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bau von elektroautos Das infoblatt b l aT T 1 /4

mobilität für die Zukunft Im Jahr 2020 werden weltweit circa 1,5 Milliarden Fahrzeuge unterwegs sein und damit fast doppelt so viele wie heute. Dies wird einen dramatischen Einfluss auf den Ausstoß von Treibhausgasen haben. Bereits heute entfallen in Europa rund 20 Prozent der CO2-Emissionen auf Kraftfahrzeuge. Forscher tüfteln schon lange an Alternativen zum Benzinauto. Mit Elektromotor könnte das Auto in Zukunft umwelt- und klimafreundlich fahren. Es stößt keine Abgase aus und verursacht keinen Lärm. Noch sind die Batterien der E-Autos teuer und schwer, haben lange Ladezeiten und reichen nur für Fahrten bis 300 Kilometer (Rekordfahrt: 600 Kilometer, Oktober 2010). In Zukunft sollen möglichst viele Autos nur noch mit Strom fahren. Eine Bedingung hierzu gibt es unter Umweltgesichtspunkten allerdings: Der Strom für 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 kürzer als drei Kilometer sind – Fahrten, um zur Arbeit zu gelangen oder für den Einkauf und andere Besorgungen. Für das Elektroauto ist dies ein ideales Einsatzgebiet.

Lohner-Porsche (1900) mit Elektromotor in der Radnabe

Elektrische Viktoria (1899)

Konzeptstudie von Nissan zum Elektroauto. Elektromotoren in den Rädern, Reichweite 125 Kilometer, Ladezeit 6 Std.

Tesla Roadster, Stromversorgung über 6831 handelsübliche Lithium-Ionen-Akkus für Laptops. Reichweite ca. 350 km, Ladezeit etwa 3,5 Stunden

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lohner-Porsche und elektrische Viktoria Der elektrische Antrieb für Autos ist keine neue Erfindung. Schon im Jahr 1899 entwickelte Ferdinand Porsche für die Firma Lohner & Co. in Wien ein Elektroauto, dessen Vorstellung im Jahr 1900 auf der Pariser Weltausstellung großes 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 ungefähr 80 km. In der Frühzeit der Automobile waren die Elektroautos den Autos mit Verbrennungsmotor überlegen, weil der Wirkungsgrad von Elektromotoren höher ist als der von Verbrennungsmotoren. Erst nach 1900 wurden die Elektrofahrzeuge von den benzin- und dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen schrittweise verdrängt. Elektrowagen mit ihren schweren Akkus konnten mit der Reichweite von Wagen mit Kraftstoffmotoren nicht mehr mithalten.


Bau von Elektroautos Bauanleitung b l att 2 /4

Au f g a b e Baue mit den vorgegebenen Materialien ein Elektroauto. Form und Größe des Fahrzeugs kannst du frei wählen. Überlege dir, aus welchem Material du das Fahrzeug bauen willst – leichtes Holz, Styrodur, Pappmaché. Je leichter das Fahrzeug ist, desto schneller wird es fahren. A n fo r d e r u n g e n : Das Auto kann mit wiederaufladbaren Akkus, Solarzellen oder einem Green-Cap-Kondensator ausgestattet werden. Für 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 Ergänzung für Batteriesysteme. Da s b r au c h s t d u * : Werkzeug: Holzbohrer Ø 4 und Ø 8, Bohrmaschine, Leim, Säge, Kreuzschraubendreher, Seitenschneider, Lötkolben, Heißklebepistole, gegebenenfalls scharfes Messer (zum Schneiden von Styrodur) F ü r da s Fa h r z e u g : Dünnes 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 Ø 3 mm, 40 Zähne (1 x), Motorschnecke/Schneckenradgetriebe) – fester Sitz auf Welle Ø 2 mm (1 x), Vollrad Ø 44 mm – fester Sitz auf Welle Ø 3 mm (4 x), Metallachse 120 mm, Ø 3 mm (2 x), Distanzrollen Ø innen 3,6 mm, 12 mm lang (6 x) und den Elektromotor RE 140 mit Montagesockel, 1,5 V – 4,5 V, Welle Ø 2 mm, bei 1,5 V / 0,27 A und 7800 U/min (1 x)

Für die Energieversorgung: Batteriekasten für 2 Mignonzellen (1 x), Lüsterklemmenleiste 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 für die Solartankstelle (1 – 2 x), Green-Cap-Kondensator 10 F/2,5 V (1 x) S o l a r ta n ks t e l l e : 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 Lüsterklemme auf dem Fahrzeug eingesetzt werden. GREEN C A P : Die Lüsterklemme wird direkt mit dem Motor verbunden. Ihre Funktion ähnelt der einer Steckdose. Der Green-Cap wird von oben in die Lüsterklemme eingesteckt und der Stromfluss durch den Schalter freigegeben. Die Schrauben der Klemme müssen dazu nicht jedes Mal gelöst und festgezogen werden. * Alle benötigten Materialien können über den Lehrmittelhandel kostengünstig bezogen werden, z. B. bei der Firma Traudl Riess: www.traudl-riess.de. Bezug des Green-Cap-Kondensators über Conrad Electronic: www.conrad.de.

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Für den Karosseriebau mit Pappmaché: Küchenpapier und Kleister, Plastikflasche (0,5-0,7 Liter) Für den Karosseriebau mit Styrodur: Styrodurwürfel (ca. 30 x 20 cm), geeigneter Kleber


Bau von Elektroautos Bauanleitung b l att 3 /4

Und so geht’s: 1� Z  uerst nimmst du die Grundplatte für das Fahrzeug und leimst an einer der beiden schmalen Seiten die Holzleiste auf, sodass diese genau mit dem Ende der Platte abschließt. Dies ist das Heck (hintere Ende) des Fahrzeugs. Antrieb montieren: 2� A  n die Holzleiste wird außen 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�

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

4�

J  etzt montierst du den ersten Winkelstab an das hintere Ende der Platte so, dass er zu ca. 1/3 seiner Länge unter der Platte hervorragt. Eine der beiden Achsen wird durch das letzte Loch des Winkelstabs geführt. Vorher wird das grüne Zahnrad mittig aufgeschoben.

5�

N  un wird der zweite Winkelstab montiert und die Achse durchgeführt. Achte darauf, dass das Zahnrad leicht in die Motorschnecke einpasst. Wird das Zahnrad zu stark auf die Schnecke gedrückt, kann der Motor nicht anlaufen.

6�

N  un werden die beiden Räder mitsamt den beiden zugehörigen Distanzrollen auf die Hinter­ achse aufgesetzt. Danach wird die vordere Achse in gleicher Weise zusammengebaut. Dazu führst du die Achse durch die beiden hochgebogenen Löcher (siehe Punkt 3) des Flachstabs.

8�

W  enn du einen Green-Cap benutzen willst, dann befestige eine Lüsterklemme oben auf der Querleiste und verbinde sie mit dem Motor. In die Lüsterklemme steckst du den GreenCap-Kondensator. Zusätzlich kannst du einen Ein-Aus-Schalter einbauen.

9�

D  u 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 ständige Stromversorgung und ist unabhängig vom Green-Cap bzw. von den Akkus. Das Fahrzeug muss dann aber sehr leicht sein.

Va r i a n t e : Du kannst die Grundplatte auch selbst herstellen. Tränke Haushaltspapier mit Kleister und lege es auf eine Plastikflasche. Flaschen eignen sich besonders gut, da sie durch den spitz zulaufenden Hals der Form eines aerodynamischen Rennwagens ähneln. Nach der Aushärtung (ca. 24 Std.) wird die Form in der Mitte halbiert und abgelöst. Dieses Verfahren ähnelt der Her­ stellung eines Carbon-Chassis im Rennwagenbau.

