse und zur Brennstoffzelle für ein Kursangebot am SFZ entwickelt.

Schon vor fast 150 Jahren erkannten einige Forscher die zukünftige Relevanz des Wassers als Brennstoff. So bezeichnete der Schriftsteller Jules Vernes das Wasser als „die Kohle der Zukunft“ und der Chemiker Wilhelm Ostwald die Brennstoffzelle als „größere zivilisatorische Leistung als die Dampfmaschine“. Vor allem diese zu erwartende Relevanz für die Zukunft (Wasserstoff als Antrieb beim PKW, für Busse und Züge im ÖPNV, Brennstoffzellen-Heizgeräte für Wohnhäuser, Energieversorgung in der Industrie, Antriebe für die Raumfahrt) macht es sinnvoll, jüngeren Schülern ein Verständnis der Technik dahinter nahe zu bringen und eine interaktive Station für einen Energieparcours zu diesem Thema zu entwickeln.Die Lernstation ist so aufgebaut, dass die Schüler mit Hilfe einer Bildschirmpräsentation durch die gesamte Station geführt werden und auch zu jedem Aspekt die notwendigen animierten Erklärungen als auch die Experimentieranleitungen vorfinden. Um die Präsentation abzuspielen, haben Oskar und Osed einen Raspberry Pi Einplatinencomputer für einen kleinen Bildschirm gewählt. Dieser hat eine angemessene Rechenfähigkeit, und mit dem Linux-Betriebssystem ist es leicht möglich, die Präsentation direkt beim Hochfahren abspielen zu lassen.

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Die Erklärung der Elektrolyse und die Durchführung eines Experiments dazu ist der erste Teil der Lernstation. Oskar und Osed haben sich dazu entschieden, den Elektrolyseur dafür selbst zu bauen, um möglichst alle Prozesse gut erkennen zu können.

Im nächsten Teil der Lernstation wird nun die Funktionsweise der Brennstoffzelle experimentell erfahrbar. Hierzu wird ein Set der Fa. Heliocentris benutzt. Freilich hätte eine selbst gebaute Brennstoffzelle ähnliche Vorteile wie die selbst gebaute Elektrolysevorrichtung, aber es ist nur sehr schwer möglich, eine PEM-Brennstoffzelle selbst zu bauen. Um die PEM, die Gasdiffusionsschicht oder die fein mit Platin beschichteten, porösen Elektroden herzustellen bräuchte man besondere Maschinen, auch sind die einzelnen Bestandteile nicht einfach im Handel erhältlich. Mit dem Set von Heliocentris lernen die Schüler dennoch sehr gut, wie der Wasserstoff, der aus dem Elektrolyseur kommt, mit der Brennstoffzelle zu Strom umgewandelt wird. Dazu sehen die Schüler, ergänzend zum ersten Experiment, wie der Wasserstoff in dem Elektrolyseur mittels Energie aus einem Solarmodul hergestellt wird. Hierbei hat uns besonders gefallen, dass man sehr gut erkennen kann, wie die Energieformen von Lichtenergie über chemische Energie zu elektrischer Energie mit einigen weiteren Zwischenschritten umgewandelt werden. Die Verbraucher-Messbox hilft dabei, den sauberen Strom, der aus der Brennstoffzelle kommt, sichtbar zu machen. Um dieses Experiment übersichtlicher zu gestalten und den Aufbau zu beschleunigen, haben wir die Einzelteile des Experimentierkits auf einer Holzplatte fixiert, bereits miteinander verkabelt und die Gasschläuche verbunden.

Als dritter Teil der Lernstation, der eine praktische Anwendung der Brennstoffzelle enthalten sollte, haben sich Oscar und Osed für den „H-Racer 2.0“ entschieden, also für ein Modellauto, das mit einem Elektromotor und einer Brennstoffzelle betrieben wird.

Ein Modellauto erschien uns die beste Anwendungsmöglichkeit, die wir in solch einer Station zeigen können, da die Brennstoffzelle auch heute schon vor allem im Transportwesen Anwendungen findet und dort auch die größten Zukunftschancen der Brennstoffzelle gesehen werden. In naher Zukunft sind vielleicht Züge und Busse leichter auf einen Betrieb mit Wasserstoff umzustellen, das Modellauto hat aber dasselbe Funktionsprinzip.

