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Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technologie bieten viele spannende Themenbereiche. MINT-Fächer bestehen nicht nur aus "trockenen" Definitionen, die auswendig zu lernen sind. Naturwissenschaftliche Fächer dienen eher der experimentellen Erforschung, messender Erfassung und Anwendungen, wie z.B. um eine Miniaturisierung von elektronischen Schaltern zu erreichen oder lokale und globale Umweltprobleme zu lösen.

Im folgenden finden sich einige interessante Teilbereiche aus den MINT-Fächern, die auch zeigen, wie eng die einzelnen Fächer miteinander verbunden sind. Ohne CAD-Anwendungen (Computer Aided Design = Konstruktion von Volumen-Modellen mit Hilfe von Computer) wäre ein "3D-Druck" mit Hilfe "3D-Druckern" nicht möglich. Umweltfreundliche Mobilität (z.B. Brennstoffzelle), Elektromobilität - wäre ohne die Anwendung von Katalysatoren nicht möglich. Für die Oberflächenbeschaffenheit eines Katalysators benötigt man Analyse- und anschließend auch Auswertmethoden, wobei im Bereich der Oberflächenanalytik immer wieder auf die sog "bildgebenden Verfahren" zurückgegriffen wird. Das für einen 3D-Druck nicht nur CAD-Anwendungen benötigt werden, sondern eben auch "Druckmaterial" wie geeignete Kunststoffe zeigt auch hier wieder die große Vielfalt der Naturwissenschaften. Zudem wäre die Entwicklung eines 3D-Druckers ohne Grundkenntnisse in Elektrotechnik schwer vorstellbar.


 

Bildgebende Verfahren in den Naturwissenschaften
 

In der modernen modernen Naturwissenschaften stehen heute viele verschiedene bildgebende Verfahren zur Verfügung und kommen hauptsächlich in den Materialeigenschaften und Medizin zur Anwendung. Ziel ist immer, eine physikalische Größe wie z.B. Absorption von elektromagnetischer Strahlung in ein "Bild" umzuwandeln.
Anwendungsbeispiel Röntgenstrahlung
Die Röntgenstrahlenabsorption ist proportional zur Elektronendichte und abhängig vom absorbierenden Material. Somit lassen sich z.B. Knochenbrüche "diagnostizieren". Erklären lässt sich dies dadurch, das Körpergewebe unterschiedlich beschaffen ist (Dichte). Aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit wird Röntgenstrahlung unterschiedlich stark absorbiert, d.h gelangen gut durch das Körpergewebe hindurch. So erscheinen Knochen auf einer Röntgenaufnahme eher hell, da sie die Röntgenstrahlung absorbieren und deshalb kaum noch Röntgenstrahlung auf den Detektor trifft. Dagegen erscheinen Hohlräume im Körpergewebe bei der Röntgenaufnahme als dunkle Stellen, da sie die Röntgentrahlen nahezu ungehindert durchlassen und am Detekor gemessen werden.

Oberflächenanalytik:
Man muss aber nicht immer elektromagnetische Wellen (Licht- oder Röntgenstrahlung) auf eine Oberfläche "strahlen", man kann z.B. die Strahlung einer Oberfläche messen. Alle Oberflächen strahlen elektromagentische Wellen ab, wobei in der Regel gilt, dass je höher die Temperatur der Oberfläche ist, desto mehr wird die Wellenlänge der elektromagentische Welle in den Bereich des sichtbaren Lichtes geschoben. So kann man die Strahlung ab einer gewissen Temperatur (in der Regel über 500 °C)  als sichtbares Licht mit den eigenen Augen wahrnehmen. Bei "Raumtemperatur" "liegt" der Bereich der elektromagentischen Strahlung im tiefen Infrarot. Da die Frequenz des Infrarotlicht von der Temperatur abhängt, kann durch die Messung der "Strahlung" die Oberflächentemperatur bestimmt werden.
 