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E l e k t r i k i n s ta l l i e r e n : 7� L  öte das Anschlusskabel an die Anschlüsse des Motors. Achte dabei auf die richtige Polung, das Auto soll ja vorwärts fahren. Dann werden die Anschlussdrähte mit dem Batteriehalter und dem Schalter verbunden und verlötet. Klebe den Batteriehalter und den Schalter mit einer Heißklebepistole auf die Grundplatte.


Bau von Elektroautos Fahrzeugansicht b l att 4 /4

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

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

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Ansicht von oben. Zu sehen ist die Rad­aufhängung an der Hinterachse – eingepasst in die Lochung der beiden Winkel­ stäbe. Auf der Achse sitzt mittig das Zahnrad (40 Zähne), das mit dem Elektromotor über das Schnecken­radgetriebe (Motorschnecke) verbunden ist.

Sicht auf ein fertiges Fahrzeug. Ausstattung mit aufmontiertem Solarpaneel, Elektromotor mit Schnecken­radgetriebe und Zahnrad, Batteriekasten und dem aufgesteckten GreenCap-Kondensator in der Lüsterklemme. Batteriekasten, Green-Cap und Solarzelle sind jeweils mit eigenem Ein-Aus-Schalter versehen.

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Herstellung von Sensoren Das Infoblatt b l att 1 / 3

Technische Sinnesorgane Sensoren (lateinisch sentire = fühlen, empfinden) – auch Messfühler genannt – spielen in der modernen Welt eine wichtige Rolle. Sie registrieren physikalische und/oder chemische Eigenschaften wie zum Beispiel Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Lautstärke, Schall, Helligkeit, pH-Wert oder Beschleunigung.

Abstand halten! Ein Abstandssensor (auch Distanzsensor) ist in der Lage, berührungslos den Abstand zwischen sich und einem Objekt zu messen. Im Auto kommt dieser Sensor zum Beispiel bei der EinParkhilfe zum Einsatz. Bei der Abstandsbestimmung detektiert der Sensor in der Regel Richtung oder Laufzeit eines aktiv ausgesandten, am Objekt reflektierten Signals. Die aktiv ausgesandten Messstrahlen von Abstandssensoren sind z. B. Licht, Infrarotstrahlung, Radiowellen, Mikrowellen, Terahertzstrahlung oder Ultraschall. Eingesetzt werden Abstandssensoren in der Robotik und Automatisierungstechnik und im Maschinenbau. Auch die Natur liefert beeindruckende Beispiele für Abstandssensoren. Fledermäuse und Delfine zum Beispiel nutzen Ultraschall zur Orientierung und für die Beutejagd. Volle Beschleunigung Ein Beschleunigungssensor misst die Beschleunigung, indem die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft bestimmt wird. So kann ermittelt werden werden, ob eine Geschwindigkeitszunahme 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 Videospielen (Wii), bei Airbags in Fahrzeugen oder in Laptops zum Schutz der Festplatten (Head-Crash).

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Tank leer? Sensoren zur Messung der Füllstandhöhe in Tanks und Silos sind in unserer technischen Welt von großer Bedeutung. Bei der kontinuierlichen Füllstandmessung wird die Füllhöhe einer Messstelle erfasst und ein elektrisches Signal erzeugt. Anwendungen für die kontinuierliche Füllstandmessung finden sich in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, dem Wasser- und Abwasserbereich, bei Kraftwerken und in der Umwelttechnik. Auch im Auto ist der Füllstandsensor ein wichtiges „Sinnesorgan“. Wer schon einmal mit leerem Tank liegen geblieben ist, weil die Tankanzeige ausfiel, weiß wie wichtig es ist, dass der Sensor funktioniert.


Herstellung von Sensoren Tipps und Hinweise b l att 2 / 3

Abstandsmessung mit optischen Sensoren Bei diesen Geräten wird ein Licht- oder Infrarotimpuls ausgesandt und am Objekt reflektiert. Der Abstand kann durch verschiedene Methoden ermittelt werden: Nach Messung der Laufzeit zwischen Sender und Empfänger kann über die Lichtgeschwindigkeit die Distanz zwischen Quelle und Objekt ermittelt werden. Bei anderen Sensoren wird das Signal je nach Entfernung an unterschiedlichen Positionen im Empfänger eintreffen. Eine Signalverarbeitungseinheit setzt den Auftreffpunkt in einen Spannungswert um. Füllstand Einen einfachen Tankfüllstandsensor, zum Beispiel für die Anzeige des Flüssigkeitsstandes in einem Wasserbehälter, kann man relativ leicht selber bauen, indem man als Sensorelement ein Potentiometer nutzt. Dessen Achse wird über einen Hebel mit einem Schwimmer verbunden. Die Änderung des Wasserstandes wird in eine Drehbewegung des Potentiometers umgesetzt. Über eine elektrische Schaltung kann diese zur Anzeige gebracht werden. Potentiometer

Schleifkontakt

Batterie

Potentiometer Schwimmerhebel Multimeter Widerstand

Schwimmer

0V Vorschlag für die Elektrik

Wasser

Winkelgeber und Winkelsensor im Auto Moderne 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 Änderung an einer Welle relativ zu einer festen Position. Im einfachsten Fall kann die Drehachse mit der Achse eines Potentiometers verbunden werden. Über eine elektrische Schaltung wird ein Signal erzeugt, das ein Maß für den Winkel ist. Verstärkung eines Signals Ein Transistor ist ein Schalter, dessen Durchlässigkeit elektrisch gesteuert werden kann. Zu diesem Zweck muss man das am Gate (G) herrschende Potenzial verändern. Dies wird durch eine Veränderung des Widerstandes des Sensors ausgelöst. Wenn das Potenzial am Gate des Feldeffekttransistors den Wert von ca. 2V bis 3V überschreitet, ist der Schalter „geöffnet“: Der Stromkreis, in dem sich der Aktor befindet, wird geschlossen.

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Sensor

Aktor

+

D [Drain] G [Gate]

S [Source]

Widerstand

Schaltplan zur Verstärkung des Signal

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Vorschlag für die Mechanik


Herstellung von Sensoren Projektauftrag (Herstellungsanleitung in der Handreichung für Lehrkräfte) b l att 3 / 3

Tankfüllstandsensor P ro j e k tau f t r ag Baue mit den dir zur Verfügung stehenden Materialien einen Sensor, der den Flüssigkeitsstand (Wasser) in einem Gefäß als elektrisches Signal am Spannungsmessgerät anzeigen kann. A n fo r d e r u n g : Der Sensor soll stets den aktuellen Flüssigkeitsstand anzeigen. Er muss daher rasch auf sich verändernde Flüssigkeitsstände reagieren und den Wasserstandsänderungen folgen können. E l e k t r i s c h e A n fo r d e r u n g e n : Das Potentiometer wird als variabler Widerstand geschaltet. Der Messbereich des Multimeters muss durch geeignete Widerstände an die Spannung der Batterie und an den Widerstand des Potentiometers angepasst werden. Da s k a n n s t d u v e rw e n d e n : Potentiometer, Spannungsmessgerät, Styropor, Holzbrettchen, Widerstände, Wanne bzw. großer Messbecher (5 Liter), 9V-Batterie, Kabel

Airbagauslöser P ro j e k tau f t r ag Baue mit den dir zur Verfügung stehenden Materialien einen Sensor, der beim Aufprall auf einen Gegenstand eine Warnleuchte einschaltet. A n fo r d e r u n g : 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 Glühlampe zum Leuchten zu bringen. © 2010 Robert Bosch Stiftung GmbH. Gesamtherstellung: Zeitbild Verlag Berlin.

