Revolutionäre Solarstraßen bleiben, laut den Entwicklern, schneefrei und können bei Betätigung eines Schalters in Parkplätze oder Sportplätze verwandelt werden. Schülerinnen und Schüler sollen bei dieser Unterrichtseinheit einschätzen, ob Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollten.Über eine Crowdfunding-Website wurden kürzlich mehr als zwei Millionen US Dollar für die Finanzierung von Solarstraßen gespendet. Die Schülerinnen und Schüler sollen bei dieser Unterrichtseinheit einschätzen, ob Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollten. Sie sollen Behauptungen mittels Argumentationen und Beweisen beurteilen und ihr Wissen über die Erzeugung von Elektrizität in Solarzellen nutzen, um eine Entscheidung zu treffen. Bezug zum Lehrplan Wissenschaftliches Arbeiten: Auf Objektivität achten Entwicklung wissenschaftlichen Denkens: Entscheidungen treffen auf Grundlage der Bewertung von Beweisen und Argumenten Physik: Energie: Erneuerbare Energiequellen, die auf der Erde genutzt werden Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Solarstraßen" Der Ablauf der Unterrichtssequenz "Solarstraßen" ist auf dieser Seite übersichtlich für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler beurteilen Behauptungen mittels Argumentationen, Beweisen und wissenschaftlichen Erkenntnissen. lernen, wie Lichtwellen Elektrizität in Solarzellen erzeugen. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben. Problemstellung Zeigen Sie das Fundraising-Video "Solar Freakin' Roadways" von Beginn bis Minute 2:12. Zeigen Sie Folie 4 der PowerPoint-Präsentation und betonen Sie, dass die Spendenaktion aufgrund der Behauptungen im Video immense Geldsummen eingebracht hat. Sind diese Behauptungen tatsächlich überzeugend? Ist das Projekt für den Bau von Solarstraßen der Spenden wert? Wissenschaftliche Belege Zeigen Sie erneut das Video und bitten Sie die Schülerinnen und Schüler, die aufgestellten Behauptungen herauszuarbeiten. Bitten Sie um Feedback und teilen Sie den Lernenden mit, dass sie sich jetzt auf die folgenden drei Behauptungen konzentrieren sollen: Sonnenlicht kann in Elektrizität umgewandelt werden; Solarzellen halten Straßen eisfrei; die erzeugte Elektrizität wird LED Fahrbahnmarkierungen mit Strom versorgen. Zeigen Sie Folie 5 der PPT. Die Schülerinnen und Schüler sollen paarweise die Beweise auf Folie 5 der PPT (SI1 und SI2) durcharbeiten und die Aufgaben auf der Folie lösen. Behauptung 1: AY, DV, BW, EX, CZ. Die Behauptung wird durch den Beweis gestützt. Behauptung 2: Der Schnee und die Heizmatten blockieren die Lichtwellen der Sonne. So können die Lichtwellen nicht auf die Solarzellen auftreffen und daher wird keine Elektrizität erzeugt. Die Behauptung wird nicht durch den Beweis gestützt. Behauptung 3: Die Solarpanels erzeugen 100 W/m². Eine LED benötigt 20 W/m², was bedeutet, es wäre genug Elektrizität vorhanden, um die Fahrbahnmarkierungen mit Strom zu versorgen. Jedoch werden die LEDs nachts nicht leuchten. Option 1 Bitten Sie um ein kurzes Feedback, um die Wahrheit hinter jeder Behauptung herleiten zu können. Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler wählen, um eine Entscheidung in der Klasse herbeizuführen, ob der Bau von Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollte. Option 2 Die Lernenden folgen den Vorgaben auf Folie 7 der PPT, um ihre Entscheidung schriftlich darzulegen und zu erklären, ob der Bau von Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollte. Zudem sollen sie Beispiele nennen, wo wir bereits Solarzellen anwenden. Zeigen Sie Folie 8 der PPT, um die Schüler bei diesem Teil der Aufgabe zu unterstützen. Option 3 Die Schülerinnen und Schüler produzieren kurze Videos als Antwort auf das "Solar Freakin' Roadway" Video. In diesen sollte wiederum jede Behauptung untersucht und die Entscheidung zur folgenden Frage kommuniziert werden: Soll der Bau von Solarstraßen finanziell unterstützt werden? In ihren Videos sollen sie zusätzlich Beispiele nennen, wo wir bereits Solarzellen anwenden. Zeigen Sie Folie 7 der PPT, um die Schüler bei diesem Teil der Aufgabe zu unterstützen. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben.