 

                  

Thermogramm des Betreuers von Lernort-Mint                           Oberflächenanalyse im nm-Bereich







CAx-Technologie in den Naturwissenschaften

Eine weitere interessante Anwendung in den Naturwissenschaften ist das Konstruieren mit Computersystemen. Die CAx-Technolgien dienen aber nicht nur der "Visualisierung" eines Produktes, sondern dienen auch zum Simulieren, wie sich ein Produkt bei bestimmten Bedingungen verhält. Die bekanntesten CAx-Programme sind Catia, Pro/Engineer, Unigraphics, I-DEAS und SolidWorks.
Eine große Bedeutung von CAD-Programmen begründet sich in der Möglichkeit, virtuelle Modelle dreidimensionaler Objekte mit Hilfe eines Computers zu entwickeln. Der Vorteil gegenüber der "Zeichenplatte" liegt in der Möglichkeit, Objekte ändern oder löschen zu können. Zusätzlich vereinfachen CAD-Programme das "Zeichnen von Objekten" beispielsweise durch das  automatische Zeichnen von Hilfslinien.
Die CAx-Technolgie entwickelt sich inzwischen weiter, so bieten fast alle CAD-Programme auch Simulationen und finden zunehmend Anwendung in der Werkstoffentwicklung ein. So lässt sich beispielsweise ein kompletter Prozess (Vorgang in Motoren) oder der Strömungsverlauf oder die Zugspannung von Objekten.

                                 Konstruktion eines Thermogeneartors (mit Solidworks)                            FEA-Simulation
 
 

Anwendung des Thermogenerators: siehe Video






Elektromobilität und umweltfreundliche Mobilität

Die Elektromobilität gilt als die Lösung zu einer umweltverträglichen Mobilität, deren Hauptvorteile in der Effizienzverbesserungen (der nutzbaren Leistung) sowie die Nutzung regenerativer Kraftstoffe liegt. Die Effizienzsteigerung liegt v.a. im hohen Wirkungsgrad von Elektromotoren (bis zu 90%) im Vergleich mit Otto- und Dieselmotoren (bis zu 50%). Die Problematik bei Elektrofahrzeugen liegt aber nicht nur an den hohen Kosten (die vor allem an den teuren Batterien liegen), sondern auch vor allem an "technischen Problemen". So darf ein Akkumulator (inzwischen Lithium-Ionen-Akkus) bei einem Unfall nicht explodieren und muss eine ausreichend lange Lebensdauer gewährtleistet sein. 
Verwendung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren
Dabei stellt sich natürlich die Frage, warum es gerade Lithium-Ionen-Akkus sein müssen. Die Antwort ist relativ einfach
  • Bei Lithium-Ionen-Akkus spielt es kaum eine Rolle in welchen Zustand (leer, halbleer) sie geladen werden (-> kein Memory-Effekt).
  • Lithium-Ionen-Akkus enthalten keine giftigen Substanzen wie Blei, Cadmium oder Quecksilber.
  • Die Energiedichte eines Lithium-Ionen-Akks ist höher als bei anderen Akkus (z.B. doppelt so hoch wie die Energiedichte des Nickel-Cadmium-Akkumulators) 
Problematik der Lithium-Ionen-Akkus v.a. in Elektrofahrzeugen
  • In der Regel haben Lithium-Ionnen-Akkus eine "Lebensdauer" von etwa 5 bis 10 Jahre. Bei sehr starker Nutzung des Akkus kann die Leistungsfähigkeit auch schon deutlich früher als 5 Jahre nachlassen und somit in der Fahrzeugtechnik unrentabel werden.
  • "Leistungsabfall" des Lithium-Ionen-Akkumulator bei niedrigen Temperaturen. So lies sich die Temperaturabhängigkeit des Akkus (in einer einfachen Studie des Webbetreuers an der AFS) durch die Bestimmung der Ladeenergie und der genutzten mechanischen Bewegungsenergie bei unterschiedlichen Temperaturen nachweisen. Dabei zeigte suich, dass der Wirkungsgrad um 30% bei Temperaturänderung von 20°C auf 5°C (steigender Innenwiderstand des Li-Akku aufgrund der zunehmenden Viskosität der Elektrolyte).