Da s k a n n s t d u V e rw e n d e n : Piezoelement, Feldeffekttransistor (MOSFET), LED oder Glühlampe, Batterie und verschiedene Widerstände, Multimeter

Abstandssensor P ro j e k tau f t r ag Baue mit dem dir zur Verfügung stehenden Sensor ein Gerät, das bei Annäherung ein optisches Signal erzeugt. A n fo r d e r u n g : Die Warnlampe soll leuchten, wenn der Abstand zu einem Hindernis kleiner als 15 cm wird. Die Lampe soll mithilfe eines Transistors (MOSFET) geschaltet werden. Da s k a n n s t d u v e rw e n d e n : Abstandssensor, z. B. Sharp GP2 D120 (Infrarotsensor), Feldeffekttransistor (MOSFET), LED oder Glühlampe, Batterie und verschiedene Widerstände, Multimeter

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Bau und Funktion einer Windturbine Das Infoblatt b l att 1 / 3

Mit der Kraft des Windes Warum haben die meisten Windräder eigentlich drei Rotoren und nicht nur zwei oder gar vier oder fünf? 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 groß bauen, je nachdem wie der Vergrößerungsfaktor beim Kopierer eingestellt ist, und natürlich mit unterschiedlich vielen Schaufeln.

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Um elektrischen Strom zu gewinnen, nutzen wir Generatoren. Sie wandeln die Energie einer Dreh­ bewegung in elektrische Energie um. Um die Drehbewegung zu erzeugen, kann zum Beispiel Wind (oder Wassers bzw. heißer Dampf) genutzt werden. Auch ein Fahrraddynamo nutzt die Drehbewe­ gung (des laufenden Rades), die über das Rädchen auf seine Welle übertragen wird. Mit der Welle verbunden ist eine Magnetspule, die die Drehbewegung in elektrische Energie umwandelt und da­ durch Strom erzeugt, der die Fahrradlampe leuchten lässt.

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 Fahrradrücklicht angeschlossen. Wird die Turbine von einem Föhn oder einem Ventilator angeblasen, so dreht sich der Motor, arbeitet als Generator und das Fahrradrücklicht beginnt zu leuchten. Anhand der Helligkeit kannst du bewerten, wie gut deine Windturbine funktioniert und Turbinen mit unterschiedlicher Größe und Anzahl an Schaufeln vergleichen. Inte­ ressant ist es auch, die Windstärke zu variieren.

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Bau und Funktion einer Windturbine Bauanleitung b l att 2 / 3

AU F G A B E Baue mithilfe der Ausschneidevorlage (Blatt 3) eine Windturbine und teste sie. Da s b r au c h s t du : Ausschneidevorlage (Blatt 3), starkes Papier (Grammatur ca. 160 – 200 g/m2), Kopierer, Schere, Klebstoff, Korken, Toilettenpapierrolle U n d s o ge h t ’ s : 1 � Kopiere die Vorlage auf starkes Papier. Aus der Vorlage kannst du zwei Schaufeln anfertigen. 2 � Schneide die Schaufeln entlang der äußeren Umrandung aus. Die grob schraffierten Bereiche schneidest du weg; so entstehen zwei einzelne Schaufeln. 3 � Zunächst steckst du drei Schaufeln so ineinander, dass jeweils die mit „3“ gekennzeichnete Li­ nie genau an der Außenkante der benachbarten Schaufel liegt. Der Pfeil zeigt dabei nach außen. 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 über den Hinterkanten liegen, weil du sonst die Schaufelspitzen später 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 Nabenkörper passender Größe, z. B. einen Korken oder eine Toilettenpapierrolle.

8 � Teste deine Turbine mit einem Föhn oder einem anderen Gebläse, dem Motor und einem Fahrradrücklicht – wie in dem Versuchsaufbau auf Blatt 1 beschrieben. 9 � Teste Windturbinen unterschiedlicher Größe und Schaufelzahl. Überprüfe ihren Wirkungsgrad anhand der Leuchtstärke der Lampe.

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

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


Bau und Funktion einer Windturbine Vorlage für zwei Windschaufeln b l att 3 / 3

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Herstellung einer Farbstoffsolarzelle (Grätzelzelle) Das infoblatt b l AT T 1 / 6

Strom aus Sonnenlicht, wandfarbe und Fruchtsaft Solarzellen wandeln die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Die Herstellung ist aufwendig und energieintensiv. Eine Solarzelle hat erst nach einigen Betriebsjahren mehr Energie bereitgestellt, als bei ihrer Herstellung aufgewendet wurde. Vor etwa 20 Jahren hatte Prof. Grätzel 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 nämlich seit Jahrmillionen mit der Fotosynthese – eine grundsätzlich andere Herangehensweise als bei der herkömmlichen Solarzelle. So wurde von Prof. Grätzel und seinem Team die sogenannte Farbstoffsolarzelle erfunden. Sie ist so eng mit dem Namen des Professors verbunden, dass sie meist schlicht „Grätzelzelle“ heißt. Die Grätzelzelle benötigt kein Silizium wie die herkömmliche Solarzelle, sie besteht einfach aus zwei Glasplatten, die mit einer Strom leitenden Schicht bedeckt sind, Titandioxid (ist auch in Zahncreme, Wandfarbe und Sonnenmilch enthalten), Pflanzenfarbstoff (Beerensaft, Fruchtsaft, Blütenextrakte, Chlorophyll usw.), Grafit (wie im Bleistift) und einem Elektrolyten (z. B. Kochsalzlösung oder Iodidlösung). Die Herstellung einer solchen Zelle benötigt wesentlich weniger Energie, als für die Herstellung einer herkömmlichen Solarzelle nötig wäre. Derzeit wird daran gearbeitet, ihre Haltbarkeit zu verbessern.

Transparentes Farbstoffsolarmodul

Fotovoltaikanlage aus herkömmlichen Solarzellen

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Strom aus dem Fenster Die Grätzelzelle verspricht nicht nur preiswerte, flexible Solarzellen, die auf Oberflächen wie Fassaden, Fenstern und sogar Textilien eingesetzt werden können. Die Farbstoffsolarzelle arbeitet auch bei diffusem Licht (Bewölkung). Wird die Grätzelzelle noch weiter optimiert, könnte sie eines Tages der Solarenergie endgültig zum Durchbruch verhelfen.


Herstellung einer Farbstoffsolarzelle Der Aufbau einer Farbstoffsolarzelle (Grätzelzelle) b l att 2 / 6

Aufbau wie ein Sandwich Eine Farbstoffsolarzelle verwendet zur Absorption von Licht nicht ein Halbleitermaterial wie Silizium, sondern organische Farbstoffe, zum Beispiel den Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane, das sind wasserlösliche Pflanzenfarbstoffe in Blüten und Früchten mit roter, violetter oder blauschwarzer Färbung. Die Farbstoffsolarzelle besteht aus zwei lichtdurchlässigen 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 dünne Schicht aus sehr fein gemahlenem Titandioxid (TiO2) „aufgebacken“ (gesintert*). Auf diese Schicht wird der Farbstoff aufgebracht, der sich möglichst gut um die TiO2-Körnchen legen soll. Hinzu kommt dann noch die Elektrolytlösung. Verschlossen wird die Zelle mit einer grafitbeschichteten TCO-Glasplatte.

