preisträger
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42. BUNDESWETTBEWERB 17. BIS 20. MAI 2007 IN HAMBURG PREISTRÄGER // 42. Bundeswettbewerb I N H A LT // Preisträger 42. BUNDESWETTBEWERB PREISTRÄGER ARBEITSWELT 04 PREISTRÄGER BIOLOGIE 06 PREISTRÄGER CHEMIE 08 PREISTRÄGER GEO- UND RAUMWISSENSCHAFTEN 10 PREISTRÄGER MATHEMATIK/INFORMATIK 12 PREISTRÄGER PHYSIK 14 PREISTRÄGER TECHNIK 16 SONDERPREISTRÄGER 18 PREISSTIFTER 31 IMPRESSUM 31 -- unter der Schirmherrschaft des Bundespräsidenten -- A U S Z E I C H N U N G A L L E R P L AT Z I E R T E N D E R FA C H G E B I E T E EMPFANG DER BUNDESKANZLERIN DR. ANGELA MERKEL AM 19. SEPTEMBER 2007 IN BERLIN TEILNAHME AN EINEM AUSWAHLSEMINAR DER STUDIENSTIFTUNG DES DEUTSCHEN VOLKES -- VOM 17. BIS 20. MAI 2007 IN HAMBURG -VERANSTALTET VON DER STIFTUNG JUGEND FORSCHT E. V., HAMBURG UND DER BEIERSDORF AG, HAMBURG AUSZEICHNUNG DER JUGEND FORSCHT SCHULE 2007 PREIS DER STÄNDIGEN KONFERENZ DER KULTUSMINISTER DER LÄNDER IN DER BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND 2 3 FA C H G E B I E T S P R E I S E 2.PREIS 3.PREIS 4.PREIS 5.PREIS gestiftet vom Bundesminister für Arbeit und Soziales – € 1.500 und Preis des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V - € 1.000 gestiftet vom Bundesminister für Arbeit und Soziales – € 1.000 und Zukunftstechnologiepreis der Bundesministerin für Bildung und Forschung – € 1.500 gestiftet vom Bundesminister für Arbeit und Soziales – € 500 gestiftet vom Bundesminister für Arbeit und Soziales – € 375 und Preis des Arbeitgeberverbandes Gesamtmetall – € 500 gestiftet vom Bundesminister für Arbeit und Soziales – € 250 Jürgen Stadelmaier [19] Kaisersbacher Straße 38 73642 Welzheim Tel.: 07182 4427 A R B E I T S W E LT BUNDESSIEGER – 1.PREIS 15 Robert Bosch GmbH, Waiblingen Matthias Müller [22] Bussardstraße 49 73650 Winterbach Tel.: 07181 41423 Pascal Schmitt [19] Bischlingstraße 2 63846 Laufach Tel.: 06093 994871 12 Hanns-Seidel-Gymnasium Hösbach Christoph Koebe [18] Krüsbreede 33 48157 Münster Tel.: 0251 3211811 4 Andreas Graf [20] Reimsbacher Straße 40 66839 Schmelz Tel.: 06887 5652 2 Benjamin Lenz [16] Sponheimer Straße 54 56850 Enkirch Tel.: 06541 810523 Henri Möllers [18] Dyckburgstraße 228 48157 Münster Tel.: 0251 328639 Michael Grosch [21] Schattertriesch 18 66839 Schmelz Tel: 06887 6847 Mirjam Lenz [13] Sponheimer Straße 54 56850 Enkirch Tel.: 06541 810523 Gymnasium St. Mauritz Münster Philipp Weber [19] Forsthofstraße 41 66687 Wadern-Wadrill Tel.: 06871 4425 Gymnasium Traben-Trarbach Max-Eyth-Schule, Stuttgart Ralph Strobel [21] Hägelestraße 21 73635 Rudersberg Tel.: 07183 929398 8 ThyssenKrupp Drauz Nothelfer GmbH Wadern-Lockweiler Robert Bosch GmbH, Waiblingen Baden-Württemberg Bayern Nordrhein-Westfalen Saarland FLIEGEN MIT BODENHAFTUNG BILDSCHIRM ZUM BEGREIFEN RUDERN MIT NEUEM SITZ KAROSSERIEN SCHNELL GEIGENSAITEN IM GESCHNITTEN TEST // Entdecke das Segelfliegen mit dem Flugservolator – ein mögliches Hilfsmittel zur Pilotenausbildung // Neue Möglichkeiten der Programmbedienung durch einen Mehrfinger-Touchscreen // Verbesserung der mechanischen Effizienz beim Riemenrudern // Einpassen von Schnittmessern leicht gemacht // Vergleichende physikalische und chemische Untersuchung zur Abnutzung von Geigensaiten Touchscreens sind unter anderem von den Fahrkartenautomaten der Deutschen Bahn bekannt: Statt auf eine Tastatur zu tippen, drückt man mit dem Zeigefinger auf einen berührungsempfindlichen Bildschirm. Pascal Schmitt hat das Prinzip weiterentwickelt: Sein Touchscreen lässt sich nicht nur mit einem Finger ansteuern, sondern mit mehreren gleichzeitig. Die Möglichkeiten seines Vielfinger-Bildschirms demonstriert der junge Forscher an mehreren Beispielen: So schrieb er ein Malprogramm, bei dem sich eine farbige Fläche mit mehreren Fingern auf dem Monitor hin- und herschieben lässt. Auf einem virtuellen Plattenspieler lässt sich nach Herzenslust zu Hip-Hop-Klängen scratchen. Und bei einem Murmelspiel gilt es, digitale Glaskügelchen mit geschicktem Fingerdruck in das Tor des Gegners zu bugsieren. Beim Riemenrudern bedient jeder Sportler – im Gegensatz zum Skullen – nur ein einziges Ruder. Das Ziel einer guten Rudertechnik ist es, möglichst effektiv zu sein. Christoph Koebe und Henri Möllers, die selbst jahrelang aktiv Leistungssport betrieben haben, überlegten sich, wie sie die mechanische Effizienz des Riemenruderns erhöhen könnten. Dazu entwickelten sie einen Rollsitz, der mit einem Drehgelenk ausgestattet ist, und ließen ihn von Sportlern testen. Die Daten von Kraft-Zeit- und Schlaglängen analysierten sie mithilfe der sogenannten Messboottechnik. Die Rückmeldung ihrer Testpersonen war positiv und die Jungforscher konnten eine Erhöhung der Leistung nachweisen. Der neue Rollsitz hat aber noch weitere Vorteile: Er schont die Wirbelsäule und erhöht die Sicherheit, da das Umdrehen des Ruders erleichtert wird. Wie kommt das Fensterloch in die Autotür? Es wird mit einem Beschneidewerkzeug ausgeschnitten, das nach dem Scherenprinzip mit Schneide und Gegenschneide funktioniert. Die sogenannte Schere schneidet aber nur, wenn beide Seiten gut aneinander angepasst sind. Die Schnittmesser der Schere sind jedoch sehr schwer zugänglich, und zum Anpassen müssen sie entweder umständlich ausgebaut oder innerhalb des Werkzeugs bearbeitet werden. Um die Messer leichter und einfacher bearbeiten zu können, haben Andreas Graf, Michael Grosch und Philipp Weber einen Hubtisch konstruiert. Dieser erlaubt es, die Messer in ausgebautem Zustand und in einer für den Arbeiter rückenschonenden Haltung einzupassen. Benjamin und Mirjam Lenz spielen Geige. Dabei fiel ihnen auf, dass sie sehr häufig die Saiten erneuern müssen. Die Geschwister wollten wissen, ob auch andere Violinisten einen vergleichbaren Saitenverschleiß haben und welche Faktoren die Abnutzung der Saiten beeinflussen. Sie bauten eine Versuchsgeige, führten chemische und physikalische Dauerversuche durch und befragten Orchestermitglieder. Zusätzlich testeten sie Schweißproben unterschiedlicher Spieler und begutachteten abgenutzte Saiten im Rasterelektronenmikroskop. Ergebnis: Sowohl der Greifdruck als auch der Fingerschweiß bewirkt die Zerstörung der Saiten. Das Material hat dabei erheblichen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Zersetzung. Fliegen zu können, ist der Traum vieler Menschen. Jürgen Stadelmaier, Matthias Müller und Ralph Strobel haben ihn für sich verwirklicht. Allerdings sind sie dabei auf dem Boden geblieben: Die drei entwickelten einen Flugsimulator. Zwei Servomotoren, die von einem Computer-Flugsimulator gesteuert werden, führen die Flugbewegungen aus. Die Bewegungen des Flugzeugrumpfes erfolgen dabei synchron zu den Bildern des ComputerFlugsimulators, die auf dem eingebauten Bildschirm gezeigt werden. Durch den Einsatz von Schleifringen kann sich der Flugservolator beliebig oft um die eigene Achse drehen – das sogenannte Rollen eines Flugzeugs lässt sich realitätsnah simulieren. Der echte Flugzeugrumpf, originale Steuerelemente und ein zusätzlicher Betriebsmodus verstärken das Gefühl, tatsächlich zu fliegen. 4 Laudatio Die konstruktiven Fertigkeiten der drei Auszubildenden überzeugten die Jury. Die Gesamtanlage ist zur sicherheitstechnischen Abnahme angemeldet. Rheinland-Pfalz 5 FA C H G E B I E T S P R E I S E 2.PREIS 3.PREIS 4.PREIS 5.PREIS gestiftet von der Max-Planck-Gesellschaft e. V. – € 1.500 und Einladung der China Association for Science & Technology und des Arbeitgeberverbandes Gesamtmetall nach China gestiftet von der Max-Planck-Gesellschaft e. V. – € 1.000 gestiftet von der Max-Planck-Gesellschaft e. V. – € 500 gestiftet von der Max-Planck-Gesellschaft e. V. – € 375 gestiftet von der Max-Planck-Gesellschaft e. V. – € 250 Ajescha Prozell [15] Bötzowstraße 34 10407 Berlin Tel.: 030 42859584 BIOLOGIE BUNDESSIEGER – 1.PREIS 29 Samuel Fink [18] Scheuergasse 10 79271 St. Peter Tel.: 07660 1773 19 Andrés Kroker [17] In den Aumatten 7 79199 Kirchzarten Tel.: 07661 981498 Primo-Levi-Schule Berlin Dominik Herzog [18] Leibnizstraße 29 67292 Kirchheimbolanden Tel.: 06352 750435 24 Laiq-Jan Saidi [18] Karl-Heinz-Krahn-Weg 2 g 22549 Hamburg Tel.: 040 8320692 33 Vivien Miriam Rohwedder [19] Damaschkestraße 6 c 24211 Preetz Tel.: 04342 5002 Gymnasium Weierhof Bolanden Gesamtschule Blankenese Hamburg Friedrich-Schiller-Gymnasium Preetz 32 Marie-Curie-Gymnasium Kirchzarten Berlin Baden-Württemberg Rheinland-Pfalz Hamburg Schleswig-Holstein INSEKTEN SPÜREN GIFTE AUF WENN PFLANZEN ROTIEREN DUNKELROTER WEIN IST IN GUTE LUFT IN HAMBURG DES EINEN FREUD – DES ANDERN LEID // Entwicklung eines schnellen und günstigen Testsystems auf Insektizidbelastung – wie kontaminiert sind Schulen? // Einfluss veränderter Schwerefeldbedingungen auf das Wachstum von Kressekeimlingen // Optimierung der Methode zur Erzeugung eines möglichst dunkelroten Weines der Rebsorte Domina // „Die Rückkehr der Flechten” – der Luftqualität in Hamburg-West auf der Spur – Flechten als Bioindikatoren // Untersuchung zum Verhalten von entomopathogenen Nematoden an Mehlwürmern und Wachsmottenlarven „Das Grüne muss immer nach oben!