Flexible Stromnetze, in denen die Schwankungen zwischen Angebot und Nachfrage ausgeglichen werden, gelten als die Entwicklung der Zukunft. Welche Herausforderungen sind mit dieser intelligenten Steuerung verbunden?Die zunehmende Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien hat zur Folge, dass die Abstimmung zwischen Stromangebot und -nachfrage schwieriger wird. Schließlich ist das Energieangebot beispielsweise von Solar- und Windkraftanlagen schwankend und nicht immer exakt vorherzusagen. Hier greift das Konzept der Intelligenten Stromnetze, bei dem Stromerzeugung und -verbrauch in einem sich selbst überwachenden System besser gesteuert werden sollen. Ziel ist eine Erhöhung der Energieeffizienz bei einer Verringerung der Treibhausgasemission.Die Lernenden bearbeiten die Arbeitsaufträge auf dem Arbeitsblatt. Dabei sind zur Unterstützung einige Quellen aus dem Internet angegeben. Eine animierte Grafik kann optional als Einstieg in die Thematik dienen. Die Schülerinnen und Schüler können sich allein oder in Gruppenarbeit mit dem Thema beschäftigen. Elemente eines Smart Grid Ein intelligentes Stromnetz ist durch dezentrale Energieerzeugung gekennzeichnet, dessen Bestandteile miteinander kommunizieren. Die Schülerinnen und Schüler sollen verstehen, wie ein Smart Grid aufgebaut ist und wie damit eine höhere Energieeffizienz erreicht werden kann. nachvollziehen, wie sich die Rollen der Akteure in einem Smart Grid ändern. sich mit den Vorteilen und Herausforderungen beschäftigen, die mit der Einführung intelligenter Stromnetze verbunden sind. Thema Smart Grids - Intelligente Stromnetze Autor Antje Schmidt Fach Physik, Geographie, Politik/SoWi Zielgruppe ab Klasse 10 Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Internetzugang (am besten für je 2 Personen), Beamer Stromproduktion und -verbrauch optimieren Ziel ist es, mithilfe von Smart Grids vorhandene Ressourcen effizienter und kostengünstiger zu nutzen. Insbesondere seit zunehmend Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt und eingespeist wird, ist die Regelung und der optimale Netzbetrieb schwieriger geworden. Smart Grids sollen also die Schwankungen zwischen Angebot und Nachfrage ausgleichen. Die notwendige Infrastruktur dazu muss allerdings noch aufgebaut werden. dezentrale Energieerzeugung Zwei-Kanal-Kommunikation Intelligente Stromzähler (Smart Meter) Rolle der Akteure verändert sich Die Endverbraucherinnen und -verbraucher können ihren Energieverbrauch mithilfe von Smart Metern besser überwachen und steuern. Zudem können sie selbst in das Stromnetz einspeisen (beispielsweise aus einer privaten Fotovoltaikanlage auf dem Dach oder aus dem Speicher des Elektroautos) und damit zu Stromproduzenten werden. Steigerung der Energieeffizienz durch Verschiebung von Lastspitzen in verbrauchsarme Zeiten und Füllen von Lasttälern Verbraucherinnen und Verbraucher können selbst entscheiden, wann sie bestimmte Geräte einschalten, um günstige Tarife auszunutzen Da die Daten zum Stromverbrauch über das Internet an die Netzbetreiber geleitet werden, stellt sich die Frage nach der Datensicherheit in solchen Systemen. Ebenso fraglich ist das tatsächliche Einsparpotenzial durch intelligente Stromzähler. Wie viel lässt sich durch die Verlagerung des Stromverbrauchs bestimmter Geräte in Zeiten mit günstigeren Tarifen tatsächlich einsparen? Zu berücksichtigen sind hierbei auch die Kosten und jährlichen Gebühren für den neuen intelligenten Zähler. Letztlich eignen sich nicht alle Haushaltsgeräte für die Steuerung durch intelligente Zähler. Wer gerade geduscht hat und einen Fön benötigt oder um eine bestimmte Zeit kochen muss, wird diese Nutzung nicht wegen eines möglicherweise günstigeren Tarifes um Stunden verschieben wollen oder können. Hier bieten sich Diskussionsansätze, mit denen sich die Schülerinnen und Schüler kritisch auseinandersetzen können. Die flächendeckende Realisierung von Smart Grids wird noch einige Jahrzehnte in Anspruch nehmen. Dies beinhaltet sowohl den Aufbau einer IT-Infrastruktur als auch den Ausbau des Stromnetzes an die zukünftigen Erfordernisse. Dafür werden Investitionen in Milliardenhöhe notwendig. Wenn das "kluge" Stromnetz Realität wird, kann der produzierte Strom tatsächlich effizienter genutzt werden. Und das Ziel, den Anteil erneuerbarer Energien bis 2020 auf 30 Prozent anzuheben, erscheint ohne ein Smart Grid kaum umsetzbar.