LICHT Glasplatte, ca. 1,5 mm (z. B. Objektträger) elektrisch leitfähige Schicht (TCO-Schicht) – Minuspol der Zelle

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

Anode

Grafitschicht (Grafit-Elektrode) – Pluspol der Zelle elektrisch leitfähige Schicht (TCO-Schicht) Glasplatte, ca. 1,5 mm (z. B. Objektträger)

+

Kathode [Darstellung aufgrund der geringen Schichtdicken nicht maßstabsgetreu]

Vo r t e i l e � geringe Umweltbelastung bei der Herstellung � wesentlich geringerer Materialaufwand, Ma­terialien sind keine Mangelware, TiO2 ist ungiftig � kostengünstige und einfache Herstellung (ca. 20 % der Kosten einer Siliziumzelle) � ist auch für Entwicklungsländer finanzierbar � kann das Lichtspektrum sehr gut ausnutzen; arbeitet auch bei Bewölkung � Wirkungsgrad ist weniger temperaturabhängig als bei der Siliziumzelle � s emi-transparente und farbige Gestaltung möglich (Anwendung auf verschiedenen Oberflächen)

n ac h t e i l e � 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 über längere Zeit; Farbstoff wird mit der Zeit zerstört � bei höherem Wirkungsgrad muss der Farbstoff der Zelle gereinigt werden, dies verursacht Kosten

*D  urch das Sintern wird das TiO2 fest mit der Glasplatte verbunden und die Oberfläche vergrößert. Dadurch kann mehr Farbstoff in der TiO2-Schicht festgehalten werden.

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Vorteile und Nachteile der Farbstoffsolarzelle


Herstellung einer Farbstoffsolarzelle Funktionsweise einer Farbstoffsolarzelle b l att 3 / 6

Titandioxid und Naturfarbstoff Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen basiert die Farbstoffsolarzelle nicht auf Silizium. In einer herkömmlichen Solarzelle übernimmt das Silizium zwei wichtige Aufgaben: Es liefert die Elektronen und befördert diese dank seiner elektrischen Leitfähigkeit zu den Elektroden. In der Farbstoffsolarzelle gibt es für diese Aufgaben zwei verschiedene Stoffe, nämlich Titandioxid und den Naturfarbstoff. Trifft Licht auf die Zelle, werden in den Farbstoffmolekülen Elektronen (e-) angeregt (Fa*) und auf Titandioxid übertragen. Dann werden die Elektronen durch das elektrisch leitende Titandioxid zur Anode (negative Elektrode) abgeführt. Im Unterschied zur normalen Solarzelle liegt hier kein elektrisches Feld vor, das die Elektronen zur Anode „zwingt“. Es muss daher dafür gesorgt werden, dass die Elektronen nicht wieder zu den ionisierten Farb­stoffmolekülen „umkehren“, da es dann keinen Stromfluss geben würde.

2 Fa* 2e-

Glas

Elektrolyt l2/Kl

Kathode (SnO2)

Farbstoff (Anthocyane)

Grafit

Titandioxid TiO2

Anode (SnO2)

Glas

Aus diesem Grunde ist der Elektrolyt so wichtig, etwa Iod-Kaliumiodid-Lösung (I2/KI). Die negativ geladenen Iodid-Ionen (I3-) geben je ein Elektron an die positiv geladenen Farbstoffmoleküle (Fa+) ab. Die freien Elektronen im Titandioxid werden nun über die Anode an einen Verbraucher abgegeben und gelangen über die Kathode (positive Elektrode) zum Elektrolyten, genauer zum neutralen Iod, aus dem dann die Triiodid-Anionen (I3-) zurückgebildet werden. Die Vorgänge im Elektrolyten werden durch Grafit positiv beeinflusst, da er als Katalysator für diese Reaktionen wirkt.

2l32l3-

2e-

3l2 3l2

2e2e-

2 h*v 2e2 Fa+

2 Fa

2e-

2e2e-

2eVerbraucher

Grafik nach W. Wagner, Universität Bayreuth

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

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2e-


Herstellung einer Farbstoffsolarzelle Anleitung zur Herstellung b l att 4 / 6

AU F G A B E Eine Gruppe von 3 bis 4 Schülerinnen und Schülern arbeitet zusammen und baut eine Farbstoff­ solarzelle (Grätzelzelle) anhand der hier vorgegebenen Anleitung. Da s b r au c h s t du : Spatel, Pipette mit Hütchen, Tesafilm, Brenner mit Stativ, Plattenhalter und Ceran-Platte, 2 Glasschalen, Föhn, 2 kleine Bechergläser, 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 Für die Solarzelle: 2 TCO-beschichtete Glasplättchen*, TiO2-Pastemix*, Elektrolyt*, Naturfarbstoffe – getrocknete Hibiskus- bzw. Malvenblüten, Beerensaft (Brombeere, Himbeere etc.) – den Saft am besten frisch gepresst, es geht aber auch gekaufter (reiner) Beerensaft Und so geht’s: 1 � Glasplatten prüfen. Nimm die beiden TCO-beschichteten Glasplättchen und prüfe mithilfe einer Widerstandsmessung mit dem Multimeter, auf welcher Seite die elektrisch leitende Schicht angebracht ist. Auf der leitenden Seite sollte das Gerät einen Wert von wenigen Ohm bis null Ohm anzeigen. 2 � Platten mit Titandioxid bestreichen. Eines der Plättchen wird mit Tesafilm zuerst an den bei den langen und dann an einem der kurzen Ränder (Abb. 1) sorgfältig und blasenfrei abgeklebt. 3 � Entlang der Abklebung an der schmalen Seite des Plättchens trägst du nun etwa 2 – 3 Tropfen der Paste mit dem Spatel auf (Abb. 2) und streichst sie mit einem Glasplättchen durch Längs­ bewegung und etwas Druck glatt (Abb. 3).

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 verfärbt sich zunächst braun bis dunkelgrau und hellt dann wieder auf. Das Brennen ist beendet, wenn die Schicht wieder weiß ist. Lass die Platte ungefähr 10 Minuten abkühlen.

Abb. 1

Abb. 2

Abb. 3

Abb. 4

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

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


Herstellung einer Farbstoffsolarzelle Anleitung zur Herstellung b l AT T 5 / 6

6 � Farbstoff herstellen Bring einen halben Liter Wasser zum Kochen. Fülle ca. 20 Hibiskus- oder Malvenblüten in ein Becherglas und gieße 100 ml des heißen Wassers über die Blüten. Nach 5 Minuten ist der dunkelrote Tee fertig und kann in eine Glasschale gefüllt werden. 7 � Färben Platte 1 legst du mit der TiO2-Schicht nach oben in den Blütentee (Abb. 5). Sie nimmt eine tiefviolette Farbe an. Nach etwa 2 Minuten legst du sie in eine Glasschale mit Wasser und spülst die Platte durch leichtes Schwenken. Anschließend wird sie mit dem Föhn (auf warmer Stufe) getrocknet. Die violette Färbung hellt auf. Danach schreibst du auf die Rückseite (Platte in der Hand halten) mit dem schwarzen Folienstift an jenem Ende, an dem kein TiO2 zu sehen ist, ein großes – (minus). Dies ist der Minuspol der Solarzelle. 8 � Grafit auftragen Bestreiche Platte 2 mit dem weichen Bleistift auf der leitenden Fläche so, dass eine gleichmäßige dunkelgraue Schicht entsteht (Abb. 6). Schreibe auf die Rückseite an einem Ende mit dem roten Folienstift ein großes + . 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 überlappend mit der Grait-Schicht nach unten darauf. Die TiO2-Schicht muss vollständig bedeckt sein (Abb. 7). Nun wickelst du einen Streifen Tesafilm quer und fest um die Mitte.

1 1 � Zugabe des elektrolyten Gib nun an einem der schmalen Enden einen Tropfen Elektrolyt-Lösung genau an die Stelle, an der sich die beiden Glasplatten berühren (Abb. 8). Das Messgerät zeigt eine schnell auf 200 – 400 mV ansteigende Spannung an. Spannungen über 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, Universität Bayreuth. www.lehrer-online.de > Suche: Grätzelzelle

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1 0 � 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 Messgerätes (rote Buchse). Schalte nun die Lampe ein. Es wird keine Spannung angezeigt.