“, so lautet nach einem alten Witz die Ermahnung an Ostfriesen, wenn sie Bäume pflanzen wollen. Eine Binsenweisheit, denn bei Pflanzen wächst die Wurzel nach unten und der grüne Spross nach oben. Woher wissen jedoch die Pflanzen, wo oben und unten ist – vor allem, wenn sie im Dunkeln stehen? Mit diesem Phänomen, für das es bis heute keine vollständige Erklärung gibt, beschäftigte sich schon Charles Darwin im 19. Jahrhundert. Samuel Fink und Andrés Kroker wollten insbesondere wissen, was mit der Pflanze geschieht, wenn sie einer erhöhten Schwerkraft ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck entwickelten sie eine Zentrifuge, die sich für ihre Versuche mit Kressekeimlingen eignete. Ein Ergebnis: Um die Stabilität zu erhalten, passt die Pflanze in der Zentrifuge die Dicke ihrer Zellwände der jeweiligen Belastung an. Je dunkler der Rotwein, desto besser sind die Verkaufszahlen. Auf einer Radtour entlang der Mosel erfuhr Dominik Herzog von Winzern, dass Weintrinker intensiv roten Wein lieben. Daraufhin beschloss der 18-Jährige, selbst nach Methoden zu forschen, mit denen sich möglichst farbintensive Rotweine herstellen lassen. Dafür setzte er sich mit den aktuellen önologischen Farbstoffextraktionsmethoden auseinander, teilte sie in vier Gruppen auf, verglich diese miteinander und optimierte sie. Seine Experimente führte er mit der Rebsorte Domina durch, an der bislang noch kein wissenschaftlich begründeter Vergleich dieser Methoden durchgeführt worden ist. Den farbintensivsten Wein konnte der junge Weinforscher mithilfe der klassischen Maischevergärung mit Reinzuchthefe herstellen. Wenn Pilze mit Algen zusammenleben, entstehen Flechten. Diese wachsen an Bäumen, Dächern oder Steinen und sind sehr empfindlich gegenüber schädlichen Umwelteinflüssen: Ist die Luft zu schlecht, sterben sie ab. Laiq-Jan Saidi prüfte die Luftqualität im Westen von Hamburg, indem er elf Flechtenstandorte kartierte. Hier zeigte sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Luftemissionen und Flechtenvegetation. Der junge Forscher fand heraus, dass die Hamburger Innenstadt trotz des regen Autoverkehrs nur mäßig von Schadstoffen belastet ist. Die Luftqualität am nördlichen Elbufer erwies sich im Vergleich dazu jedoch als ziemlich schlecht. Schuld daran sind Schwefeldioxide, die bei der Verbrennung von Schiffsdiesel entstehen. Ein Vergleich mit früheren Kartierungen zeigte, dass sich die Hamburger Luft innerhalb von 23 Jahren erheblich verbessert hat. Der Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln belastet zunehmend den Naturhaushalt. Eine Lösung könnte die biologische Schädlingsbekämpfung sein: Derzeit werden beispielsweise Nematoden der Art Steinernema feltiae in der Champignonzucht oder auf Golf- und Fußballplätzen gegen Schadinsekten eingesetzt. Vivien Miriam Rohwedder hat das Verhalten dieser Fadenwürmer, die Mehlwürmer und Wachsmottenlarven befallen, eingehend untersucht. Die junge Forscherin stellte fest, dass lebende Wirtstiere bei dieser Nematodenart eine höhere Bewegungsaktivität auslösen. Zudem konnte sie nachweisen, dass Hämolymphe das Bewegungsverhalten von Nematoden verstärkt. Ihre Ergebnisse könnten zur Weiterentwicklung der Prozessoptimierung im Rahmen der biologischen Schädlingsbekämpfung beitragen. Gelbschwarzgestreifter Plagegeist mit Stachel – darauf werden Wespen meist reduziert. Aber Wespe ist nicht gleich Wespe. Weitgehend unbekannt ist, dass zum Beispiel Schlupfwespen durchaus nützlich sein können. Aufgrund ihrer großen Empfindlichkeit gegenüber chemischen Verbindungen eignen sie sich als Testtiere für Insektizide. Mit Insektiziden verunreinigte Räume sind von außen nicht zu erkennen, chemische Untersuchungen sehr aufwändig und teuer. Besonders Schulen können sich solche Tests kaum leisten. Aus diesem Grund hat Ajescha Prozell mithilfe von drei verschiedenen Testtierarten einen einfachen Biotest entwickelt. Die getesteten Insekten reagierten bereits auf geringe Giftkonzentrationen. Mit dem umweltfreundlichen Test lässt sich die insektizide Belastung von Räumen somit schnell nachweisen. 6 Laudatio Ajescha Prozell hat ein einfaches, zuverlässiges und zudem sehr kostengünstiges Testverfahren zum Nachweis von Insektiziden entwickelt, das die Jury beeindruckte. 7 FA C H G E B I E T S P R E I S E 2.PREIS 3.PREIS 4.PREIS 5.PREIS gestiftet vom Fonds der Chemischen Industrie e. V. – € 1.500 gestiftet vom Fonds der Chemischen Industrie e. V. – € 1.000 und Preis des Fonds der Chemischen Industrie e. V. für eine nachhaltige Entwicklung – € 1.000 gestiftet vom Fonds der Chemischen Industrie e. V. – € 500 und Einladung des SIWI und des Ernst Sobotha Vereins e. V. zum „International Stockholm Junior Water Prize 2007“ gestiftet vom Fonds der Chemischen Industrie e. V. – € 375 gestiftet vom Fonds der Chemischen Industrie e. V. – € 250 und Einladung des VAA zu einem Studienaufenthalt in den USA Johannes Wandt [18] Pater-Rupert-Mayer-Straße 13 84503 Altötting Tel.: 08671 85322 CHEMIE BUNDESSIEGER – 1.PREIS 49 Kevin Sifft [16] Burgstraße 110 53474 Bad Neuenahr-Ahrweiler Tel.: 02641 202802 König-Karlmann-Gymnasium Altötting 47 Peter-Joerres-Gymnasium Bad Neuenahr-Ahrweiler Tobias Hahn [19] Alte Heerstraße 271 06132 Halle-Saale Tel.: 0345 7701365 41 Johannes Ewald [19] Neustadter Straße 39 76829 Landau Tel.: 06341 960347 Philomena Apitzsch [18] Paul-Suhr-Straße 49 a 06130 Halle-Saale Tel.: 0345 1205567 Andreas Krawitz [19] Prinz-Eugen-Straße 13 b 76829 Landau Tel.: 06341 347246 Elisabeth-Gymnasium Halle-Saale Otto-Hahn-Gymnasium Landau 38 Jeffrey Hammann [19] Bürgermeister-Rühl-Straße 20 64832 Babenhausen Tel.: 06073 63885 42 Friedrich-Dessauer-Gymnasium Aschaffenburg Bayern Rheinland-Pfalz Sachsen-Anhalt Rheinland-Pfalz Bayern MAGIE DES MAGNETITS SUPER-FOTOS SELBST GEMACHT CHLORELLA MISST WASSERGÜTE ORDNUNG IM CHAOS MOLEKÜLE OHNE BINDUNGSÄNGSTE // Untersuchung der Magnetitdarstellung in ammoniakalkalischer Lösung aus Eisen[II]-sulfat // Entwicklung einer eigenen Inkjet-Beschichtung // Entwicklung und Anwendung eines Biosensors auf Basis der Sauerstoffproduktion von Algen // Mikrometallbäume und ihre mathematische Struktur // Einfluss von Halogensubstituenten auf die Geschwindigkeit der nucleophilen Substitution von Benzylhalogeniden Die Digitalfotografie ist in den vergangenen Jahren immer populärer geworden. Wesentlich dazu beigetragen hat zweifelsohne die Möglichkeit, Fotos per Tintenstrahldrucker direkt am PC zu Hause ausdrucken zu können. Viele Hobbyfotografen verwenden dabei Inkjet-Papier. Diese Tatsache veranlasste Kevin Sifft, sich näher mit dem zugrunde liegenden Verfahren und den chemischen Zusammenhängen zu beschäftigen, die sich dahinter verbergen. Er führte verschiedene Versuchsreihen durch und entwickelte schließlich eine eigene mikroporöse Inkjet-Beschichtung, die sich auf nahezu jedes Papier auftragen lässt. Fotos von Digitalkameras können auf diese Weise in hoher Qualität ausgedruckt werden. Die Grünalge Chlorella produziert umso mehr Sauerstoff, je sauberer das Wasser ist, in dem sie lebt. Dieses Prinzip nutzten Tobias Hahn und Philomena Apitzsch für den Bau eines einfachen und zuverlässigen Biosensors zur Bestimmung der Wassergüte. Sie beschichteten eine Sauerstoffelektrode mit einem Algenkonzentrat, das sie zuvor in Gelatine eingebettet hatten, und bestrahlten die Elektrode mit 20 Leuchtdioden. Ihre Messreihen zeigten, dass der Algensensor sowohl empfindlich als auch robust ist: Schon geringe Mengen des Zellgifts Kupfersulfat bremsen die Photosynthese und damit die Sauerstoffproduktion messbar. Auch das Abwasser aus einer Waschmaschine hemmt die Aktivität der Alge. Allerdings haben sich die Zellen schon nach wenigen Stunden in sauberem Wasser wieder erholt. Damit ist der Biosensor auch für Serienmessungen gut geeignet. Metallbäume sind Ablagerungen, die aus Salzen entstehen. Für alle Bereiche, in denen große Oberflächen, kleinste Partikel und Metallabscheidungen jeglicher Art eine Rolle spielen – zum Beispiel für Batteriehersteller –, ist dies wichtig zu verstehen. Die Ablagerungen wachsen scheinbar völlig chaotisch. Offenbar gibt es aber eine Ordnung hinter dem Chaos, da sich die verschiedenen Bäume ihren jeweiligen Metallen zuordnen lassen. Dieser Ordnung wollten Johannes Ewald und Andreas Krawitz auf den Grund gehen. Sie erstellten ein Computerprogramm, mit dem sich nun die Metallbäume simulieren und analysieren lassen. Halogenhaltige Chemikalien sind wichtige Substanzen in der Pharmazie. Jeffrey Hammann tauchte tief in die Welt dieser Moleküle ein. Er untersuchte am Beispiel von Benzylbromid, wo am Molekülring Brom, Chlor und Fluor binden und unter welchen Bedingungen besonders stabile Verbindungen entstehen. Durch einfache Messungen der Leitfähigkeit in der Probelösung bestimmte der Jungforscher Geschwindigkeitskonstanten, Reaktionsenthalpie und Reaktionsentropie. Seine Daten belegen, dass die Bindung umso fester wird, je stabiler der Übergangszustand zwischen Halogen und Benzyl ist. Durch solche Berechnungen könnte man künftig auch abschätzen, wie eine pharmazeutische Substanz innerhalb des Körpers wirkt: Je schneller die Reaktion und je fester die Bindung, umso stärker die Wirkung. Magnetit ist ein stark magnetisches Eisenoxid, das in alkalischer Lösung durch Oxidation von Eisensulfat entsteht. Die mehrstufige Reaktion läuft allerdings nicht spontan, sondern nur mit Verzögerung an. Johannes Wandt hat herausgefunden, weshalb dies so ist: In den ersten Sekunden bildet sich eine chemische Vorstufe, erst dann setzt die Oxidation zum Magnetit ein. Um die Reaktion genau zu beobachten und sekundengenau aufzuzeichnen, baute er eine einfache Versuchsanordnung aus Reaktionsraum, Magnet und Präzisionswaage. Dabei stellte er fest, dass die Bildung des Magnetits stark von der Ammoniakkonzentration abhängt. Einiges deutet darauf hin, dass Ammoniak nicht nur als Lösungsmittel fungiert, sondern direkt in die Reaktion eingreift. 8 Laudatio Johannes Wandt überzeugte die Jury insbesondere mit seinen originellen Ideen, der hohen Qualität der Experimente und der klaren Analyse seiner Ergebnisse. 