Bei Zügen und Bussen geschieht dies nur in einer höheren Skalierung. Mit dem H-Racer 2.0 können wir die moderne Wasserstofftechnologie auf spielerischer Art erklären. Der H-Racer nutzt für die Fortbewegung Strom aus der Brennstoffzelle im Inneren des Autos. Diese wird mit Wasserstoff betankt, der aus einem mitgelieferten Elektrolyseur in Form einer Tankstelle kommt. Die Tankstelle benötigt für die Herstellung des Wasserstoffs lediglich Wasser und elektrische Energie, die mittels eines Solarpanels hergestellt wird. Somit liefert die Wasserstofftankstelle dem Fahrzeug saubere Energie. Bei diesem Set der Firma Horizon ist bemerkenswert, dass die Tankstelle als eigenes Bauteil mitgeliefert wird. Dies bietet den Schülern die Möglichkeit zu sehen, wie die Betankung eines echten Wasserstoffautos in etwa aussehen könnte. Dabei wird jedoch der erzeugte Wasserstoff direkt in das Auto getankt, was in der echten Anwendung kaum realisierbar ist, da die Speicherung des Wasserstoffes in anderen Stoffen viel sinnvoller wäre als in einem Drucktank. Außerdem haben die Schüler bei dem Set die Möglichkeit, das Auto selber aufzubauen. Dies hilft dabei, die Funktionsweise und den Aufbau des Autos besser zu verstehen. Das Auto dient also als ansprechende und spielerische Darstellung der Anwendung einer Brennstoffzelle in der Realität.

Unsere Lernstation werden wir als Kursangebot in unserem Schülerforschungszentrum für Unter- und Mittelstufenschüler in einem zeitlich begrenzten Umfang anbieten und dieses im kommenden Schuljahr zunächst als Angebot für die Übermittagsbetreuung ausprobieren. Oskar und Osed haben ihr Projekt noch zu einer Besonderen Lernleistung (BesLL) im Abitur 2021 ausgebaut.

Aaron Zarate und Armin Maleki haben eine Demonstrationstation zur Physik der Gurke entwickelt. Im Vordergrund stand die Auswirkung von elektrischem Strom auf eine Salzgurke. Aaron und Armin haben damit ein Demonstrations-Experiment entwickelt, das nicht nur in vielfältiger Weise im Unterricht eingesetzt werden kann, sondern auch bei Bühnenshows und Experimentier-Darbietungen z.B. beim Empfang von Besucherklassen seine Wirkung entfalten wird.

Der grundlegende experimentelle Aufbau besteht aus einem Transformator mit regelbarem Wechselstrom (0 – 300 V) als Spannungsquelle, sowie einem Gehäuse mit Totmannschalter und einem weiteren Gehäuse mit einem über zwei Dioden geschalteten Gleichrichter. Der Totmannschalter dient der Sicherheit während der Versuchsdurchführung. Nur wenn beide Taster gleichzeitig gedrückt werden, entsteht ein geschlossener Stromkreis. Sind beide Schalter nun so weit voneinander entfernt, dass man zwei Hände benötigt, um beide Taster zeitgleich zu betätigen. So wird vermieden, dass die versuchsdurchführende Person eine Hand frei hat, mit der sie an den offenen Strom anfassen könnte.

Der Gleichrichter soll aus der Wechselspannung eine pulsierende Wechselspannung mit halber „Welle“ machen, um eine Art Gleichstrom zu simulieren. Diesen benötigt man beim Betrieb der LEDs in der Gurke.

Aaron und Armin haben alle Komponenten des experimentellen Aufbaus selber entwickelt und gebaut. Als Ratgeber stand unser CFG-Kollege Andreas Zwickel jederzeit zur Verfügung.

1. Die gelb leuchtende Gurke und spektroskopischer Nachweis von Kochsalz (NaCl)

Wird der Stromkreis geschlossen, beginnt die Gurke an einem Ende flackernd gelb zu leuchten und gleichzeitig entsteht dort ein übelriechender Dampf. Beim anschl. Aufschneiden der Gurke können die strombedingten Schäden untersucht werden.

2. Die Gurken-Ampel

Nun werden LEDs in zwei unterschiedlichen Farben in die Gurke gesteckt. Hierbei sollten die zwei Farben in unterschiedlichen Richtungen eingesteckt werden. Die LEDs der einen Farbe zeigen mit dem langen Bein (Anode) beispielsweise in Richtung der linken Elektrode und die LEDs der anderen Farbe mit dem langen Bein in Richtung der rechten Elektrode, sodass sie unterschiedlich gepolt in der Essiggurke stecken

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Werden nun beide Wippschalter zusammen umgelegt, so lässt sich beobachten, dass alle vier LEDs aufleuchten.

Für die Besondere Lernleistung haben Armin und Aaron noch einige Erweiterungen zur Physik der Gurke durchgeführt:

1. Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums mit LEDs in der Gurke
2. Beobachtung unterschiedlicher Glühfärbungen, je nachdem, in welche Salze die frische Gurke eingelegt wurde (Kochsalz, Strontiumchlorid, Kaliumchlorid, …)
3. Untersuchung der Fragstellung, an welcher Elektrode die Gurke leuchtet

Es ist einfach faszinierend, wie viel Physik in einer einfachen Essiggurke steckt.

Michael Winkhaus, Lehrer des LK Physik