Herstellung einer Farbstoffsolarzelle Leistungsbestimmung der Solarzelle b l att 6 / 6

AU F G A B E Führe eine Leistungsbestimmung deiner Farbstoffsolarzelle durch und vergleiche deine Mess­ ergebnisse mit denen deiner Mitschülerinnen und Mitschüler. Da s b r au c h s t du : Multimeter, Krokodilklemmen, Messkabel, die Farbstoffsolarzelle, Lampe (Halogenlampe oder Overheadprojektor), Verbraucher* (Taschenrechner, Soundchip). Eine Energiesparlampe ist nicht geeignet, da ihr Lichtspektrum Linien und Lücken aufweist. Leistungsbestimmung: Die Leistung P ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke: P = U x I Die Spannung ist bereits bekannt: U = .............. mV (trage jeweils deine Messwerte ein). Bestimmung der Stromstärke: 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 berücksichtige dabei die Polung. +

mA

Solarzelle

Miss den Kurzschlussstrom im Messbereich 2 mA. Der Kurzschlussstrom ist eine wichtige Größe zur Leistungsbestimmung bei Solarzellen und zur Qualitätsanalyse; 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 Kurzschlussstromstärke (in mA), multipliziert mit dem Faktor 0,8: ........................

mV x

........................

mA x 0,8 =

Variation der Lichtstärke: Die Leistung der Zelle hängt natürlich von der eingestrahlten Lichtstärke ab. Variiere die Intensität 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 1,0–1,2 V erreichen und ausreichen, um einen Verbraucher wie den Taschenrechner oder den Soundchip zu betreiben.

+ Solarzellen

mA

Verbraucher

Hinweis: Die gemessene Spannung (ohne Verbraucher) ist die Leerlaufspannung der Solarzelle, der gemessene 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. über ManSolar: www.mansolar.com

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P = U x I x 0,8 =


Bau von Solarbooten Das Infoblatt b latt 1 / 5

Auf Dauer mit Sonnenpower Das Klima ändert sich weltweit, mit Folgen, die heute noch niemand genau absehen kann. Ursache ist der Ausstoß von klimaschädlichen Gasen wie z. B. Kohlenstoffdioxid. Das stammt auch aus der Verbrennung von Benzin oder Diesel für Autos und andere Fahrzeuge, z. B. auch für Boote und Schiffe. Mithilfe der unerschöpflichen Energiequelle Sonne kann man diese Kraftstoffe ersetzen, indem man fotovoltaisch elektrischen Strom erzeugt, der dann klima- und umweltfreundlich einen Elektromotor antreibt.

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

Rund um die Welt Selbst auf hoher See gibt es jetzt ein Sonnenschiff. Die „PlanetSolar“ – ein Katamaran – lief Anfang 2010 vom Stapel und soll mithilfe von Strom aus vielen Solarmodulen die Welt umrunden. Extrem effiziente Akkus speichern tagsüber den Sonnenstrom, sodass die Jacht auch nachts ihre Reise fortsetzen kann. Gebaut wurde das futuristisch wirkende Schiff auf einer Werft in Kiel.

Schiff ahoi! Wie wäre es, sein eigenes kleines Solarboot zu bauen? Das lässt sich mit den richtigen Hilfsmitteln recht einfach durchführen. Die folgenden Blätter zeigen, wie es geht. Am leichtesten ist es, das Solarboot 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 Elektromotor montiert, der auf dem Boot befestigt wird und mit den Solarzellen verkabelt ist, und schon fährt das Boot los. Etwas schwieriger ist es, das Boot mit einem herkömmlichen Wasserantrieb zu versehen. Hier befindet sich der Propeller (die Schiffsschraube) unterhalb der Wasserlinie. Dafür muss eine Achse zwischen Motor und Propeller eingebaut werden.

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Ohne Lärm und Abgase Nahezu geräuschlos, ohne Abgase und mit der Energie der Sonne – so werden in Zukunft hoffentlich immer mehr Boote und Schiffe dahingleiten. Schon heute fahren auf Flüssen und Seen Boote und Schiffe mit Elektroantrieb. Insbesondere für Naherholungsgebiete und hochsensible Ökosysteme, 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 Fähren und Ausflugsschiffe eingesetzt.


Bau von Solarbooten Bauanleitung b latt 2 / 5

au f g a b e Baue ein Boot, das mit Sonnenenergie angetrieben wird. Die Form des Bootes kannst du frei wählen – mit einem Rumpf oder mit zwei Rümpfen (Katamaran). A n fo r d e r u n g e n : Die Länge 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 Korkplatten oder auch aus leeren PET-Getränkeflaschen bauen.

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Und so geht’s: 1 � Auf Blatt 4 und 5 findest du Schablonen für den Bau des Bootes. Kopiere die Vorlage nach der gewünschten Größe, übertrage 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 miteinander 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.

Propeller

Sonnenstrahlung

Fällt Licht auf das Solarmodul, wird eine elektrische Spannung erzeugt. Schließt man jetzt den Elektromotor an, fließt Strom, der Motor dreht sich und treibt den Propeller an. Der rotierende Propeller saugt die Luft von rechts an und drückt sie nach links. Dadurch entsteht eine Kraft – der Propeller wird nach rechts gedrückt, das Boot vom Propeller vorwärts geschoben. Aus Sonnen­energie wird elektrische Energie und daraus mechanische Energie!

Strom vom Motor

Solarmodul KRAFT

Motor

Strom zum Motor

Luftbewegung

* Bezug über: 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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Grafik in Anlehnung an Universität Kassel, FB Elektrotechnik, Informatik, Berufs- und Fachdidaktik/H. Kirchhof

Da s b r au c h s t d u : 1 � Technische Bauteile*: Solarmodul aus einer oder mehreren Solarzellen, Solarmotor (z. B. RF 300), Motorhalter, Kabel, Luftpropeller oder Schiffsschraube 2 � Verbrauchsmaterial: Baustoff deiner Wahl (siehe Anforderungen), Nägel, Holzleim, Kleber (lösungsmittelfrei und geeignet für deinen Baustoff), Kontaktkleber, evtl. Heißkleber, Schmirgelpapier, Zahnstocher, Schaschlikspieße, Gummiringe, Schnur, Korken, Draht 3 � Werkzeug: geeignete Säge, Hammer, Zollstock/Lineal, Schraubzwinge, Lötkolben oder Lötstation, Handbohrer, evtl. Heißklebepistole, Zange zum Abisolieren, evtl. verschiedene Holzraspeln 4 � außerdem: Halogenstrahler/Lampe (wenn der Versuch nicht draußen stattfindet), Plansch-­ becken oder große Wasserwanne


bau von Solarbooten bauanleitung b L AT T 3 / 5

3 � Die beiden Hälften des Motorhalters steckst du mittels einer Drahthalterung (oder auch mit zwei Zahnstochern) zusammen und schneidest oben eine flache Kerbe für den Motor hinein. 4 � Den fertigen Motorhalter befestigst du auf jeder Seite mit zwei schräg eingesteckten Zahnstochern am Rumpf. 5 � Motor und Solarmodul werden mit Gummiringen befestigt und dann wird geprüft, 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!

Va r I a n t e : 1 � Für den Bau des Bootsrumpfes kannst du auch einfach zwei 0,5-Liter-PET-Flaschen als Schwimmkörper nutzen. Zur Stabilität des Bootes füllst du die Flaschen mit etwas Wasser, sodass das Boot ein wenig ins Wasser eintaucht. 2 � Auf die Flaschen setzt du einen gebogenen Aufbau (Träger), z. B. aus Dosenblech (Vorsicht: scharfkantig!), Sperrholz oder Styrodur® und befestigst ihn mit Klebeband.