9 FA C H G E B I E T S P R E I S E 2.PREIS 3.PREIS 4.PREIS 5.PREIS gestiftet vom stern – € 1.500 und Preis der WE-Heraeus-Stiftung – € 250 und Einladung zur GDNÄ-Versammlung gestiftet vom stern – € 1.000 gestiftet vom stern – € 500 gestiftet vom stern – € 375 und Preis des Verbandes Deutscher Schulgeographen e. V. – € 1.000 gestiftet vom stern – € 250 und Preis der Union deutscher ZONTA-Clubs – € 2.000 Max Frenzel [18] Albert-Einstein-Straße 27 02625 Bautzen Tel.: 03591 271472 GEO- UND RAUMWISSENSCHAFTEN BUNDESSIEGER – 1.PREIS 55 Sächsisches Landesgymnasium Sankt Afra Meißen Marvin Fehrenbacher [15] Brabanter Straße 11 41363 Jüchen Tel.: 02182 5451 54 Gymnasium Jüchen Philipp Hähnel [18] Brandenburgische Straße 92 15566 Schöneiche Tel.: 030 64389901 58 Wilhelm-Foerster-Sternwarte Berlin Tim Wieschalla [19] Am Hasenkamp 5 17192 Waren [Müritz] Tel.: 03991 120610 64 Lisa Gutjahr [17] Buchenackerstraße 10 63768 Hösbach Tel.: 06021 540587 Christian Kuckuck [19] Dorfanger 5 17192 Klink Tel.: 03991 732250 Veronika Kilzer [18] Sodenackerstraße 21 63877 Sailauf Tel.: 06093 307187 Christin Parschau [19] Backofenstraße 5 17192 Torgelow am See Tel.: 03991 665245 Hanns-Seidel-Gymnasium Hösbach 57 Richard-Wossidlo-Gymnasium Waren [Müritz] Sachsen Nordrhein-Westfalen Berlin Mecklenburg-Vorpommern Bayern SCHILLERNDE VERWITTERUNG S TA B I L E S P E E R E A U S DER STEINZEIT BILD MIT MAKELN MEHR ÜBERBLICK NEUE ERKENNTNISSE Z U M K L I M AWA N D E L // Untersuchungen zur Sekundärmineralisation auf der Halde des ehemaligen Nickelbergwerks in Sohland/ Spree [Sachsen] // Steinzeitliche Speere – im Feuer gehärtet? Experimentelle Überprüfung der Holzhärtung durch Feuer // Schwerkraftsimulation auf dem Gummilaken – Möglichkeiten und Grenzen // Untersuchung der Parkplatzsituation in Warener Fördergebieten // Wenn die Erde gärt – Permafrost als Methanquelle Archäologen sind sich nicht einig, ob steinzeitliche Holzspeerspitzen im Feuer gehärtet wurden. Marvin Fehrenbacher ging dieser Frage nach. In seinen Experimenten ging es ihm insbesondere darum auszuschließen, dass die Härtung nur durch Trocknen erzielt wurde. Der junge Forscher bestimmte die sogenannte Brinellhärte von vier Holzarten in frischem, ausgekohltem und getrocknetem Zustand, und er untersuchte, wie sich Speerspitzen dieser Hölzer bei Stauchung verändern. Er konnte feststellen, dass durch Ankohlen die Holzhärte bei fast allen Hölzern am höchsten ist und die Speerspitzen nach dem Ankohlen immer am stabilsten sind. Auch wenn bislang eindeutige Beweise fehlen, geht der Schüler davon aus, dass die Steinzeitmenschen die Feuerhärtung kannten und auch anwendeten. 1916 präsentierte Albert Einstein seinen vielleicht größten Geniestreich: die Allgemeine Relativitätstheorie. Sie ist eine Theorie der Gravitation und wird gern mit einem anschaulichen Bild beschrieben: Demnach dellen schwere Körper wie die Sonne den Raum ein wie eine Orange, die auf einer Gummihaut liegt. Die Erde benimmt sich in diesem Bild wie eine Murmel, die in der Mulde herumrollt und auf diese Weise ihre Orangensonne umkreist. Philipp Hähnel hat in seiner Arbeit akribisch untersucht, inwieweit dieses Gummihaut-Bild wirklich zutrifft. Sein Ergebnis: Das Bild hat Grenzen; es führt, vereinfacht gesagt, für verschieden große Murmeln zu durchaus unterschiedlichen Ergebnissen. Also: Vorsicht mit der Gummihaut-Analogie! Die Welt von oben zu betrachten, bietet neue Perspektiven. Das ist nicht erst seit Google Earth bekannt. Tim Wieschalla, Christian Kuckuck und Christin Parschau haben in ihrer Heimatstadt Waren die Parkplatzsituation in der Innenstadt mithilfe von Luftbildern über ein geografisches Informationssystem [GIS] analysiert. Die Auswertung über eine GIS-Software macht die aufwändige Vor-Ort-Recherche überflüssig und reduziert so die Personalkosten. Zudem konnten die Parkplätze verschiedenen Kategorien wie „behindertengerecht“, „caravangeeignet“ oder „Zeitparkplatz“ zugeordnet werden. Doch damit haben sich die drei Gymnasiasten nicht begnügt. Als besonderen Service entwickelten sie ein Internetportal, in dem Informationen zu Parkflächen in einem bestimmten Umkreis angeboten werden. Die Untersuchungsergebnisse von Lisa Gutjahr und Veronika Kilzer dürften für die aktuelle Klimaforschung von Bedeutung sein. Die beiden Jungforscherinnen zeigten, dass die Dauerfrostböden in Nordkanada, Alaska und Sibirien im Zuge des Klimawandels teilweise auftauen und dadurch große Mengen von Methan freisetzen. Brisant ist diese Erkenntnis deshalb, weil das Gas ein vielfach höheres Treibhauspotenzial als Kohlendioxid besitzt. Ein teuflischer Kreislauf entsteht: Die Klimaerwärmung führt zu einem Auftauen der Böden, die dann wiederum neues Treibhausgas freisetzen und zu weiteren Klimaveränderungen führen. Eine Bergbauhalde ist mehr als totes Geröll. Regen, Sauerstoff und Kohlensäure verwandeln die Erzrückstände über viele Jahre in eine Vielzahl farbiger und zum Teil seltener Sekundärmineralien. Max Frenzel hat diese Verwitterungsprozesse auf einer Halde eines ehemaligen Nickelbergwerks unter die Lupe genommen. Er analysierte seine Proben chemisch und spektroskopisch; den Aufbau der Kristalle untersuchte er unter dem Rasterelektronenmikroskop. Der Jungforscher fand heraus, dass die Verwitterungsprozesse in der Halde ähnlich ablaufen wie die in einer Lagerstätte. Außerdem stieß er auf zwei verschiedene Typen von Sekundärmineralien: eisenhaltige, die leicht verklumpen, und besonders schön schillernde Kupfer- und Nickelsilikate. 10 Laudatio Max Frenzel hat neue, in der Region bisher nicht bekannte Minerale entdeckt und beschrieben. Beeindruckendes Fachwissen wird hier mit souveräner Methodenanwendung kombiniert. 11 FA C H G E B I E T S P R E I S E 2.PREIS 3.PREIS 4.PREIS 5.PREIS gestiftet von der Ernst A. C. Lange-Stiftung, Bremen – € 1.500 und Konrad-Zuse-Jugendpreis der Eduard-Rhein-Stiftung – € 1.500 gestiftet von der Ernst A. C. Lange-Stiftung, Bremen – € 1.000 gestiftet von der Ernst A. C. Lange-Stiftung, Bremen – € 500 gestiftet von der Ernst A. C. Lange-Stiftung, Bremen – € 375 und Jugendpreis der Eduard-Rhein-Stiftung – € 1.500 und Einladung der China Association for Science & Technology und des Arbeitgeberverbandes Gesamtmetall nach China gestiftet von der Ernst A. C. Lange-Stiftung, Bremen – € 250 Martin Maas [19] Ginsterweg 11 06120 Lieskau Tel.: 0345 5510704 M AT H E M AT I K / I N F O R M AT I K BUNDESSIEGER – 1.PREIS 76 Georg-Cantor-Gymnasium Halle 010010101101 111000010101 010100101000 100100100010 101010101111 101001010110 111100001010 101010010100 010010010011 000101111101 0 1 1 0 1 0 1 00 11 00 00 01 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 11 01 01 00 00 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 00 11 00 11 10 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 11 00 10 01 10 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 01 00 01 10 01 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 01 00 11 00 10 1 0 1 0 1 1 0 111100001010 101010010100 010010010011 000101111101 011010101000 101110110000 101010101011 Marc-Andre Schulz [18] Innweg 33 24146 Kiel Tel.: 0431 784882 78 Nils Asmussen [18] Rohrsängerweg 32 24146 Kiel Tel.: 0431 2001365 Matthias Lienert [19] Wörther Straße 58 28211 Bremen Tel.: 0421 4914965 75 Kippenberg-Gymnasium Bremen Gymnasium Elmschenhagen Kiel Stefanie Kosan [17] G.-Lilienthal-Straße 9 07407 Rudolstadt Tel.: 03672 345176 74 Felix Herbst [16] Vorderhügel 10 98544 Zella-Mehlis Tel.: 03682 42139 Anne Plochowietz [17] Fabrikstraße 30 07607 Eisenberg Tel.: 036691 50809 Ulrich Zorn [17] Hohlweg 51 99894 Leinatal OT Engelsbach Tel.: 03623 308162 Carl-Zeiss-Gymnasium Jena Goetheschule Ilmenau 69 Sachsen-Anhalt Schleswig-Holstein Bremen Thüringen Thüringen D AT E N S I C H E R ÜBERTRAGEN Z U F A L L S F O L G E N S TAT T CHIPKARTE VERNETZTES SCHACHSPIEL SILBER AUF WANDERUNG FA R N Z Ü C H T U N G P E R COMPUTER // Stegacrypt – Entwicklung einer modularen Steganografie-Software // Human Random – Identifikation durch Zufallszahlen // Schach als komplexes Netzwerk // „Silberlinsen” – quantitative Erfassung von Ionenaustauschprozessen in optischen Gläsern // Darstellung und Generierung zweiund dreidimensionaler Strukturen mit Hilfe von iterierten Funktionensystemen Inwieweit lassen sich Menschen anhand von Zufallsfolgen, die sie selbst generiert haben, identifizieren? Zur Beantwortung dieser Frage untersuchten Marc-Andre Schulz und Nils Asmussen zufällige Zahlenfolgen, die von über 100 Personen erzeugt wurden, auf identifikationsrelevante Merkmale. Die beiden Jungforscher entwickelten Verfahren, durch die sich die von Person zu Person unterschiedlichen Grundmuster aus den Zufallsfolgen herausziehen lassen. Auf dieser Basis entwarfen sie dann ein System, das es ermöglicht, sich nicht durch Passwort oder Chipkarte auszuweisen, sondern durch einfach und intuitiv bei jeder Benutzung frei erstellte Zufallsfolgen. Internet, Nervenbahnen des Gehirns, soziale Beziehungsgeflechte – komplexe Netzwerke begegnen uns im täglichen Leben überall. Matthias Lienert übertrug dieses Konzept erstmals auf das Schachspiel: Felder entsprechen Knotenpunkten, Züge den Verbindungen dazwischen. Die mathematischen Eigenschaften dieses Netzwerks von Zügen berechnete er aus Sammlungen von Schachpartien aus dem Internet. Durch charakteristische Netzwerkgrößen lassen sich die strategischen Eigenschaften sowohl von Figuren, Spielstadien und Eröffnungen als auch von Spielstilen, Siegen, Niederlagen und einzelnen Partien objektiv erfassen und quantifizieren. Diese Größen können als Parameter für ein Einstufungssystem von Partien verwendet werden. Mithilfe des Analyseprogramms lassen sich strategisch wichtige und angreifbare Punkte identifizieren. Gewöhnliche Linsen – etwa in Brillengläsern – sind gekrümmt. Es gibt aber auch andere Varianten: So bietet ein kleines Mikrooptik-Unternehmen aus Jena Glaslinsen an, die vollkommen plan sind oder die Form eines Stabes haben. Der Trick dahinter: Das Glas ist auf besondere Weise mit Silberteilchen gespickt, die das Licht brechen und dadurch bündeln können. Zum Einsatz kommen diese Mikrolinsen unter anderem in der Glasfaserkommunikation und bei Endoskopen in der Medizin. Stefanie Kosan und Anne Plochowietz haben ein Computerprogramm entwickelt, mit dem sie berechnen können, auf welche Art und Weise die Silberteilchen während des Herstellungsprozesses in das Glas hineinund andere Teilchen – zum Beispiel Natrium – herauswandern. Die Optikfirma aus Jena kann die Software als nützliches Werkzeug nutzen, um den Herstellungsprozess weiter zu verfeinern. Farne sehen nicht nur schön aus, sie sind auch in mathematischer Hinsicht höchst faszinierend. Der Grund: Farne zeigen eine ausgeprägte selbstähnliche Struktur. Schaut man sich die Blattwedel genauer an, so entdeckt man, dass die kleinen Zacken fast genauso aussehen wie die großen. Ganz ähnliche Strukturen lassen sich auch mit dem Computer erzeugen – und zwar, wenn man bestimmte mathematische Formeln immer wieder mit ihren eigenen Ergebnissen speist. Felix Herbst und Ulrich Zorn schrieben eine solche Software. Mit ihr können sie spektakuläre zwei- und dreidimensionale Muster auf den Bildschirm zaubern – darunter auch Farne, die verblüffend realistisch anmuten. Datensicherheit ist ein hochaktuelles Thema. Doch die bekannten Verschlüsselungsverfahren haben allesamt eine Schwäche: Es lässt sich nämlich feststellen, ob verschlüsselte Daten übertragen werden. Die Datenübertragung könnte somit sabotiert werden. Abhilfe schafft hier die Steganografie: Verschlüsselte Daten werden in anderen Daten, beispielsweise Bildern, versteckt, so dass sie nicht entdeckt werden können. Leider war dieses Verfahren für Nutzer bislang kaum anwendbar, da existierende Programme nur einzelne Dateiformate unterstützten und schwer zu handhaben waren. Martin Maas entwickelte Stegacrypt, das die Probleme löst. Es stellt ein modulares System zur Verfügung, mit dem beliebige Formate unterstützt werden können. Zusätzlich ist es durch ein eigenes Dateisystem und eine entsprechende Benutzerschnittstelle sehr einfach zu bedienen. 