Der Ausbau erneuerbarer Energien macht gleichzeitig auch die Weiterentwicklung von Speichertechnologien notwendig, da Stromproduktion und Stromnachfrage im Zeitverlauf schwanken. Gerade beim Thema Erneuerbare Energien spielen Speichertechnologien eine bedeutsame Rolle. Denn häufig ist die Menge der Stromproduktion aus Solar- oder Windkraft nicht genau vorhersehbar und entspricht nicht immer der Nachfrage. Speichertechnologien sind aus diesem wichtig, um überschüssigen Strom (beispielsweise bei starkem Wind) zwischenzuspeichern und in Zeiten höherer Nachfrage in das Netz einzuspeisen. Ohne sie erscheint ein weiterer Ausbau Erneuerbarer Energien kaum denkbar. Ziel dieser Unterrichtseinheit ist es, den Schülerinnen und Schülern zu vermitteln, dass der Ausbau erneuerbarer Energien ebenso eine parallele Weiterentwicklung von Möglichkeiten zur Energiespeicherung erfordert. Die Lernenden sollen im Internet verschiedene Speicherformen und ihre Funktionsweise recherchieren und die Ergebnisse dann im Plenum präsentieren. Energiespeicher in Stromversorgungssystemen Der Text des VDE bietet zusammenfassende Informationen zu verschiedenen Formen von Energiespeichern und kann als Ausgangsbasis für die Internetrecherche dienen. Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen, dass Stromversorgungssysteme mit einem hohen Anteil an regenerativen Energien wie Solar- oder Windkraft aufgrund des schwankenden Angebots Energiespeicher benötigen. im Internet Informationen zu Energiespeichern recherchieren und dabei verschiedene Energieformen unterscheiden (mechanisch, chemisch). in Partner- oder Gruppenarbeit das Funktionsprinzip einzelner Speichertechnologien genauer erarbeiten. ihre Ergebnisse den Mitschülerinnen und Mitschülern in geeigneter Form präsentieren. Thema Energiespeicher in Stromversorgungssystemen Autor Antje Schmidt Fach Physik, Technik Zielgruppe Klasse 8 bis 10 Zeitraum 2-3 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetzugang (im Idealfall ein Computer für 2 Personen) In einem Stromversorgungsnetz muss die erzeugte Leistung zu jeder Zeit dem Bedarf entsprechen. Insbesondere die meisten erneuerbaren Energien (Wind, Sonne, Laufwasser) sind jedoch nicht gleichmäßig verfügbar. Zudem werden keine Vorräte gebildet, und sie sind in ihrer Intensität im Voraus nicht exakt planbar. Daher stellt sich die Herausforderung, wie mit Schwankungen zwischen Stromangebot und -nachfrage umzugehen ist. Erforderlich sind flexible Lösungen, die kurzfristig Ausgleich schaffen können. Geplant ist der Ausbau erneuerbarer Energien bis 2020 auf bis zu 40 % der gesamten Stromerzeugung. Dies kann bei einem Überangebot (zum Beispiel bei Starkwind) dazu führen, dass thermische Kraftwerke zum Ausgleich gedrosselt oder abgeschaltet werden müssen, da erneuerbare Energien als CO 2 -freie Energiequelle Vorrang haben. Wenn solche thermischen Kraftwerke nur im Teillastbetrieb laufen, erhöhen sich der Verschleiß und die Aufwendungen für Wartung und Instandhaltung. Insgesamt sind dadurch steigende Stromerzeugungskosten zu erwarten. Ideal wäre es daher, Speichermöglichkeiten für Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu haben, um den Strom dann abzurufen, wenn er gebraucht wird und Angebotsschwankungen abzufedern. Solche Energiespeicher können einen Überschuss an erzeugter Energie für einige Tage oder Wochen zwischenspeichern. Prinzipiell sind solche Technologien verfügbar, jedoch sind bis zur Marktreife noch hohe Investitionen für Forschung und Entwicklung erforderlich. Im Folgenden werden einige Speichertechnologien vorgestellt. Diese Wasserkraftwerke verbinden zwei Wasserbecken