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 für eine Gesamtspannung von 3 Volt. Du kannst das Boot aber auch mit weniger Solarzellen betreiben, es fährt dann nur langsamer. e rW e I t e r u n g : Du kannst auch ein Boot mit einer Wasserschraube bauen. Dafür muss der Propeller über eine lange Achse mit dem Motor verbunden werden. Die Achse kannst du dir aus einem Wattestäbchen und einem Zahnstocher bauen.

für Tüftler: Wie wäre 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 T e c h n i k i m n AT u R W i S S e n S c h A f T L i c h e n u n T e R R i c h T

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3 � Auf den waagrechten Teil des Trägers montierst du die Solarzellen, auf den senkrechten Teil den Elektromotor mit Propeller. Dafür bohrst oder schneidest du (je nach Material) ein Loch, das etwa 1–2 mm kleiner ist als der Durchmesser des Motors (meist 24,2 mm), feilst das Loch vorsichtig weiter aus und passt den Motor ein, sodass er genau in das Loch passt und fest sitzt.


Bau von Solarbooten

Vorlage für das Einrumpfboot b latt 4 / 5

Motorständer 1

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Platz für Solarmodul

Motorständer 2 Platz für Motorständer

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Bau von Solarbooten Vorlage für den Katamaran b latt 5 / 5

Motorständer 1

Deck vorn

Katamaran-Rumpf 1

Motorständer 2

[wird nicht gebraucht]

Katamaran-Rumpf 2

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Deck hinten

Platz für Motorständer

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fingerabdrücke untersuchen Das infoblatt b l aT T 1 / 3

Dem Täter auf der spur Seit ungefähr hundert Jahren tragen viele Verbrecher bei ihren Taten Handschuhe. Der Grund: Im Jahr 1897 klärte Scotland Yard zum ersten Mal ein Verbrechen aufgrund von Fingerabdrücken auf. Entscheidend ist die Tatsache, dass auf nahezu allen Gegenständen und Flächen, die wir berühren, Fingerspuren von uns zurückbleiben. Und jeder Mensch hat seine ganz eigenen, unverwechselbaren Fingerabdruckmuster, mit denen er eindeutig zu identifizieren ist. Mittlerweile haben Kriminaltechniker eine ganze Reihe von Verfahren zum Sichtbarmachen von Fingerabdrücken entwickelt. Fingerabdrücke entstehen durch Schweißabsonderungen auf den sogenannten Papillarleisten in der Haut. Man unterscheidet dabei grundsätzlich vier verschiedene Mustertypen. Um einen Fingerabdruck eindeutig identifizieren zu können, müssen die kleinen Feinheiten der Muster genau betrachtet werden: Anfang und Ende der Linien oder ihre Verzweigungen. Ein Fingerabdruck muss in acht solcher Details übereinstimmen (s. unten). Die vier Grundmuster von fingerabdrücken:

Bogenmuster

Wirbelmuster

Mischform

Fingerabdrücke von den Fingerkuppen werden mithilfe eines Stempelkissens sehr deutlich sichtbar und du kannst sie genau studieren. Findest du beim Merkmalsvergleich eine Übereinstimmung von acht anatomischen Merkmalen (die sogenannten Minutien, das heißt feine Verzweigungen bzw. Endungen der Papillarleisten), so ist die Identität der entsprechenden Person eindeutig nachgewiesen.

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Schleifenmuster


Fingerabdrücke untersuchen Sichtbarmachen von Fingerabdrücken mit Grafitpulver b l att 2 / 3

Au f g a b e 1 Nimm von dir und deinen Mitschülerinnen und Mitschülern mithilfe eines Stempelkissens die Fingerabdrücke von den Fingerkuppen. Einigt euch vorher auf einen oder zwei Fingertypen, zum Beispiel Daumen und Zeigefinger der rechten Hand. Sortiere die Fingerabdrücke nach den vier Grundmustern und lege eine Fingerabdruckdatei an. AUFG A BE 2 Hinterlasse einen Fingerabdruck auf einer glatten Oberfläche, z. B. einem Spiegel, und nimm danach den Fingerabdruck ab. Vergleiche deine Fingerabdrücke mit denen deiner Mitschülerinnen und Mitschüler und versucht, die einzelnen Fingerabdrücke zu identifizieren.

Da s b r au c h s t d u : Feiner Pinsel, Glasplatten (Objektträger oder Taschenspiegel), abziehbares Klebeband (Scotch, Tesafilm etc.), Lupe, alte Zeitungen/Papiertücher und Grafitpulver.

Und so geht’s: 1 � Lege deinen Arbeitsplatz mit Zeitungspapier aus.  rzeuge auf der Glasplatte Abdrücke deiner Finger. Am besten gelingen die Fingerabdrücke, 2 � E wenn du die Finger zuvor etwas eincremst und die Creme ein paar Minuten einziehen lässt.

 lebe einen Streifen Klebeband auf den Fingerabdruck und drücke ihn vorsichtig fest. Nun 4 � K kannst du den Fingerabdruck mithilfe des Klebefilms auf ein weißes Blatt Papier übertragen, indem du den Klebefilm abziehst und auf das weiße Papier klebst.

Va r i a n t e : Eine Mitschülerin/ein Mitschüler aus deiner Klasse hinterlässt unbeobachtet einen oder mehrere Fingerabdrücke an einem Gegenstand im Klassenraum. Es sollte eine Oberfläche sein, die es nicht zu schwer macht, einen Fingerabdruck zu erkennen. Eine andere Schülergruppe (ca. 3 – 4 Schüler) begibt sich dann auf die Suche nach den Fingerabdrücken, nimmt diese vom Objekt und identifiziert anhand der Fingerabdruckdatei die „Täterin“ bzw. den „Täter“.

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


Fingerabdrücke untersuchen Sichtbarmachen von Fingerabdrücken mit Ninhydrin b l att 3 / 3

Au f g a b e Hinterlasse Fingerabdrücke auf Papier und mache diese dann mit einer speziellen Chemikalie sichtbar. Vergleiche deine Fingerabdrücke mit denen deiner Mitschülerinnen und Mitschüler und versuche, die einzelnen Fingerabdrücke zu identifizieren. Da s b r au c h s t d u : Verschiedene Papiere, Heizplatte, Pinzette, Handschuhe (Latex), Kittel, Schutzbrille, Sprühflasche; Ninhydrinlösung in Ethanol – 0,2 g Ninhydrin in 20 ml Ethanol, mit destilliertem Wasser auf 200 ml verdünnen.

Ninhydrin

Ethanol

Und so geht’s: 1 � Hinterlasse einen Fingerabdruck auf verschiedenen Papieren (Schreibpapier, Filterpapier, Papiertaschentuch). Wichtig ist, dass du kräftig auf das Papier drückst. Am besten gelingen die Fingerabdrücke, wenn du die Finger zuvor etwas eincremst und die Creme ein paar Minuten einziehen lässt. 2 � Zieh die Handschuhe an und sprühe etwas von der Nachweislösung (Ninhydrin) aus der Sprühflasche auf die Stelle, auf der dein Fingerabdruck ist oder du ihn vermutest. Mache dies unter dem Laborabzug.

4 � Lege mit einer Pinzette kurz – ca. 10 Sekunden – das Papier auf die heiße Heizplatte, bis die Flüssigkeit verdunstet. Achtung: nicht das Papier verbrennen lassen! Es bildet sich eine blauviolette Färbung 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 durchgeführt werden! Ninhydrin gehört zu den Chemikalien, die als gesundheitsschädlich eingestuft sind. Daher ist beim Umgang mit dem Stoff Sorgfalt und Umsicht geboten. Ethanol (umgangssprachlich: Alkohol) ist als ein leichtentzündlicher Stoff klassifiziert. Wenn du sorgfältig und überlegt arbeitest, kann nichts passieren.