12 Laudatio Die Jury war besonders von Martin Maas’ Fachwissen über die Grundlagen der Kryptografie und den nach Grundsätzen aktueller Software-Entwurfsmethoden entstandenen Umgebung begeistert. 13 FA C H G E B I E T S P R E I S E 2.PREIS 3.PREIS 4.PREIS 5.PREIS gestiftet von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. – € 1.500 und Einladung der EU zum „19th European Union Contest for Young Scientists“ gestiftet von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. – € 1.000 und Preis der WE-Heraeus-Stiftung – € 250 und Einladung zur GDNÄ-Versammlung gestiftet von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. – € 500 und Einladung des VAA zum „London International Youth Science Forum“ gestiftet von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. – € 375 und Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft e. V. – € 250 gestiftet von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. – € 250 Florian Ostermaier [18] Hauptstraße 57 88356 Ostrach Tel.: 07585 2631 PHYSIK BUNDESSIEGER – 1.PREIS 90 Fabian Kories [19] Maria-Sibylla-Merian 121 55122 Mainz Tel.: 06131 696273 Gymnasium Wilhelmsdorf 88 Theresianum Mainz Rahel Vortmeyer [19] Dorfbauerschaft 49 b 48346 Ostbevern Tel.: 02532 963506 93 Gymnasium St. Mauritz Münster Matthias Brück [20] Friedrichshulder Stieg 35 22869 Schenefeld Tel.: 040 8391320 83 „Faszination Physik” , DESY Hamburg Henrike Wilms [19] Meistersteig 34 88069 Tettnang Tel.: 07542 8554 Jenny Beleites [18] Ringstraße 12 99752 Bleicherode Tel.: 0179 7140524 82 Walter Müller [18] Ligusterweg 17 99097 Erfurt Eckhard Strobel [18] Rosenweg 29 98617 Meiningen Tel.: 03693 503606 Montfort-Gymnasium Tettnang Albert-Schweitzer-Gymnasium Erfurt Baden-Württemberg Rheinland-Pfalz Nordrhein-Westfalen Hamburg Thüringen BLITZE IM GRUBENLICHT DAS VERRÜCKTE PENDEL KLEINER TROPFEN – GROSSE WIRKUNG CHAOTISCHE L AVA L A M P E WIE SCHNELL IST DAS LICHT? // Rhythmischer Regentropfen // Demonstrationsversuch zum Nachweis von deterministischem Chaos // Ein Tropfen zieht Kreise // Ein „Flügelschlag” zum Chaos – Beobachtung zur Musterbildung beim Übergang ins Chaos // Entwicklung eines Demonstrationsexperimentes zur Messung der Lichtgeschwindigkeit Das Chaos spielt im Alltag eine nicht zu unterschätzende Rolle. So ist etwa das Wetter ein chaotisches System und daher nur schwer vorherzusagen. Der Grund: Kleine Unterschiede etwa beim Luftdruck können gewaltige Folgen haben und die Witterung regelrecht umkippen lassen. Fabian Kories veranschaulicht das Chaos mit einem simplen Versuch. Aus den Teilen eines Metallbaukastens hat er ein Pendel konstruiert, das aus zwei Armen besteht: Der kleinere der beiden Arme ist am unteren Ende des längeren befestigt. Lässt man dieses Doppelpendel frei schwingen, scheint es nach ein paar Runden verrückt zu spielen – es schwingt wild und irregulär hin und her; das untere, kleinere Pendel überschlägt sich sogar. Eine ausgefeilte Lichtschranken-Konstruktion, die einen PC mit Messdaten füttert, beweist, dass diese Bewegung tatsächlich chaotisch verläuft. Ein Regentropfen, der in eine Pfütze fällt, verursacht Kreiswellen. Dieses Bild ist für jedermann eine vertraute Alltagserscheinung. Aber von welchen Faktoren ist die Ausbreitung und Struktur dieser Wellen abhängig? Von der Oberflächenspannung, der Wassertiefe oder der Fallhöhe des Tropfens? Und wie entstehen diese Kreiswellen eigentlich genau? Diesen Fragen ging Rahel Vortmeyer auf den Grund. Dabei half ihr eine Videoanalyse und ein Theoriemodell zur Entstehung von Kreiswellen. Die junge Forscherin fand heraus, dass Oberflächenspannung und Wassertiefe nicht nur einen wesentlichen Einfluss auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen haben, sondern dass auch der Verlauf des Aufprallvorgangs von diesen Faktoren abhängt. Kleine Ursache, große Wirkung. Das ist die Grundaussage der Chaostheorie. Sie geht zum Beispiel davon aus, dass der Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien einen Wirbelsturm in Texas auslösen kann. Matthias Brück ging der Frage nach, ob hinter dem Chaos letztlich doch eine verborgene Ordnung steckt. Dazu ließ er sich etwas originelles einfallen: Er nahm einen schmalen Behälter aus Aluminium und Plexiglas, ausgerüstet mit Heiz- und Kühlelementen. Diesen füllte er mit einer Emulsion aus Sonnenblumenöl und Wasser, heizte die Flüssigkeit von unten und kühlte sie von oben. Das Resultat: Ähnlich wie bei einer Lavalampe bildeten sich komplexe Blasenmuster. Unter anderem konnte der Jungforscher bestimmen, unter welchen Bedingungen diese Muster chaotisch wurden, also unberechenbar. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine der wichtigsten Naturkonstanten der modernen Physik und spielt auch im Physikunterricht eine wichtige Rolle. Um den Unterrichtsstoff zu veranschaulichen, entwickelten Jenny Beleites, Walter Müller und Eckhard Strobel ein Demonstrationsexperiment, das sich durch leichte Verständlichkeit, geringe Kosten und eine Genauigkeit bis auf 0,6 Prozent auszeichnet. Ein modulierter Laserstrahl fällt dabei über zwei Umlenkspiegel auf eine Photodiode. Die Phasenverschiebung zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal wird bestimmt und dient als Maß für die Zeit, die das Licht benötigt, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen. Aus Weg und Zeit kann die Lichtgeschwindigkeit berechnet werden. Laudatio Als Florian Ostermaier und Henrike Wilms eine Tropfsteinhöhle besuchten, konnten sie einen eigenartigen Lichteffekt beobachten: Immer wenn ein Tropfen von der Höhlendecke fiel, schien er in einer bestimmten Höhe aufzublitzen; es war, als würde er das Licht der Grubenlampe besonders stark reflektieren. Unsicher, ob sie einer optischen Täuschung aufgesessen waren, machten sich die beiden an ein Experiment. Mithilfe von Pipette, Lampe und Lichtschranke bannten sie den von ihnen beobachteten Effekt auf den Chip einer Digitalkamera. Dabei bemerkten die Jungforscher, dass die Lichtmuster von der jeweiligen Form des Tropfens abhängen. Diese Form ist nämlich nicht starr, sondern verändert sich: Der Tropfen wabert während des Falls hin und her, was sich durch ein rhythmisches Blitzen im Schein einer Lampe verrät. 14 Die Jury war beeindruckt von der sorgfältigen Beobachtung des Phänomens und der daraus abgeleiteten physikalischen Modellbildung. Ihr tiefes physikalisches Verständnis führte die Jungforscher zu einer erfolgreichen quantitativen Beschreibung der Tropfenschwingungen während des Falls. 15 FA C H G E B I E T S P R E I S E 2.PREIS 3.PREIS 4.PREIS 5.PREIS gestiftet vom VDI Verein deutscher Ingenieure e. V. – € 1.500 und Einladung der EU zum „19th European Union Contest for Young Scientists“ und Einladung der Bundeswehr zu einer Informationsreise zu Forschungseinrichtungen gestiftet vom VDI Verein deutscher Ingenieure e. V. – € 1.000 und Preis des Arbeitgeberverbandes Gesamtmetall – € 1.000 und Preis der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft e. V. – € 500 gestiftet vom VDI Verein deutscher Ingenieure e. V. – € 500 und Preis des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. für Robotik – € 750 gestiftet vom VDI Verein deutscher Ingenieure e. V. – € 375 gestiftet vom VDI Verein deutscher Ingenieure e. V. – € 250 Florian Schnös [18] Pestalozzistraße 16 a 97464 Niederwerrn Tel.: 09721 40820 TECHNIK BUNDESSIEGER – 1.PREIS 104 Alexander-von-Humboldt-Gymnasium Schweinfurt Kristin Völk [20] Sonnenweg 7 96472 Rödental Tel: 09563 3569 107 Universität des Saarlandes Saarbrücken Martin Wuck [19] Drevesstraße 12 14473 Potsdam Tel.: 0331 862308 108 Stefan Haag [20] Silcherstraße 18 78564 Wehingen Tel.: 07426 1588 97 Niclas Müller [17] Unter der Klinik 3 34260 Kaufungen Tel.: 05605 7150 Christoph Löbert [19] Steinstraße 21 14482 Potsdam Tel.: 0331 708597 Sonja Klingler [20] Andreas-Hofer-Straße 4 78549 Spaichingen Tel.: 07424 86097 Philipp Jäger [17] Hopfenbreite 18 34260 Kaufungen Tel.: 05605 1838 David Lenk [20] Igelweg 3 p 14552 Michendorf Tel.: 0173 3909414 Jakob Sum [20] Lembergstraße 30 78588 Denkingen Tel.: 07424 85085 PhysikClub Kassel Peter-Joseph-Lenné-Schule Potsdam Gymnasium Spaichingen 101 Bayern Saarland Brandenburg Baden-Württemberg Hessen RÄUMLICH SEHEN LERNFÄHIGER ROBOTER A B G E TA U C H T IM STURM ERPROBT M E TA L L E F L I N K W I E EIN FISCH // SmartCam – Entwicklung einer universell einsetzbaren 3-D-Kamera // Auf Schritt und Tritt – der Weg zum selbstlernenden humanoiden Roboter // Entwicklung eines autarken, computergesteuerten Tauchroboters // Sturmsicherung einer Windkraftanlage // Bau eines Unterwasserantriebs aus Nitinol Die Vorstellung, einen künstlichen Menschen zu schaffen, geistert bereits seit Jahrhunderten durch das menschliche Denken. Auch Kristin Völk erlag dieser Faszination. Sie konstruierte ihren eigenen menschenähnlichen Roboter mithilfe eines CAD-Programms [Computeraided-design] und fertigte die Komponenten selbst auf einer CNC-Fräse. Während der Roboter zu Beginn noch über Schritttabellen