unterschiedlicher Höhe. Ist das Angebot an elektrischer Energie größer als die Nachfrage (in der Regel nachts), kann der Überschuss an Energie genutzt werden, um Wasser aus dem unteren Becken in das obere Becken zu pumpen. Bei Bedarf lässt man das Wasser zurück in das untere Becken fließen und so eine Turbine antreiben. Der mit der Turbine verbundene Motor-Generator kann dann die gespeicherte Energie wieder in Elektrizität wandeln und in das Stromnetz einspeisen. Der Wirkungsgrad liegt derzeit im Bereich 70 bis 80 %, da zum Hochpumpen mehr Energie benötigt wird als beim Herunterfließen des Wassers wieder gewonnen werden kann. Im Vergleich zu anderen Speichertechnologien ist die Leistung deutlich höher und die Generatoren können etwa 4 bis 8 Stunden Strom erzeugen. Pumpspeicher sind jedoch an bestimmte topografische Voraussetzungen gebunden. Abgesehen von den Landschaftseingriffen beim Bau solcher Anlagen sind geeignete Standorte in der Regel zu weit entfernt von Gebieten mit hohem Windpotenzial wie Küstengegenden. Diese auch als CAES-Kraftwerke bezeichneten Energiespeicher (CAES = Compressed Air Energy Storage) arbeiten nach dem Prinzip, ein Luftreservoir in einer unterirdischen Kaverne (meist ein ausgehöhlter Salzstock) zu verdichten. In Spitzenzeiten wird die so gespeicherte Energie zum Antrieb von Gasturbinen genutzt, indem man die komprimierte Luft sich wieder ausdehnen lässt. Eine solche Anlage dient im Wesentlichen zur Netzregelung, da sie zur Abfederung von Spitzenlasten eingesetzt wird. Ein wichtiges Merkmal ist die Fähigkeit, das ein solches Werk schnell gestartet werden kann (innerhalb von Minuten stehen 100 % der Leistung zur Verfügung). Weltweit gibt es derzeit zwei diabate CAES-Anlagen, davon eine in den USA und eine in Deutschland. Die deutsche Anlage in norddeutschen Huntorf hat die Aufgabe, Strom in Schwachlastzeiten vom Kernkraftwerk Unterweser zwischenzuspeichern. Daneben sichert sie die Stromversorgung des Kernkraftwerks im Fall eines Netzzusammenbruchs ab. Druckluftspeicher sind an bestimmte geologische Voraussetzungen gebunden (Salzstöcke), die in Norddeutschland häufig vorkommen. Damit können sie als Speicher für den weiteren Ausbau von Windkraftanlagen in der Nordsee dienen und zukünftig eine größere Bedeutung erlangen. Um elektrische Energie über längere Zeit zu speichern (mehrere Tage bis Wochen), kommen Systeme infrage, die Wasserstoff als Energieträger nutzen. Dazu wird mithilfe von Elektrolyse überschüssige elektrische Energie in Wasserstoff gewandelt, der dann verdichtet und in unterirdischen Kavernen gespeichert werden kann. Somit bieten insbesondere Wasserstoffspeicher die technische Möglichkeit, fluktuierende erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind bei Bedarf auszugleichen. Aufgrund der höheren Energiedichte kann mit Wasserstoff in Kavernen im Vergleich zu Druckluftspeichern die 60-fache Nutz-Energiemenge gespeichert werden. Wasserstoff-Speichersysteme bieten zwei Vorteile: zum einen eignen sie sich für Szenarien, bei denen die Energie relativ selten, das heißt im Schnitt weniger als einmal pro Woche, benötigt wird. Zum anderen muss der Wasserstoff nicht zwingend in elektrische Energie zurückgewandelt werden, sondern es ist auch eine direkte Nutzung des Wasserstoffs etwa als Fahrzeugantrieb (Brennstoffzellen) oder in der industriellen Produktion denkbar. Grob lassen sich elektrochemische Speicher in zwei Gruppen einteilen: mit internem und mit externem Speicher. Zur ersten Gruppe zählen übliche Batterien für tragbare Geräte wie Laptops, Handys oder MP3-Player. In diesen Systemen wird die Energie dort gespeichert, wo auch die