Jugend forscht 2009/10

Schüler vom Max–Born–Gymnasium siegen beim Wettbewerb Jugend experimentiert (bis 14 Jahre) / Jugend forscht (ab 15 Jahre)

Bei einem Grillfest wurden sie auf das Flimmern über dem Feuer aufmerksam, das im Fachjargon Schlieren heißt. Drei Schüler des Max-Born-Gymnasiums haben diese Schlieren genau untersucht und beim Regionalwettbewerb „Jugend forscht“ am Flughafen München mit diesen Untersuchungen den ersten Preis in der Sparte Schüler experimentieren, Fachbereich Physik gewonnen.

Mirko Riedl, Daniel Gruber, und Luis Zollbrecht (v. links), alle 14 Jahre alt, versuchten sie mit starken Lampen sichtbar zu machen und entdeckten, dass diese Schlieren schwache Schatten an der Wand erzeugen.
„Wer aufmerksam beobachte, hat diese Schatten an einem sonnigen Tag schon über den Boden huschen sehen“, erläutert Daniel. Sie sind allerdings schwierig zu beobachten, weil viel Licht, das von keiner Schliere abgelenkt wurde, auf den Boden gelangt und so den Schatten aufhellt.
In ihrer ersten Apparatur veränderten die drei daher ihre Lichtquelle, bis sie möglichst punktförmig, zugleich aber auch sehr hell war, so dass kein Licht an einer Schliere vorbei in deren Schatten fällt. „Beim Fokussieren der Lampe kann es schon passieren, dass die Blende raucht von der eingestrahlten Energie“, berichtet Luis.

In der einschlägigen Literatur haben die drei dann die Schlierenoptik entdeckt, eine Methode, mit der Luftströmungen in der Aerodynamik sichtbar gemacht werden, beispielsweise bei der Entwicklung einer windschlüpfrigen Karosserie. „Der Trick des ausgeklügelten Aufbaus ist, dass das gesamte von Schlieren unbeeinflusste Licht mit einer Schlierenblende aufgefangen wird, so dass der Schirm bei ungestörter Luft komplett dunkel erscheint“, erläutert Mirko. Nur das Licht, das von heißer, dünner Luft abgelenkt wird, umgeht die Schlierenblende und wird auf einen Schirm projiziert. Die Schüler stellten die Schlierenblende mit Tipp-Ex her, das sie auf eine Glasscheibe auftrugen. Viel Arbeit war nötig, um die Apparatur zu optimieren. Zunächst war das Gebiet, das die Jungforscher durchleuchten konnten, nur daumennagelgroß, durch geschickten Einsatz von Linsen und Hohlspiegeln ist dieser Bereich inzwischen groß wie ein Handteller.

„Die Achtklässler benötigten genaue Kenntnisse der Optik um den komplexen Aufbau herstellen zu können“, erläutert Eckart Werner-Forster, ihr Betreuungslehrer. Sie beherrschen ihre Apparatur so gut, dass sie jetzt interessante Luftströmungen untersuchen können. So denken die drei daran, Undichtigkeiten von Fenstern aufzuspüren und wollen der Frage nachgehen, ob Abgase von Autos im Winter rascher aufsteigen und so stärker in die Nase steigen als im Sommer.

Bei einer Vorführung der Apparatur vor ihrer Klasse zeigte sich auch Herr Dr. Christoph vom Fachwissen und der Geschicklichkeit der Jungforscher beeindruckt und überreichte Ihnen eine Anerkennung der Schule.

Mit einem Würfel kann jeder zufällig eine Zahl zwischen 1 und 6 auswählen. Dies mit einer elektronischen Schaltung zu simulieren ist dagegen ein schwieriges Unterfangen. Ein Computer beispielsweise ist darauf getrimmt, niemals zufällige Zustände einzunehmen, schließlich kann ein verlorenes Bit eine ganze Datenreihe unbrauchbar machen. Gerade am Computer werden elektronische Zufallszahlen aber häufig benötigt.
„Er kann den Zufall aber nur simulieren,“ erläutert Silvan Streit (13. Klasse), der in seiner Facharbeit einen echten elektronischen Zufallsgenerator aufgebaut hat. Mit einem geschickten Aufbau hält er eine sogenannte Zenerdiode genau an der Spannungskante, wo sie leitend wird. Wird zufällig ein Elektron ausgelöst, so reißt dieses in einer Kaskade viele weitere mit – ein Verstärker und ein Wandler machen dies als Zufallszahl sichtbar. „Ob das erste Elektron ausgelöst wird oder nicht, ist ein Quanteneffekt und daher ein völlig zufälliges Ereignis“. Silvan hat diese Zahlen, die in rascher Folge erzeugt werden, einer großen Anzahl von stochastischen Test unterworfen – sie zeigen eine gute bis sehr gute Qualität, wie er berichtet. Handystrahlung konnte ihre Güte zunächst stark beeinflussen, inzwischen ist das grüne, zigarettenschachtelgroße Gerät aber abgeschirmt.

Zur besseren Veranschaulichung hat er die Zufallszahlen in ästhetische Farbverteilungen umgewandelt, mit denen er seinen Stand beim Jugend-forscht-Wettbewerb schmückte. Die Jury belohnte diese Arbeit mit einem Sonderpreis des Fraunhoferinstitutes.

(Eckart Werner-Forster)