lief, gelang es der jungen Technikerin, ihm durch zusätzliche Sensorik ein flexibleres Gehen beizubringen. Zur Datenerfassung entwickelte sie eine Platine und übertrug die menschliche Fähigkeit des Lernens mithilfe des künstlichen Lernverfahrens „Reinforcement learning“ auf den Roboter. Dieser benutzt nun Arme und Beine und hält sein Gleichgewicht – beihnahe wie ein Mensch. Was man nicht sehen kann, regt die Fantasie an. Das war auch bei den passionierten Anglern Martin Wuck, Christoph Löbert und David Lenk so. Sie fragten sich, wie es wohl auf dem Grund ihres Angelsees aussieht. Um das zu klären, entwickelten sie einen Tauchroboter, der Bodenproben nehmen, die Temperatur messen und filmen kann. Das Gerät verfügt über ein ausgeklügeltes Tauchsystem und bewegt sich im Wasser völlig autonom. Zwei Schraubenantriebe und ein abnehmbarer Bodenantrieb sorgen für die nötige Bewegungsfreiheit. Ein Minicomputer an Bord lenkt sämtliche Mess- und Steuerelemente. Die notwendigen Befehle erhält das Gerät per W-LAN vom Land aus. Damit man in den dunklen Tiefen auch etwas sehen kann, haben die drei Entwickler leistungsstarke und zugleich stromsparende LEDs eingesetzt. Rotor und Generator einer Windkraftanlage sind nur für eine bestimmte maximale Drehzahl angelegt. Aus diesem Grund ist eine Sturmsicherung wichtig. Eine solche möglichst einfache und robuste Konstruktion für kleine Anlagen zu entwickeln, setzten sich Stefan Haag, Sonja Klingler und Jakob Sum zum Ziel. Sie erweiterten ein bereits bekanntes mechanisches Prinzip um eine neuartige Steuerung. Diese berechneten sie zuerst theoretisch, erstellten dann die technischen Zeichnungen und konstruierten mithilfe einer Firma eine erste Version der Bauteile. Vor der Fertigstellung bestimmten die drei die Realbedingungen für ihre Steuerung in einem Windkanal. Mit diesem Test konnten sie auch beweisen, dass ihre Anlage sogar bei Orkanwindstärke noch die gewünschte maximale Leistung erbringt. Nitinol ist eine Metalllegierung aus Nickel und Titan, die sich leicht verformen lässt. Beim Erhitzen kehrt sie in ihre ursprüngliche Form zurück. Dies funktioniert viele Millionen Mal, ohne dass das Material ermüdet. Das sogenannte Gedächtnismetall bildet also eine Art Muskel. Das brachte Niclas Müller und Philipp Jäger auf die Idee, einen Metallantrieb für ein Unterwasserboot zu bauen, der den Muskelpaaren in Schwanzflossen von Fischen nachempfunden ist. Sie entwickelten ein Kaulquappenmodell, das von einer Nitinol-Flosse angetrieben wird und lautlos durchs Wasser gleiten kann. Die Natur liefert häufig die Impulse für technische Entwicklungen. Florian Schnös ließ sich vom räumlichen Sehen inspirieren. Der Gymnasiast entwickelte eine dreidimensionale Kamera, die mit ihren zwei Objektiven neben Farben auch Informationen zur Tiefe aufzeichnet und per USB auf einen Rechner überträgt. Dort werden die Daten von einer speziellen Software analysiert. Der 18-Jährige hat dabei besonders auf eine kompakte Bauweise geachtet. Mit Materialkosten unter 35 Euro erschließen sich für das Gerät zahlreiche Anwendungsgebiete von der Robotik über die Humanmedizin bis hin zur Automobilindustrie. So könnten Roboter dynamisch auf wechselnde Umgebungsbedingungen reagieren oder Blinde sich mithilfe der Informationen einer 3-D-Kamera besser räumlich orientieren. 16 Laudatio Erfinden, Konstruieren, Herstellen, Optimieren, Kalkulieren – alle Stufen ingenieurwissenschaftlicher Tätigkeit finden wir bei Florian Schnös in bemerkenswerter Entwicklungsstufe. Die Jury ist überzeugt, hier einen herausragenden zukünftigen Ingenieur gefunden zu haben. 17 SONDERPREISE BUNDESSIEGER – PREIS FÜR EINE AUSSERGEWÖHNLICHE ARBEIT BUNDESSIEGER – PREIS FÜR DIE ORIGINELLSTE ARBEIT BUNDESSIEGER – PREIS FÜR DIE BESTE INTERDISZIPLINÄRE ARBEIT gestiftet vom Bundespräsidenten – € 1.700 gestiftet von der Bundeskanzlerin – € 1.700 und Preis der Astronomischen Gesellschaft e. V. – € 300 und Einladung zur Herbsttagung 2008 und Einladung der EU zum „19th European Union Contest for Young Scientists“ gestiftet von der Bundesministerin für Bildung und Forschung – € 1.700 Dominik Schubert [16] Mühlenstraße 30 a 85737 Ismaning Tel.: 089 99637763 91 Raphael Errani [17] Lühebogen 10 21640 Neuenkirchen Tel.: 04163 5821 Maria-Theresia-Gymnasium München 53 Milan Gerovac [18] Rathenaustraße 9 63263 Neu-Isenburg Tel.: 06102 89475 Athenaeum Stade 39 Dragana Gerovac [17] Rathenaustraße 9 63263 Neu-Isenburg Tel.: 06102 89475 Goetheschule Neu-Isenburg Bayern Niedersachsen Hessen MESSEN MIT DEM REGENBOGEN-EFFEKT WENN EIN „STERN“ V O M H I M M E L F Ä L LT AUS GÜLLE GELD MACHEN // Design und Bau eines abbildenden Prismenspektrometers im VIS und VNIR-Bereich // Einschlagswahrscheinlichkeit von Asteroiden auf der Erde // Projekt stm - Ammoniumrückgewinnung aus Abwässern Ein Prisma spaltet das Sonnenlicht in seine Regenbogenfarben auf. Diesen Umstand machte sich Dominik Schubert zunutze, um einen besonderen Messapparat zu konstruieren: ein abbildendes Spektrometer. Ähnlich einer Digitalkamera nimmt es ein Bild auf, analysiert aber zusätzlich für jedes Pixel die Farbzusammensetzung. Mithilfe dieser Zusatzinformation lassen sich dann zum Beispiel Mineralien identifizieren, chemische Verunreinigungen im Wasser erkennen oder der Gesundheitszustand der Vegetation überprüfen. Gewöhnlich kosten solche Spektrometer einige Zehntausend Euro. Nicht so das Gerät von Dominik Schubert: Es basiert auf einem Prisma, ein paar Objektiven, zwei Rasierklingen, einem Kamerachip und mehreren Aluminiumprofilen aus dem Baumarkt. Das Resultat: hochwertige Aufnahmen auch ohne Profigerät. 18 Laudatio Mit seinen 16 Jahren hat Dominik Schubert in ausnehmend tiefgreifender Weise die Physik und Technik eines abbildenden Prismenspektrometers erfasst und aus preisgünstigen optischen Komponenten ein gut funktionierendes Gerät aufgebaut. Das Spektrometer wurde an Testobjekten wie frischen, verwelkten und künstlichen Blättern erfolgreich getestet. Die Mondoberfläche ist mit Kratern übersät, die von Asteroideinschlägen herrühren. Solche Asteroideinschläge haben auch die Erde nicht verschont. Allerdings sind die Folgen nicht so leicht zu erkennen wie auf dem Mond. Raphael Errani hat untersucht, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Asteroid die Erde trifft. Mithilfe von Computersimulationen bestimmte er das Verhältnis der Einschläge auf Mond und Erde. Dabei ermittelte er – ausgehend von der Annahme, dass auf dem Mond keine Erosion herrscht – durch Auszählen von Mondkratern die Anzahl sämtlicher Einschläge seit der Entstehung des Himmelskörpers. Diese Zahl pro Zeit, multipliziert mit dem oben genannten Verhältnis, ergibt die gesuchte Wahrscheinlichkeit. Durch eine Größendifferenzierung beim Auszählen der Mondkrater konnte er die Einschlagwahrscheinlichkeit auch in Abhängigkeit der Asteroidengröße bestimmen. Laudatio Raphael Errani überzeugte die Jury durch die besondere Eigenständigkeit, mit der er ein beeindruckendes Ergebnis auf dem Stand der aktuellen Forschung erzielte. Dass Umweltschutz auch wirtschaftlich sein kann, zeigt das Projekt von Milan und Dragana Gerovac. Gülle, ein Gemisch aus Tierkot, Urin und etwas Stroh, ist im Prinzip ein wertvoller Dünger. Doch zu viel davon ist nicht nur geruchsbelästigend, sondern führt auch zu einer Nitratbelastung des Bodens und Trinkwassers. Das Geschwisterpaar entwickelte ein Verfahren, mit dem Bauern mittels Pilzkulturen und Stroh aus Gülle den hochwertigen Dünger Struvit produzieren können. Struvit lässt sich besser lagern und exakt dosieren. So könnten Landwirte zum einen ihre überflüssige Gülle entsorgen und zum anderen durch den Verkauf des Struvits Geld verdienen. Ihren Reaktor nannten die Jungforscher daher stm-engine, stm wie shit-to-money. Laudatio Die Jury überzeugte die Leistung der Jungforscher, die mit großer Sorgfalt verschiedene Parameter der Prozesse optimierten und eine Möglichkeit fanden, diese technisch in ihre „stm-engine“ umzusetzen. 19 SONDERPREISE A R B E I T S W E LT A R B E I T S W E LT A R B E I T S W E LT Preis des Arbeitgeberverbandes Gesamtmetall – € 1.000 Preis des Hauptverbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften – € 1.000 und Preis der Ernst A. C. Lange-Stiftung, Bremen – € 250 und Einladung zur Tagung der Nobelpreisträger Preis der Heinz und Gisela Friederichs Stiftung – € 1.250 Johannes Lamparter [18] Lüßstraße 6 71292 Friolzheim Tel.: 07044 44280 7 Manuel Richt [18] Jahnstraße 35 71297 Mönsheim Tel.: 07044 920017 Silke Schröder [18] Twiedelftsweg 35 28279 Bremen Tel.: 0421 820210 13 Altes Gymnasium Bremen Robert Bosch GmbH Feuerbach Lars Schymik [18] Heinrich-Heine-Straße 6 a 07749 Jena Tel.: 03641 424348 BIOLOGIE Preis der WE-Heraeus-Stiftung – € 250 und Einladung zur GDNÄ-Versammlung 14 Benjamin Müller [18] Landgrafenstieg 12 07743 Jena Tel.: 03641 829127 Katharina Fehre [19] E.-Thälmann-Straße 48 a 04420 Markranstädt Tel.: 034205 18284 18 BIOLOGIE BIOLOGIE Einladung der Stiftung „Schweizer Jugend forscht“ zu einer Studienwoche „Werner-Rathmayer-Preis“ der Deutschen Zoologischen Gesellschaft e. V. – € 500 Mariele Gerstl [20] Vorstadt 10 94486 Osterhofen Tel.: 09932 1497 22 Wieland Heim [18] Paracelsustraße 7 09114 Chemnitz Tel.: 0371 3304075 Universität Leipzig St.-Gotthard-Gymnasium Niederalteich Dr.