elektrochemische Reaktion stattfindet. Bei Systemen mit externem Speicher kann das Speichermedium getrennt der Reaktionseinheit gelagert werden, beide können unabhängig voneinander dimensioniert werden. Blei-Säure-Akkumulatoren Sie finden derzeit die größte Verwendung. Genutzt werden sie als Starterbatterien in Verbrennungsmotoren, als Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen sowie für die Notstromversorgung. Im Bereich erneuerbare Energien dienen Blei-Säure-Akkumulatoren als Zwischenspeicher für Photovoltaik- oder Windkraftanlagen. Lithium-Ionen-Batterien Schon seit einiger Zeit werden Lithium-Batterien erfolgreich in Laptops und Handys als Energiespeicher genutzt. Ihr Vorteil liegt in einer geringen Selbstentladungsrate und einer hohen Energiedichte. Sie gelten auch als vielversprechend für Elektrofahrzeuge (siehe auch Energiespeicherung im Verkehrssektor). Redox-Flow-Batterien Zur Langzeitspeicherung oder Spannungsregulierung bieten sich Redox-Flow-Batterien an. Da hier das Seichermedium getrennt von der Umwandlungseinheit ist, kann die Energiemenge flexibel dimensioniert werden. In zwei Tanks werden die Flüssigkeiten, bestehend aus in flüssigen Elektrolyten gelösten Salzen, getrennt gelagert. Bei Bedarf werden die Flüssigkeiten mittels Pumpen der zentralen Reaktionseinheit für den Lade- oder Entladeprozess zugeführt. Diese Batterien haben den Vorteil, dass sie sich praktisch nicht entladen und daher sehr lange Energie speichern können. Für die zukünftige Entwicklung des Verkehrssektors werden erneuerbare Energien eine zunehmende Bedeutung haben. Viele Autokonzerne bringen derzeit Elektrofahrzeuge auf den Markt. Man unterscheidet drei Varianten: Hybridfahrzeug (HEV) Diese Fahrzeugart besitzt einen Speicher von etwa 1 kWh und lädt diesen nur während der Fahrt auf. Mithilfe des Elektroantriebs lässt sich eine Einsparung von Kraftstoff von bis zum 20% erzielen. Plug-in Hybrid (PEHV) Hier handelt es sich um ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, dessen Elektroantrieb über eine Steckdose geladen werden kann. Der Speicher ist größer als bei einem reinen Hybridfahrzeug und enthält 5 bis 10 kWh. Die Reichweite des Elektromotors beträgt 30 bis 70 km, bei längeren Strecken erfolgt der Antrieb über Kraftstoff wie Benzin, Erdgas oder auch Biokraftstoffe. Elektrofahrzeug (EV) Ein reines Elektrofahrzeug hat derzeit eine Reichweite von 100 bis 300 km bei einem Speicher von 14 bis 40 kWh. Auch hier lässt sich die Batterie über Steckdosen gewöhnlicher Hausanschlüsse laden. Zeiten, in denen das Fahrzeug nicht benötigt wird, zum Beispiel während der Arbeitszeit oder in den Nachtstunden, können zum Aufladen genutzt werden. Als geeignete Speichertechnologie erweist sich dabei vorzugsweise die Lithium-Ionen-Batterie, da sie eine hohe Energiedichte besitzt. Viele der genannten Speichersysteme weisen ein erhebliches Entwicklungspotenzial auf. Teilweise ist noch Forschungs- und Entwicklungsarbeit notwendig, um die erforderliche Marktreife zu erreichen. Insbesondere die Batterieentwicklung als eine Schlüsseltechnologie für Elektrofahrzeuge wird eine große Rolle spielen. Bedeutsam für die Etablierung von Speichersystemen allgemein sind zudem planbare energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen, wie sie beispielsweise Anreizsysteme bieten. Parallel zum Einsatz von Energiespeichern ist der Ausbau der Netzkapazitäten erforderlich, um die Menge an erzeugtem Strom durch regenerative Energieträger über lange Distanzen zu übertragen und lokale Netzengpässe zu entspannen. Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) hat im Jahr 2008 eine Studie veröffentlicht zum Thema "Energiespeicher in Stromversorgungssystemen". In ausführlicher Form behandelt die Studie die verschiedenen Energiespeicher und ihre Rolle bei der Entkoppelung von Angebot und Bedarf an elektrischer Energie. Interessierte Lehrkräfte können die Studie direkt beim VDE bestellen (250 Euro für Nichtmitglieder): VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. Stresemannallee 15 60596 Frankfurt am Main service@vde.com