Messung der Ladeenergie

Anwendung der Brennstoffzelle
Ebenfalls galt/gilt die Brennstoffzelle als Möglichkeit in der umweltfreundlichen Mobilität. Die Brennstoffzelle als Energiewandler wandelt dabei chemische in elektrische Energie um. Dies passiert in Form eine (katalysierten) Redoxreaktion, wobei meist Wasserstoff und Sauerstoff verwendet wird. Aufgrund der ständig fortschreitenden Entwicklung erhält man (Modell)- Brennstoffzellen relativ günstig. Damit lassen sich beispielsweise Modellautos betreiben. 


Batteriebetriebene Brennstoffzelle mit Anschluss an ein Modellauto

Die Erzeugung der Brenngase (Wasserstoff und Sauerstoff) lässt sich aber nicht nur durch "Energiezufuhr" aus Batterien oder Akkus erzeugen, sondern auch durch Kombination einer Brennstoffzelle und einer Solarzelle. So kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden und der Brennstoffzelle (kontinuierlich) zugeführt werden.
 

Anwendung in der Automobiltechnik:
Ein Hindernis bisher ist der Aggregatzustand der Brenngase (Wasserstoff und Sauerstoff), die noch nicht effizient gelagert werden können. Eine Lösung dazu wäre die Anwendung der katalytischen Partialoxidation (Kurzform: CPOX), wobei aus Feststoffen oder Flüssigkeiten kontinuierlich Wasserstoff freigesetzt werden. Dabei werden in einer katalysierten Reaktion Kohlenwasserstoffe zu molekularem Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt:

CxHy + x/2 O2 -> x CO + y/2 H2

Zum Vergleich: Aus einer Menge von 1,6 Liter flüssigem Ottokraftstoff (C8H18) lassen sich durch die Partialoxidation ca. 1.000 Liter gasförmiger Wasserstoff erzeugen und spart somit ein großes Volumen ein.

In "eigenen" Forschungen zur Anwendung von Feststoffen bzw. Flüssigkeiten (in situ Erzeugung von Wasserstoff) in Brennstoffzellen lies sich folgendes feststellen: Es ist möglich, aus Feststoffen bzw. Flüssigkeiten in situ Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen und damit eine Brennstoffzelle zu betreiben, allerdings

  • Prozess ist für eine wirtschaftlich sinnvolle Anwendung zu teuer.
  • Wirkungsgrad liegt etwas unter dem "normalen" Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle, was sich durch den komplexen Aufbau des Gesamtsystems erklären lässt.
  • Bei der Erzeugung der Brenngase fallen "chemische Abfälle" an, die schwer recyclebar sind

Entwicklung und Präsentation einer Brennstoffzelle auf einer VDI-Tagung
(Donau-Anzeiger 11.08.2011)







Möglichkeiten eines 3D-Druckers:
Der "3-Drucker" ist ebenfalls wie die Elektromobilität ein herausforderndes Thema. Die Möglichkeiten der Anwendung sind bisher noch nicht absehbar (vom einfachen Druck bis hin zum Druck eines Organes). 

In eigenen Untersuchungen zum effizienten Bau eines "3D-Druckers" wurden auch die Anwendungsmöglichkeiten erforscht, dabei Alltagsgegenstände (z.B Spielwürfel, Spielfiguren, Zahnräder) "ausgedruckt". Im Rahmen der "Forschung" wurde auch die Einsatzmöglichkeit von biologisch abbaubaren Kunststoffen wie z.B. Polymilchsäuren untersucht.
 



3D-Drucker


 





Molecular Modelling
Ein weiteres interessantes Thema im Bereich MINT-Fächer ist die Erforschung von Mikrostrukturen ("Atomaufbau", "Wechselwirkung der Teilchen untereinander") und die daraus resultierenden Eigenschaften in der Makrowelt (die physikalische Eigenschaften eines Stoffes wie z.B. Aggregatzustand werden durch die intermolekularen Kräfte bestimmt, aber auch Eigenschaften wie Farbe lassen sich durch den molekularen Aufbau einer Verbindung erklären bzw. ändern).

So findet sich eine breite Anwendung, v.a. in der chemischen Analytik beispielsweise bilden einige organische Verbindungen mit Schwermetallen gefärbte "Komplexe". Durch gezielte Veränderung der Struktur lassen sich z.B. Indikatoren für eine bestimmte Verbindungsklasse herstellen und so beispielsweise Umweltschäden schnell zu erkennen.


nasschemische Analytik


 
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