-Wilhelm-André-Gymnasium Chemnitz 23 Carl-Zeiss-Gymnasium Jena Baden-Württemberg Bremen Thüringen Sachsen Bayern Sachsen BAUMSTÄMME IM NU G E S P A LT E N GESUNDE MISCHUNG VOM ARZT ZUM KRANKENHAUS MOLEKULARE HELFERLEIN ENTSCHEID AM FUTTEREIMER KEIN VOGEL BLEIBT UNBEKANNT // Erhöhung der Produktivität beim Holzspalten // Planungs- und Informationssystem zur Strukturierung komplexer Infusionsregime // Die elektronische Überweisungshilfe healthXnet // Verhalten von Bone-Sialoprotein gegenüber Hirnmetastasen bei Antikörpertherapie // Soziale Beziehungen in einer domestizierten Pferdeherde // Die Brutvögel des Botanischen Gartens Chemnitz 2004-2006 und Untersuchungen zur Nistkastennutzung Will man einen langen Baumstamm spalten, so benötigt man einen Keil. In der Forstwirtschaft wird dafür üblicherweise der hydraulische Senkrechtspalter, der weit in den Stamm hineingefahren werden muss, benutzt. Das ist jedoch sehr zeitintensiv. Johannes Lamparter und Manuel Richt wollten den Vorgang effektiver und schneller gestalten, als dies mit den handelsüblichen Geräten derzeit möglich ist. Die beiden Tüftler haben einen Keil entwickelt, mit dem sie den Einfahrweg in das Holz um ein Vielfaches verringern können. So erzielten sie auf einfache Art und Weise eine wesentlich höhere Spaltleistung. Unverträglichkeitsreaktionen zwischen Medikamenten und Infusionslösungen im Katheter gehören zum Alltag im Krankenhaus. Um solche Reaktionen von vornherein auszuschließen, entwickelte Silke Schröder ein neues Planungssystem. Anhand chemischer und medizinischer Parameter teilte sie Medikamente und Lösungen in sechs Klassen ein. Innerhalb der einzelnen Klassen sind die Arzneien im Prinzip mischbar. Bleiben die Klassen voneinander getrennt, so dürften keine Unverträglichkeitsreaktionen auftreten. Das System umfasst Magnetkarten mit allen relevanten Informationen zu einzelnen Pharmaka. Die Klassifizierung ermöglicht eine relativ einfache und fehlerfreie Planung von Infusionsregimen. Die Diskussion um eine Kostensenkung im Gesundheitswesen motivierte Lars Schymik und Benjamin Müller zu ihrem Projekt. Die Jenaer Gymnasiasten legten ihr Augenmerk auf den Überweisungsvorgang vom Haus- oder Facharzt ins Krankenhaus. Um beispielsweise doppelte Untersuchungen zu vermeiden, entwickelten Sie eine datenbankgestützte Überweisungshilfe. Mithilfe des HealthXnet können niedergelassene Ärzte Diagnosen direkt auf einem Server ablegen, auf den auch das Krankenhaus Zugriff hat. So lassen sich Untersuchungsergebnisse ohne Zeitverzug von allen Beteiligten einsehen und Operationen besser planen. Da es sich bei Gesundheitsdaten um sensible Informationen handelt, haben sich die beiden Jungforscher auch über die Datensicherheit intensiv Gedanken gemacht. Brustkrebs ist unter anderem so gefürchtet, weil er oftmals Knochenmetastasen im Bereich der Wirbelsäule bildet, die letztlich zu Lähmungen führen können. Eine neue, sogenannte Antikörpertherapie, die am Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg entwickelt wurde, verspricht Heilung. Katharina Fehre zeigte an einem Tiermodell, dass die Therapie nicht nur bei Knochenmetastasen hilft, sondern auch Hirnmetastasen zerstört. Da die Antikörper die besonders dichte Blut-Hirn-Schranke passieren können, ist anzunehmen, dass sie auch die nicht so dichten Wände der Blutgefäße außerhalb des Gehirns durchdringen. Folglich könnten alle Metastasen mit der Antikörpertherapie bekämpft werden. Davon würden Patienten mit Brustkrebs, aber auch mit Prostata-, Lungen-, Nieren- und Schilddrüsenkrebs profitieren. Pferde sind Herdentiere. Damit sie gut zusammenleben können, gibt es innerhalb der Herde eine relativ feste Rangordnung. Mariele Gerstl untersuchte in ihrer eigenen Pferdeherde die sozialen Beziehungen der Tiere untereinander. Sie wandte dabei zwei unterschiedliche Fütterungstests an: Paarfütterung und Fütterung mit mehreren Futtereimern. Anhand von Ergebnistabellen konnte die junge Verhaltensforscherin die Rangordnung bestimmen. Ein Pferd gilt als ranghöher, wenn es länger als ein anderes an der Futterquelle bleibt, oder wenn es ein anderes Tier von einem Futtereimer verdrängt. Eine Freundschaft oder eine Bindung besteht zwischen Pferden, wenn sie sich einen Futtereimer teilen. Die Kenntnis der sozialen Beziehungen kann Pferdebesitzern den täglichen, praktischen Umgang mit den Tieren erleichtern. Wieland Heim interessierte sich schon als kleiner Junge für Tiere. Als Mitglied einer Arbeitsgemeinschaft des Naturschutzbunds im Botanischen Garten Chemnitz lernte er die Methodik der Brutvogelkartierung kennen. In seiner Jugend forscht Arbeit hat Wieland Heim alle Vogelarten im Botanischen Garten erfasst. Die ermittelte Populationsdichte stellte er Ergebnissen aus ähnlichen Lebensräumen gegenüber. Zusätzlich betreute der junge Ornithologe die Nistkästen des Gebiets und untersuchte, welche Nisthilfen die jeweiligen Vogelarten bevorzugen und wo und in welcher Höhe sie angebracht werden sollten. Die Ergebnisse seiner Forschungsarbeit sollen die Effizienz der bereits geleisteten Naturschutzarbeiten bestätigen und allgemeingültige Anregungen zu Verbesserungen geben. 20 21 SONDERPREISE BIOLOGIE BIOLOGIE BIOLOGIE Biotechnologiepreis des Fonds der Chemischen Industrie e. V. – € 750 Einladung der Ernst A. C. Lange-Stiftung, Bremen, zur Nobelpreisverleihung Preis der Ernst A. C. Lange-Stiftung, Bremen – € 250 und Einladung zur Tagung der Nobelpreisträger Maximilian Kerschbaum [19] Mittelstraße 8 a 94034 Passau Tel.: 0851 44547 25 Auersperg-Gymnasium Passau Niloufar Rahi [18] Gerichtstraße 6 61462 Königstein Tel.: 06174 2580248 30 Taunusgymnasium Königstein Nina Maria Reich [19] Kneeheide 7 29320 Hermannsburg Tel.: 05052 1365 CHEMIE 31 Preis der Deutschen Bundesstiftung Umwelt – € 1.000 Sebastian Igelmann [18] Alt Angelmodde 2 48167 Münster Tel.: 02506 2405 43 CHEMIE CHEMIE Preis des Bundespatenunternehmens Beiersdorf AG – € 1.500 Preis der WE-Heraeus-Stiftung – € 250 und Einladung zur GDNÄ-Versammlung Bianca Klose [20] Zellwolleweg 8 19322 Wittenberge Tel.: 03877 61595 44 Silke Schröder [18] Twiedelftsweg 35 28279 Bremen Tel.: 0421 820210 Mathilda Keller [19] Baarwinkel 16 29320 Hermannsburg Tel.: 05052 3798 Fabian Winckler [18] Herrenstraße 13 48167 Münster Tel.: 02506 303447 David Dahncke [19] Finkenbergstraße 23 19309 Lenzen Tel.: 038792 7182 Laura Imhülse [19] Beim Kronskamp 7 28255 Bremen Tel: 0421 251060 Christian-Gymnasium Hermannsburg Fabian Schreiber [18] Agathastraße 120 48167 Münster Tel.: 0251 616669 Steven Lechleitner [19] Steinstraße 22 19322 Wittenberge Tel.: 03877 73984 Altes Gymnasium Bremen Gymnasium Wolbeck Münster Marie-Curie-Gymnasium Wittenberge 46 Bayern Hessen Niedersachsen Nordrhein-Westfalen Brandenburg Bremen MEHR ENERGIE DANK GALLE G R A M M AT I K I S T KINDERLEICHT MESSUNG DES MUSKELSPIELS SCHMELZENDE HAUSWÄNDE HÄNDEWASCHEN MIT RAPS SICHERER MEDIKAMENTEN-MIX // Qualitative und quantitative Experimente und Optimierungsvorschläge am Biogasanlagenmodell // Können Menschen allein anhand von distributiven Informationen syntaktische Kategorien bilden? // Untersuchung zur Differenzierung von Muskelaktivitäten mit der Surface-Elektromyografie // Mit diesen Kapseln können Sie bauen – Mikroverkapselung von Paraffin // „Rapso-Peel” und andere Verwendungsmöglichkeiten von Raps // Verfahren zur schnellen Klassifizierung intravenös zu applizierender Pharmaka Wie lassen sich Biogaskraftwerke so weit optimieren, dass sie zukünftig gegenüber kommerziellen Energielieferanten konkurrenzfähig werden? Mit dieser Frage beschäftigte sich Maximilian Kerschbaum. Mithilfe eines selbst gebauten funktionsfähigen Biogasanlagenmodells verbesserte der 19-Jährige alle Betriebsparameter wie Temperatur, Durchmischung und ph-Wert. Anschließend widmete er sich einem weit verbreiteten Problem: Wie kann das oben schwimmende, energiereiche Fett untergemischt werden? Nach umfangreichen Versuchen entdeckte der junge Forscher den natürlichen Emulgator Lecithin, der sich kostengünstig in Form von Schweineund Rindergallen erwerben lässt, und den Biogasertrag um 20 Prozent steigern kann. „Den gib Ball mir!“, würde kein Kind sagen. Aber woher wissen Kinder, welches Wort an welche Stelle eines Satzes gehört? Inspiriert durch die Sprachentwicklung ihrer kleinen Cousine startete die 18-jährige Schülerin Niloufar Rahi aus Königstein ein Jugend forscht Projekt an der Harvard University in den USA. Für ihre linguistischen Experimente erfand sie eine Sprache und untersuchte, wie Testpersonen die Grammatik mit Zwei-Wort-Folgen oder Drei-Wort-Sätzen erlernten. Ihre Tests bestätigten, dass benachbarte Wörter Aufschluss über die Kategorie eines Wortes geben. Jedes Kind weiß demnach: nach „der, die, das“ folgt in der Regel ein Hauptwort. Greifen, fassen, fangen – die menschliche Hand wird vielfältig bewegt und eingesetzt. Das erfordert eine komplexe Steuerung, unter anderem durch die Unterarmmuskulatur. Nina Maria Reich und Mathilda Keller untersuchten die Aktivitäten ausgewählter Armmuskeln mithilfe von Oberflächenelektroden. Mit einfachen Mitteln bauten sie eine Messapparatur, mit der die Signale der Elektroden hör- und sichtbar dargestellt und registriert werden können. Der Vergleich der Frequenzspektren ermöglichte den beiden Forscherinnen beispielsweise, Rückschlüsse auf den Fitnessgrad der Testpersonen zu ziehen. Ein Einsatz der Messmethode ist sowohl in den Bereichen Rehabilitation und Sportmedizin als auch in der Entwicklung bewegungsfähiger Prothesen denkbar. Sebastian Igelmann, Fabian Winckler und Fabian Schreiber wollten auf einfache und effiziente Weise Heizenergie einsparen. Aus dem Physikunterricht der Klasse 6 erinnerten sie, dass das Schmelzen und Verdampfen eines Stoffes überproportional viel Energie verbraucht. Diese Energie bleibt im Stoff erhalten und kann beim Kondensieren bzw. Erstarren zum Heizen genutzt werden. Die drei verpackten Paraffin – einen leicht schmelzenden Stoff – in kleine Kapseln und mischten diese in Baustoffe, die für die Wärmeisolierung von Hauswänden verwendet werden. Scheint nun die Sonne auf die Wand, gelangt die Wärme nicht direkt in den Wohnraum, sondern bringt stattdessen das Paraffin zum Schmelzen. Ist es dagegen abends kalt, kühlt der Innenraum nicht sofort ab, weil das erstarrende Paraffin die vorher gespeicherte Wärme wieder abgibt. Bei der Produktion von Biodiesel fällt ein Reststoff an, der bisher meist verfüttert wird. Bianca Klose, David Dahncke und Steven Lechleitner haben gezeigt, dass sich der sogenannte Rapsexpeller auch anders nutzen lässt. Den drei Jungforschern gelang es, durch Vergärung aus dem Expeller energiereiches Biogas zu gewinnen. Da der Reststoff einen größeren Heizwert als Holz hat, könnte er gemeinsam mit Holzabfällen auch zu Pellets und Briketts gepresst werden. Besonders viel versprechen sich die drei von einer weiteren Alternative: der Seifenherstellung. Dafür destillierten sie das Restöl und verwandelten es mit Natronlauge zu Kernseife. Da die Seife kleine Rapspartikel enthält, hat sie einen leichten Peelingeffekt und wäscht auch besonders schmutzige Hände blitzblank. Im Krankenhaus werden Medikamente häufig durch Katheter verabreicht. Beim Mischen der Arzneimittel im Katheter können jedoch Inkompatibilitätsreaktionen – chemisch-physikalische Unverträglichkeiten – auftreten, die beispielsweise durch Fällungen sichtbar werden. Sie gefährden den Patienten und sind daher unbedingt zu vermeiden. Da es zu diesem Problem in der Literatur bislang kaum Daten gibt, versuchten Silke Schröder und Laura Imhülse die Daten auf andere Weise zu gewinnen. Anhand verschiedener chemischer Parameter teilten sie die Medikamente in Klassen ein. Durch Mischungen im Reagenzglas fanden sie besonders reaktive Produkte heraus, mit denen neue Pharmaka auf Unverträglichkeiten getestet werden können. 