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3 � Die Heizplatte wird unter dem Abzug auf 100 °C eingestellt – nicht heißer!


Brücken bauen Das Infoblatt b l att 1 / 3

Vom einfachen Steg zur Schrägseilbrücke Seit mehr als dreitausend Jahren bauen Menschen Brücken, um Gräben, Bäche, Flüsse und Täler überqueren zu können. Brücken wurden im Laufe der technischen Entwicklung des Menschen zu immer faszinierenderen Bauwerken. Ingenieure in der ganzen Welt wagen sich heute daran, früher nicht für möglich gehaltene Konstruktionen zu bauen. Beim Bau von Brücken spielen die Gesetze der Physik eine besonders große Rolle. Werden sie nicht genauestens beachtet, so kann es vorkommen, dass eine Brücke einstürzt. Dies ist auch schon passiert – und dann meist mit katastrophalen Folgen. Die wichtigsten Baustoffe für Brücken waren bis vor 200 Jahren Stein und Holz. Den Bau von Bogenbrücken aus Natursteinen perfektionierten die Römer. In der Zeit der Industrialisierung entstanden mit dem neuen Baustoff Gusseisen die ersten Eisenbrücken der Welt. Die weitere Entwicklung von sprödem Gusseisen zu zähem und zugfestem Schmiedeeisen – dem Stahl – ermöglichte den Bau von langen Hängebrücken und Fachwerkbalkenbrücken. Der Baustoff Beton wurde ab 1860 bei Bogenbrücken eingesetzt. Es stellt einen Glücksfall der Natur dar, dass Stahl und Beton einen stabilen Verbund bilden, da sie sich bei Temperaturveränderungen ähnlich ausdehnen bzw. zusammenziehen. Beton hat dabei eine hohe Druckfestigkeit, die Armierung mit Stahl liefert die Zugfestigkeit. So wurde ab der Mitte des 20. Jahrhunderts die schlanke Balkenbrücke aus Spannbeton möglich. Parallel dazu wurde im Stahlbau die Schrägseilbrücke entwickelt.

Einfache Bogenbrücke

Bogenbrücke

Balkenbrücke

Fachwerkbrücke

Hängebrücke

Schrägseilbrücke

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Brückentypen

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Brücken bauen Projektauftrag b l att 2 / 3

AU F G A B E Baue aus vorgegebenem Material eine Brücke, die einen Graben von mindestens 50 cm Spannweite überbrückt und eine Fahrbahn von mindestens 10 cm Breite hat.

a n fo r d e r u n ge n : Die Klasse steht im Wettbewerb miteinander. Das Ziel des Wettbewerbes ist es, eine möglichst leichte, aber belastbare Brücke zu bauen und das Design dabei nicht außer Acht zu lassen. Die Brücke soll zwei 50 cm weit auseinandergestellte Tische mit einer mindestens 10 cm breiten Fahrbahn überspannen und dabei möglichst viel Last tragen können. Das heißt: planen, konstruieren, bauen, testen, verbessern, optimieren, wieder testen – und dann im Wettbewerb vergleichen! Zum Schluss werden alle Brücken in der Klasse miteinander verglichen und bewertet. 1 � Welche Brücke trägt die größte Last? 2 � Welche Brücke kommt mit dem wenigsten Material aus? 3 � Welche Brücke hält im Vergleich zu ihrem Eigengewicht die größte Traglast? 4 � Welche Brücke ist ästhetisch am Besten gelungen? Da s k a n n s t d u v e rw e n d e n : Papierbrücke: DIN-A4-Papier (Grammatur ca. 160 g/m2), Klebstoff, Schere, Lineal, Buntstifte Holzbrücke: 100 Holzstäbchen (z. B. Schaschlikspieße), 5 m Bindfaden (Fadenstärke 8 – 10), Klebstoff

Konstruktionselemente einer Brücke Bei der Konstruktion einer Brücke müssen physikalische Gesetze und Materialeigenschaften einbezogen werden. Die Mitte der Brücke wird der Punkt sein, der besonders verstärkt werden muss, denn hier trägt die Brücke die Last. Dabei entstehen Druck- und Zugkräfte. Diese müssen auf die Auflageflächen (Lager der Brücke) abgeleitet werden. Um diese Kräfte zu verteilen, gibt es im Brückenbau viele verschiedene Modelle – die Brückentypen: Bogenbrücke, Fachwerkbrücke, Plattenbrücke, Balkenbrücke, Hängebrücke etc.

Balkenbrücke: Die Kraft wird durch die Auflageflächen vertikal nach unten übertragen.

Bogenbrücke: Die Kraft wird dem Bogen nach auf die Lager übertragen.

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Hängebrücke: Die Lager werden auf Zug beansprucht, die Brücke hängt durch.

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A b l auf : Bildet in der Klasse Dreier- oder Viererteams. Studiert vorab die wesentlichen Bauelemente einer Brücke. Entscheidet euch, welchen Brückentyp ihr bauen wollt und welches Material ihr dazu wählt. Die Konstruktion sollte eine gute Mischung aus Tragkraft, Spannweite und Design sein. Danach zeichnet ihr die wesentlichen Brückenelemente auf ein Blatt Papier und fertigt dann daraus die endgültige Konstruktionszeichnung eurer Brücke. Beginnt dann mit dem Bau und plant Testphasen mit ein.


Brücken bauen Tipps und Anleitungen für die Konstruktion b l att 3 / 3

B aue l e m e n t e fo r m e n : 1 � Papier in mehreren Lagen: Hiermit kann man eine dickere ebene Fläche bauen.

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

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

4 � Wabenstruktur: Diese Struktur erhöht deutlich die Stabilität.

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

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

Beispiel für eine Brücke aus Papier

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7 � Selbsthemmungsmechanismus bei Holzstäbchen/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 über 500 Jahren hat Leonardo da Vinci auf Grundlage dieses Prinzips eine Brücke für den schnellen Auf- und Abbau bei Militäreinsätzen konstruiert – die sogenannte Leonardo-Brücke.

Beispiel für eine Brücke aus Holzstäbchen

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Das Infoblatt b l att 1 / 3

Ultraviolette (UV-) Strahlung kann schaden Ohne die Sonne wäre Leben auf der Erde nicht möglich. Ihre Strahlung sorgt für Licht und Wärme und fördert unser Wohlbefinden. Die UV-Strahlung der Sonne kann aber auch schädlich sein. Sonnenschutzmittel sollen die Haut vor zu viel UV-Strahlung schützen. Am häufigsten findet man Sonnenschutzmittel in Form von Sonnenmilch. Milch ist eine flüssige Emulsion, sie besteht aus einem Fettanteil und einem Wasseranteil. Sonnenschutzmittel gibt es aber auch in Form von Creme, Öl oder auf Wasser basierendem Gel. Sonnenschutzmittel mit geringem Wasser­anteil sind eher salbenartig, solche mit hohem Wasseranteil eher wie eine Lotion. Um die UV-Strahlung zu blockieren, werden chemische und physikalische Filter eingesetzt. Da einige chemische Filter im Verdacht stehen, möglicherweise allergische Reaktionen auszulösen, ist es besser, auf sie zu verzichten und physikalische Filter einzusetzen. Einige Pflanzenöle wie Jojoba-, Sesam- und Erdnussöl haben einen natürlichen, allerdings geringen Lichtschutzfaktor (ca. LSF 5). Physikalische Filter bestehen aus sehr fein gemahlenem Titandioxid oder Zinkoxid: Diese Stoffe streuen und reflektieren das UV-Licht. Ihr Vorteil ist, dass sie chemisch praktisch nicht reagieren (inert sind) und sich deshalb weder zersetzen noch allergische Nebenwirkungen aufweisen. Ein Nachteil ist, dass die Schutzschicht durch Wasser oder Schweiß leicht abgespült wird und dass deshalb öfter nachgecremt werden muss. Wie UV-Filter die Haut vor Sonnenbrand bewahren UV-A

UV-A UV-B

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Oberhaut

UV-B

Kein Schutz: UV-Strahlen dringen tief in die Haut ein. Sonnenbrand entsteht. Die Haut altert vorzeitig.