22 23 SONDERPREISE GEO- UND RAUMWISSENSCHAFTEN M AT H E M AT I K / I N F O R M AT I K PHYSIK Preis der Deutschen Gesellschaft für Geographie e. V. – € 1.000 Preis der Deutschen Mathematiker-Vereinigung e. V. – € 500 Preis der WE-Heraeus-Stiftung – € 250 und Einladung zur GDNÄ-Versammlung Ulrike Mohr [19] Am Ochsenzoll 130 22417 Hamburg Tel.: 040 5277706 63 Gymnasium Heidberg Hamburg Dominik Wrazidlo [18] Grünlingweg 2 69168 Wiesloch Tel.: 06222 52683 80 Manuel Plate [18] Silvanerweg 19 69168 Wiesloch Tel.: 06222 2146 Miriam Backens [18] Heidebruchstraße 113 66424 Homburg Tel.: 06841 68336 PHYSIK Preis der Deutschen Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung e. V. – € 500 81 Landesschule Pforta Schulpforte Ottheinrich-Gymnasium Wiesloch Max Gilljohann [20] Im Dorffeld 11 42799 Leichlingen Tel.: 02175 169497 85 Karoline Selbach [19] Benninghausen 14 a 51399 Burscheid Tel.: 02174 62703 PHYSIK PHYSIK Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft e. V. – € 500 Einladung des Gouverneurs von West Virginia zu einem Forschungscamp Marc Homeyer [16] Am Vogelsang 9 15377 Waldsieversdorf Tel.: 033433 57658 86 Katholische Oberschule Bernhardinum Fürstenwalde Anna Lena Müller [18] Odenthaler Straße 37 c 51375 Leverkusen Tel.: 0214 54848 Felix Kreyer [17] Schmaler Weg 8 34266 Niestetal Tel.: 0561 527049 89 Rico Janusch [17] Birkenkopfstraße 10 34132 Kassel Tel.: 0561 7664967 PhysikClub Kassel Landrat-Lucas-Gymnasium Leverkusen Hamburg Baden-Württemberg Sachsen-Anhalt Nordrhein-Westfalen Brandenburg Hessen ERKENNTNIS AUS DEM BODEN M AT H E M AT I K M I T FOLGEN D I E S U C H E N A C H E . T. MÜNZE UNTER DER NANOLUPE ENERGIEVERSCHWENDUNG WARUM TÖNE LEUCHTEN // Die Ebene von Catania – Analysen zur Bewertung von Bodengenese und Bodenfruchtbarkeit // Der Zusammenhang zwischen Folgengliederdifferenzen von Zahlenfolgen und ganzrationalen Funktionen // Extraterrestrisches Leben – Fantasie oder reelle Möglichkeit? // Entwicklung eines kapazitiven Rasterkraftmikroskops // Wärmeuntersuchungen an unserer Schule Bernhardinum // Hochfrequenz-Sonolumineszenz Die Ebene von Catania liegt zwischen Ätna, den Monti Iblei, einem älteren Vulkangebiet, und den Kalkgebirgen Siziliens. Sie gilt seit jeher als eine der fruchtbarsten Regionen des Mittelmeerraums, wird aber landwirtschaftlich nur extensiv genutzt. Wie fruchtbar ist der Boden dieser Region wirklich? Dieser Frage wollte Ulrike Mohr buchstäblich auf den Grund gehen und schloss mithilfe eines Bohrstocks zahlreiche Bodenprofile der Gegend auf. Die daraus entnommenen Proben untersuchte sie im Labor auf den Nährstoffgehalt. Aufgrund ihrer Ergebnisse kommt die junge Forscherin zu dem Schluss, dass die Ebene von Catania mäßig bis sehr fruchtbar ist. Im Frühling, Herbst und Winter ist nahezu jede landwirtschaftliche Nutzung möglich. Lediglich der im Sommer ausbleibende Regen begrenzt die Nutzung der Ebene. Für den Anbau in der heißen Jahreszeit präsentiert Ulrike Mohr nützliche Tipps. 1,4,9,16, ... welche Zahl kommt als nächste? Na klar: 25, sie ist das Quadrat der Zahl 5. Zahlenkolonnen dieser Art bezeichnet man in der Mathematik als Folgen. Mit ähnlichen, wenn auch komplexeren Gebilden haben sich Dominik Wrazidlo und Manuel Plate befasst. Dabei durchforsteten sie die Zahlenfolgen nach versteckten Regelmäßigkeiten: Zum Beispiel analysierten die beiden Nachwuchsmathematiker, um welchen Betrag sich die benachbarten Glieder einer Folge unterscheiden. Aus diesen Differenzbeträgen konstruierten sie dann neue Folgen, die – so das Ergebnis der Arbeit – interessante Parallelen zu der ursprünglichen Folge zeigen. Es müssen ja nicht gleich die kleinen grünen Männchen vom Mars sein. Dennoch: Die Frage, ob es Leben auf anderen Planeten gibt, fasziniert die Menschen seit jeher – besonders, nachdem Astronomen vor etwa zehn Jahren die ersten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckten. Ob auf diesen sogenannten Exoplaneten Leben möglich ist, untersuchte Miriam Backens mit wissenschaftlicher Akribie und der Unterstützung des Computers. Ihr Ergebnis: Viele der bislang entdeckten Exoplaneten sind sehr wahrscheinlich unbewohnbar. Ihre Planetenbahnen sind – so zeigen die Analysen der jungen Forscherin – viel zu instabil und unstet, als dass sich auf ihnen Leben entwickeln könnte. Einige wenige Himmelskörper aber kreisen ähnlich stabil um ihre Zentralgestirne wie die Erde um die Sonne und könnten zumindest im Prinzip bewohnbar sein. Es funktioniert fast so wie der gute alte Plattenspieler: Beim Rasterkraftmikroskop tastet eine feine Spitze die Oberfläche einer Probe ab – ähnlich wie die Diamantnadel des Tonabnehmers über das Vinyl fährt. Erfunden in den 1980er Jahren hat sich das Rasterkraftmikroskop als wichtiges Werkzeug der Nanotechnologie etabliert – denn es vermag feinste Nanostrukturen sichtbar zu machen. Max Gilljohann, Karoline Selbach und Anna Lena Müller haben ihr eigenes Kraftmikroskop gebaut. Im Gegensatz zu üblichen Geräten nutzt es keinen Laser, um die Bewegung der Tastspitze zu messen, sondern – viel einfacher – einen elektrischen Kondensator. Das Ergebnis: Das Mikroskop der drei Jungforscher kann die Oberfläche einer 50-Cent-Münze dreidimensional abtasten und vergrößert sichtbar machen. In der Regel ist es zu warm im Klassenraum. Für Marc Homeyer war diese Erkenntnis der Beginn einer spannenden Untersuchung. Temperaturmessungen, die der Gymnasiast an Schultagen, Wochenenden und während der Ferien anstellte, brachten die Energieverschwendung an den Tag. Die Heizungsanlage war deutlich zu hoch eingestellt. Für angenehme Temperaturen im Gebäude sorgt vor allem das unkoordinierte und zu lange Lüften durch die Schüler. Der Gymnasiast folgerte, dass ein verändertes Lüftungsverhalten zu einer deutlichen Energieeinsparung führen würde. Als energetisch günstigere Alternative empfiehlt Marc Homeyer das Stoßlüften. Nach seinen Berechnungen könnte die Heizungsleistung auf diese Weise so stark reduziert werden, dass sich rund 15 Prozent der Heizkosten sparen ließen. Das Phänomen der Sonolumineszenz, bei dem der Schall ein Leuchten in Flüssigkeiten verursacht, wurde erstmals in den 1930er Jahren von der deutschen Marine entdeckt. Durch die schnelle Bewegung von Schiffsschrauben oder die Wirkung von Ultraschall entsteht ein Unterdruck im Wasser, der eine Blasenbildung auslöst. Steigt der Druck, fallen die Blasen in sich zusammen und geben dabei Energie als schwache Lichtblitze ab. Mittels Ultraschall lassen sich daher Nierensteine zerstören. Felix Kreyer und Rico Janusch untersuchten die Sonolumineszenz erstmals bei höheren Frequenzen. Ein Ergebnis ihrer systematischen Untersuchungen: Alkohol löscht die Lumineszenz – betrunkene Blasen leuchten nicht. 24 25 SONDERPREISE PHYSIK TECHNIK TECHNIK Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft e. V. – € 750 Preis der Heinz und Gisela Friederichs Stiftung – € 1.000 Preis des Bundesministers für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – € 1.500 Timo Stein [16] Kreuznacher Straße 10 14197 Berlin Tel.: 030 56970610 92 Marie-Curie-Oberschule Berlin Dennis Bredemeier [16] Grindelwaldstraße 12 28325 Bremen Tel.: 0421 9589510 95 Hermann-Böse-Gymnasium Bremen Fabian Nickel [18] Loebellestraße 15 14165 Berlin Tel.: 030 86202857 Stefan Döge [19] Eibenweg 28 04316 Leipzig Tel.: 0341 4639842 TECHNIK 96 Beatrice Dittes [17] Damaschkestraße 8 04463 Großpösna Tel.: 03429 789256 Preis des Präsidenten des VDI – € 500 Matthias Kampa [17] Wiedenhofenstraße 8 40595 Düsseldorf Tel.: 0211 7951105 98 Gymnasium Koblenzer Straße Düsseldorf TECHNIK TECHNIK Preis der Deutschen Bundesstiftung Umwelt – € 500 Preis des Präsidenten des VDI – € 1.000 Steve Kretschmar [19] Dorfstraße 57 a 09437 Waldkirchen Tel.: 0162 6985180 100 Elektro-Service Kretschmar Waldkirchen Wilhelm-Ostwald-Gymnasium Leipzig André Schleicher [18] Straße der Frohen Zukunft 29 c 07570 Weida Tel.: 036603 44521 103 Klemens Pätzold [18] Hundhaupten 4 07557 Hundhaupten Tel.: 0365 7730823 Georg-Samuel-Dörffel-Gymnasium Weida Schadow-Gymnasium Berlin Berlin Bremen Sachsen Nordrhein-Westfalen FLÜSSIGE MAGNETEN K L AV I E R S P I E L E N M I T GEFÜHL KOCHEN MIT HOLZGAS SCHWEISSEN ZU GUTEN DAS LICHT MIT KONDITIONEN SPIEGELN BÜNDELN FORTSCHRITT FÜR BASTLER // Untersuchung und Herstellung von Ferrofluiden // Force Feedback Electronic Piano // Entwicklung und Bau eines Holzgaskochers für den Einsatz in Entwicklungsländern // Entwicklung und Bau eines multifunktionellen Mikroplasmaschweißgerätes // Fokussierender Flachkollektor // Eigenbau und Untersuchung einer kostengünstigen CNC-Fräse mit anschließendem Vergleich mit Industriemaschinen Schwarz, flüssig und magnetisch: Es ist eine höchst exotische Stoffklasse, mit der sich Timo Stein und Fabian Nickel befasst haben. Hält man zum Beispiel einen starken Hufeisenmagneten an einen mit solchen Ferrofluiden gefüllten Becher, beult sich deren Oberfläche zu einer Art Stachelmuster aus. Die Erklärung: Die flüssigen Magnete setzen sich aus Nanoteilchen zusammen, die durch eine Schutzschicht vor dem Verklumpen geschützt sind. Die beiden Nachwuchsforscher haben in ihrer Arbeit nicht nur mit kommerziellen Ferrofluiden experimentiert, sondern diese sogar selbst hergestellt: Es gelang ihnen aus Eisensalz, Ölsäure und Ammoniak eine Art Ferro-Gel zu produzieren – eine zähflüssige Substanz, deren Oberfläche in der Nähe von starken Magneten igelähnliche Stacheln ausbildet. Hinter den Tasten des altbekannten Klaviers verbirgt sich eine ausgefeilte Mechanik, an deren Ende ein Hammer gegen eine Saite schlägt und so den Ton erzeugt. Beim elektronischen Klavier, dem Keyboard, hingegen gibt es eine solche Mechanik nicht. Das hat zur Folge, dass auch die Anschlagdynamik fehlt – eine Tatsache, die viele Pianisten bemängeln. Dennis Bredemeier verfolgte die Absicht, den Tastenschlag eines mechanischen Klaviers auf ein Keyboard zu übertragen. Der junge Tüftler konnte mit seiner kostengünstigen Konstruktion eine Verbesserung des Spielgefühls, das für einen Pianisten sehr wichtig ist, erreichen. Durch eine Simulation, die auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruht, wird eine möglichst realistische Anschlagdynamik in Echtzeit berechnet. Kochen über dem offenen Holzfeuer ist in Entwicklungsländern sehr verbreitet. Die damit verbundenen Gesundheitsgefahren sind groß, denn oft mangelt es den Kochstellen an der richtigen Belüftung. Atemwegserkrankungen gehören in diesen Ländern zu den häufigsten Todesursachen. Stefan Döge und Beatrice Dittes suchten nach Alternativen und landeten beim Prinzip der Holzvergasung. Der von ihnen entwickelte Holzgaskocher sorgt für eine deutlich effizientere Verbrennung und gibt erheblich weniger Schadstoffe an die Umgebungsluft ab. Das haben die beiden Gymnasiasten durch Messungen beim Eichamt und bei einem Schornsteinfegerbetrieb überprüft. Das einfache Bauprinzip des Kochers hält zudem die Kosten niedrig und macht ihn damit zur echten Alternative für die schwach entwickelten Regionen der Welt. Neben der Elektronik pflegt Matthias Kampa auch den Modellbau als Hobby. Dabei muss er häufig Metallteile dauerhaft und fest miteinander verbinden. Meistens eignen sich dazu jedoch weder Lötlampe noch Elektrodenschweißgerät besonders gut. Als der junge Modellbauer eines Tages auf das Plasmaschweißen aufmerksam wurde, entschloss er sich, ein solches Gerät, mit dem besonders filigrane Arbeiten möglich sind, selbst zu bauen. Und das mit gutem Grund, denn die handelsüblichen Geräte sind teuer und nicht in erster Linie für den privaten Gebrauch gedacht. Vom Wickeln der Transformatoren bis hin zur Programmierung des Mikroprozessors – alles entwickelte und konstruierte Matthias Kampa selbst. Nach einigen Monaten Arbeit besitzt er nun ein im Vergleich zu handelsüblichen Produkten günstiges Plasmaschweißgerät, das genau seinen Bedürfnissen entspricht. Sonnenkollektoren erzeugen Wärme ohne CO2-Emission. Es handelt sich um eine Technik mit großem Potenzial, aber auch mit entscheidenden Nachteilen wie etwa dem Preis. Eine gute Energieausbeute bieten nämlich nur teure Vakuumkollektoren, die sich zudem nicht in Dachflächen integrieren lassen. Steve Kretschmar setzt auf eine andere Technik. Mit Spiegeln fokussiert sein Kollektor das Sonnenlicht auf eine kleine Fläche und erwärmt das Absorberrohr so stärker als handelsübliche Anlagen. Da die Sonne wandert, hat der junge Forscher ein Antriebs- und Steuerungssystem zum Justieren der Spiegel entwickelt und bereits erfolgreich einen Prototyp gebaut. Der innovative und günstige Kollektor lässt sich zudem problemlos in Dächer einbauen. Wer gern in dem Bereich Elektronik oder Mechanik bastelt, kennt das Problem: Oft scheitern gute Ideen an den richtigen, passgenauen Teilen. Um sie selbst herstellen zu können, fehlt jedoch die notwendige CNC-Fräsmaschine. Für den gelegentlichen Einsatz sind solche Geräte viel zu teuer. Ein Ansporn für André Schleicher und Klemens Pätzold: Sie bauten sich eine CNC-Fräse einfach selbst. Dank einer vorteilhaften und kostengünstigen Konstruktion konnten sie dabei eine Menge Geld sparen. Mit vergleichenden Untersuchungen zeigten die beiden Gymnasiasten, dass sich die Eigenentwicklung durchaus mit professionellen Geräten messen kann. Die Gesamtkosten für ihre Fräsmaschine bleiben weit unter 1.000 Euro. 26 Sachsen Thüringen 27 SONDERPREISE TECHNIK TECHNIK AUSZEICHNUNG DER JUGEND FORSCHT SCHULE 2007 Preis des VDE – € 1.000 Preis der Heinz und Gisela Friederichs Stiftung – € 750 Preis der Ständigen Konferenz der Kultusminister der Länder in der Bundesrepublik Deutschland Jan Stietenroth [18] Lange Straße 59 37120 Bovenden Tel.: 05593 1576 105 Martin Ugidos [16] Höhenstraße 28 54675 Körperich Tel.: 06566 8684 106 Otto-Hahn-Gymnasium Göttingen Staatliches Eifelgymnasium Neuerburg Niedersachsen Rheinland-Pfalz A U S A LT M A C H N E U B I O S P R I T F Ü R S M O FA // Konstruktion einer digitalen Panoramakamera zur Anwendung in Architektur- und Infrarotfotografie // Benzin, nein danke! Die Entwicklung eines Pflanzenölvergasers Der Preis für moderne, digitale Panoramakameras liegt heutzutage im fünfstelligen Bereich. Aus diesem Grund hat es sich Jan Stietenroth zur Aufgabe gemacht, eine preiswerte und zugleich hochwertige digitale Rundumkamera selbst zu entwickeln. Dazu baute er einen handelsüblichen Flachbett-scanner um. Dieser enthält bereits alle wichtigen Bauteile einer Panoramakamera. Die Kamera des Jungforschers lässt sich sowohl für Architektur- und Infrarotfotografie als auch für Landschaftsaufnahmen oder für den Einsatz in Wissenschaft, Industrie sowie Tourismus verwenden. Sie liefert hochwertige Bilder mit einem Bildwinkel von 370° in waagerechter und 190° in senkrechter Richtung. Durch die strenge Zentralperspektive der Bilder kann die Kamera auch für berührungsfreie Vermessungen eingesetzt werden. Erdöl und damit auch Benzin sind endliche Rohstoffe, das weiß jeder. Für Martin Ugidos ist das ein Ansporn zu untersuchen, ob sich Motoren nicht auch mit einem Gas aus Pflanzenöl antreiben lassen. In zwei Kupferkammern erhitzte er Öl, bis brennbare Gase entstanden. Die Gase mischte er dann in zwei Rasenmähervergasern mit Luft und zündete sie in einem Mofamotor. Ergebnis der Testläufe: Mit Brenngas aus Heizöl läuft der Zweitakter rund. Mit Rapsöl dagegen holpert er, da das Pflanzenöl höhere Temperaturen benötigt, um ein brauchbares Antriebsgas zu entwickeln. Allerdings eignet sich Rapsöl hervorragend als Energiequelle im Brenner, was den Verbrauch fossiler Brennstoffe deutlich mindern kann. Heinrich-Hertz-Gymnasium, Berlin-Friedrichshain Rigaer Straße 81/82 10247 Berlin Berlin 28 L A U D AT I O Das Heinrich-Hertz-Gymnasium in Berlin-Friedrichshain hat eine lange naturwissenschaftliche Tradition und versteht es, mit viel Kreativität Schülerinnen und Schüler nachhaltig für Jugend forscht zu begeistern. So dient zum Beispiel eine Kaffeetafel als Ideenschmiede, in der Ehemalige und Aktive gemeinsam mit Externen und Partnern eine Kommunikationsplattform finden. Viele solcher kleinen und nachahmenswerten Maßnahmen integrieren den Wettbewerb in das Schulleben. 29 PREISSTIFTER // jugend forscht 2007 // 42. Bundeswettbewerb jugend forscht ∞ // Stifter der Preise in den Fachgebieten // Stifter der Sonderpreise Bundesminister für Arbeit und Soziales Franz Müntefering Bundespräsident Dr. Horst Köhler Bundeskanzlerin Dr. Angela Merkel Deutsche Forschungsgemeinschaft e. V. [DFG] A R B E I T S W E LT BIOLOGIE CHEMIE GEO- UND RAUMWISSENSCHAFTEN M AT H E M AT I K / I N F O R M AT I K PHYSIK TECHNIK Ernst A. C. Lange-Stiftung, Bremen Bundesministerin für Bildung und Forschung Dr. Annette Schavan Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie e. V. Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Sigmar Gabriel Max-Planck-Gesellschaft e. V. stern Astronomische Gesellschaft e. V. VDI Verein Deutscher Ingenieure e. V. Beiersdorf AG mischen Industrie e. V. Generalinspekteur der Bundeswehr GEO Gesamtverband der Arbeitgeberverbände der Metallund Elektro-Industrie e. V. Gouverneur von West Virginia, U.S.A. Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften Heinz und Gisela Friederichs Stiftung China Association for Science & Technology Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger e. V. Deutsche Bundesstiftung Umwelt Neurowissenschaftliche Gesellschaft e. V. Deutsche Gesellschaft für Geographie e. V. Präsident des VDI Verein Deutscher Ingenieure e. V. Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung e. V. Stiftelsen Stockholm Water Foundation Deutsche Mathematiker-Vereinigung e. V. [DMV] Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. Deutsche Zoologische Gesellschaft e. V. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. [DLR] Eduard-Rhein-Stiftung Ernst A. C. Lange-Stiftung, Bremen Ernst Sobotha Verein zur Förderung der Wasserforschung e. V. Stiftung „Schweizer Jugend forscht” Union deutscher ZONTA-Clubs VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. Verband angestellter Akademiker und leitender Angestellter der chemischen Industrie e. V. [VAA] Verband Deutscher Schulgeographen e. V. Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung Europäische Union Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Che- IMPRESSUM R E D A K T I O N U N D K O O R D I N AT I O N : Astrid Scharnberg, Stiftung Jugend forscht e. V. // Dr. Daniel Giese, Stiftung Jugend forscht e. V. K U R Z FA S S U N G E N : Lena Christiansen, Christa Friedl, Frank Grotelüschen, Dr. Andrea Gruß, Hans-Jörg Munke, Astrid Scharnberg G E S TA LT U N G : GUDBERG Unprinted Media GmbH & Co. KG, Hamburg D R U C K : Walter Zenner GmbH, Hamburg B U N D E S W E T T B E W E R B S L E I T U N G : S T I F T U N G J U G E N D F O R S C H T E . V. Dr. Uta Krautkrämer-Wagner // Baumwall 5 // 20459 Hamburg // Tel.: 040 374709-0 // Fax: 040 374709-99 // [email protected] // www.jugend-forscht.de B U N D E S P AT E N U N T E R N E H M E N : B E I E R S D O R F A G Unnastraße 48 // 20245 Hamburg // Tel.: 040 4909-0 // Fax: 040 4909-2516 // [email protected] // www.beiersdorf.de 30 31
![[14] Blütenschnee in Bremer Parks](http://s1.studylibde.com/store/data/006281127_1-0c643798d5942118668b2f078d2ced65-300x300.png)