Organischer (chemischer) Filter: Strahlen werden absorbiert und in Form von Wärme wieder abgegeben. (z. B. Zimtsäureester)

Anorganischer (physikalischer) Filter: Strahlen werden reflektiert und gestreut. (Titandioxid und Zinkoxid)

Hauttyp, Eigenschutzzeit und Lichtschutzfaktor Wer zum Hauttyp 2 gehört (in Deutschland der häufigste Hauttyp), hat eine Eigenschutzzeit von ca. zehn Minuten, d. h. er kann zehn Minuten ohne Sonnenschutz in der Sonne bleiben, ohne einen Sonnenbrand zu bekommen. Trägt man rechtzeitig (30 Minuten vor dem Sonnen) ein Sonnenschutzmittel mit dem Lichtschutzfaktor (LSF) 15 auf, dann verlängert sich die Schutzzeit auf 10 x 15 = 150 Minuten. Sicherer ist es, nur 60 % dieser Zeit, also 90 Minuten in der Sonne zu bleiben. Erneutes Eincremen verlängert übrigens die Schutzzeit nicht!

T e c h n i k i m N at u r w iss e n s c h a f t l i c h e n U n t e r r i c ht

K l a ss e n st u f e 7– 9

© 2010 Robert Bosch Stiftung GmbH. Gesamtherstellung: Zeitbild Verlag Berlin.

UV-A

Lederhaut

B

Herstellung von Sonnenschutzmilch


Herstellung von Sonnenschutzmilch Die Rezeptur b l att 2 / 3

AU F G A B E Stelle aus den vorgegebenen Stoffen eine Sonnenschutzmilch her. Teste die Sonnenmilch auf ihre Gebrauchseigenschaften und Haltbarkeit. Gestalte eine entsprechende Verkaufsverpackung.

Da s b r au c h s t du : für ca. 250 – 300 g Sonnenmilch Fettanteil: 10 g Tegomuls HT (Emulgator – ein natürliches Palmfett) 40 g Mandel-, Erdnuss-, Avocado- oder Jojobaöl (schützt und pflegt die Haut; für den Duft) 10 Tropfen Vitamin E (schützt und pflegt die Haut) 5 Teelöffel SoFi Tix (Gemisch aus sehr fein gemahlenem Zinkoxid und Titandioxid als UV-Filter) Wasseranteil (Milch): 40 g destilliertes Wasser, 10 Tropfen Paraben K (Konservierungsstoff, darf auch in Biokosmetik verwendet werden) Fakultative Zusatzstoffe (pflegen und befeuchten die Haut): 2 g Sonnenhutextrakt und/oder 0,7 g Aloe vera (20 Tr.) U n d s o ge h t ’ s : 1 � Koche destilliertes Wasser zur Entkeimung für circa 3 Minuten ab. Anschließend lässt du es auf etwa 65 – 70 °C abkühlen. 2 � Zur Herstellung des Fettanteils erwärmst du eine Mischung der dort angegebenen vier Substanzen langsam auf 50 – 60 °C.

© 2010 Robert Bosch Stiftung GmbH. Gesamtherstellung: Zeitbild Verlag Berlin.

3 � Zur Herstellung der fertigen Sonnenschutzmilch wiegst du 10 g des erwärmten Fettanteils ab. Gib das abgekochte und abgekühlte Wasser unter Rühren langsam in den Fettanteil. Unter kräftigem Rühren (ca. 2 Minuten mit einem Rührer oder Mixer) lässt du die Emulsion abkühlen und gibst währenddessen das Paraben zu. 4 � Nach Abkühlen auf ca. 30° C werden die Zusatzstoffe (fakultativ) zugegeben. 5 � Die fertige Sonnenschutzmilch füllst du dann in eine lichtgeschützte Plastikflasche.

Hinweis: Die Sonnenschutzmilch hat einen Lichtschutzfaktor (LSF) von ungefähr 15 – 20, das heißt, mit dieser Milch ist man – je nach Hauttyp – mindestens 1,5 Stunden geschützt. Aber bitte immer daran denken, Sonnenschutzmittel alleine schützen nicht! Wichtig ist, alle Regeln für den Sonnenschutz zu kennen und zu beachten. www.bfs.de > Suchen: Tipps zum UV-Schutz

T e c h n i k i m N at u r w iss e n s c h a f t l i c h e n U n t e r r i c ht

K l a ss e n st u f e 7– 9


Herstellung von Sonnenschutzmilch Die wirksamkeit von Sonnenschutzmitteln prüfen b l aT T 3 / 3

AU F G A B E Teste die Wirksamkeit deines Sonnenschutzmittels und die von gekauften Sonnenschutzmitteln mit unterschiedlichem Lichtschutzfaktor. Vergleiche die Ergebnisse miteinander. Was kannst du über den LSF deiner selbst hergestellten Sonnenmilch aussagen?

DA s B r AU c h s t D U : Unterschiedliche Sonnenschutzmilch und -cremes, UV-Testpapier (siehe Hinweis), zwei 100 ml Bechergläser, Tonpapier, UV-Lampe, Tesafilm

UnD so GEht’s: 1 � Vorversuch zur nachweisreaktion für uV-licht: Eines der 100-ml-Bechergläser wird mit Tonpapier umkleidet und so vor UV-Einstrahlung geschützt. In beide Bechergläser gibst du jeweils einen passend zugeschnittenen Streifen des UV-Testpapiers und setzt die beiden Bechergläser für ca. 5 Minuten direkter Sonneneinstrahlung – alternativ der Strahlung einer UV-Lampe – aus. 2 � nachweis der wirksamkeit von uV-filtern in Sonnenschutzmitteln: Markiere auf einer OHP-Folie drei Felder, auf die Proben von drei verschiedenen Sonnenschutzmitteln aufgetragen werden. Achte darauf, dass die Schichtdicke möglichst gering und bei allen drei Proben etwa gleich ist.

hinwEis: UV-Testpapier ist erhältlich bei: UV-IR Technology, 63128 Dietzenbach, Tel.: 06074/48 30 79 E-Mail: info@uv-ir-technology.de, www.uv-ir-technology.de/entry71.htm Das Projekt Sonnentaler.net verteilt in kleiner Stückzahl UV-Papier kostenfrei: Projekt Sonnentaler/La main à la pâte; E-Mail: admin@sonnentaler.net www.sonnentaler.net/aktivitaeten/humanbio/gesundheit/leben_mit_der_sonne Es ist auch möglich, UV-Testpapier relativ leicht selbst herzustellen. Für die benötigten Chemikalien (Sulfanilsäure und α-Naphthylamin) besteht allerdings ein Verwendungsverbot in Schulen. Gegebenenfalls ist es möglich, hier ein Chemieinstitut an einer Universität um Hilfe zu bitten. T e c H n I k I m n aT u r w I S S e n S c H a f T l I c H e n u n T e r r I c H T

kl aSSenSTufe 7– 9

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3 � Befestige hinter der Folie mit Tesafilm ein Stück Testpapier so, dass es unter den markierten Feldern ist. Die fertige Versuchsanordnung setzt du dann für ca. 10 Minuten dem direkten Sonnenlicht oder einer UV-Lampe aus.

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