Diese Unterrichtseinheit zum Thema erneuerbare Energien und Wetter basiert auf dem digitalen Lernspiel "Katis Strom-O-Mat". Die Unterrichtseinheit kann gut durch reale Experimente ergänzt werden.Erneuerbare Energien tragen in immer größerem Umfang zu unserer Stromversorgung bei. Auf vielen Hausdächern finden sich Solarmodule, und wer übers Land reist, sieht häufig Windkrafträder. Gerade bei den Windrädern ist es gut zu sehen: Sie produzieren nur Strom, wenn der Wind weht. Sonst stehen sie still. Dass erneuerbare Energien vom Wetter abhängig sind, ist das Kernthema des Online-Spiels "Katis Strom-O-Mat". Die Kinder müssen die Solarmodule nach dem Sonnenstand und das Windrad entsprechend der Windrichtung ausrichten. Bei ruhigem Wetter ist das kein Problem. Aber an manchen Tagen kann einem schon schwindelig werden, so schnell ändert sich das Wetter.Erneuerbare Energien sind in zunehmendem Maße im Alltag der Kinder präsent. Daher knüpft die Unterrichtseinheit in vielen Punkten an Begegnungen und Erfahrungen der kindlichen Lebenswelt an. Nach einem einführenden Gespräch rund um das Thema "Erneuerbare Energien" können die Kinder das Lernspiel "Katis Strom-O-Mat" ausprobieren. Es macht den Kindern grundlegende Aspekte erneuerbarer Energien begreiflich und animiert sie, das Thema anhand realer Versuche abseits des Computers zu vertiefen. Arbeit mit dem Lernspiel: Virtuelle Stromerzeugung Die Kinder bedienen Katis Stromerzeugungsmaschine und sorgen dadurch für den Betrieb von Radio, Lampe, Fön und Backofen. Erneuerbare Energien erforschen abseits des Computers Das virtuelle Ausprobieren kann gut mit Forschungsaktivitäten abseits des Computers kombiniert werden. Pädagogische Leitlinien der Stiftung Begleiten und unterstützen Sie die Kinder in ihrer natürlichen Neugier an Phänomenen aus ihrem Alltag. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass man mit Sonne, Wind und Wasser Strom erzeugen kann. erfahren, dass die Stromerzeugung vom Wetter abhängt. erfahren, dass verschiedene Verbraucher unterschiedlich viel Strom benötigen. lernen, dass Energie umgewandelt werden kann. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler treffen Vereinbarungen über die Nutzung der zur Verfügung stehenden Computer. Da erneuerbare Energien in zunehmendem Maß auch im Alltag präsent sind, kann gut an das Vorwissen der Kinder angeknüpft werden. Dabei sollte auf regionale Gegebenheiten Rücksicht genommen werden. Steht in der Nähe eine Windkraftanlage? Oder gibt es eine Staumauer in erreichbarer Nähe? Vielleicht gibt es ja Kinder, auf deren Zuhause Solarzellen montiert sind? Was wissen die Kinder bereits darüber? Wie würden die Kinder eine Stromerzeugungsmaschine bauen? Zugang Das Lernspiel "Katis Strom-O-Mat" ist integriert in einen interaktiven Forschergarten, der die Kinder zu eigenständigen Entdeckungsreisen animiert. Die Figuren Juli und Tim begleiten sie dabei. Zum Spiel gelangt man über verschiedene Zugänge: über das Icon mit Kati an ihrem "Strom-O-Mat" haben Sie direkten Zugang zum Spiel (Abbildung 1, zum Vergrößern bitte anklicken). Wenn Sie im Gartenkompass (Menüpunkt am unteren Rand des Bildschirms) auf "Ausprobieren" klicken, gelangen Sie zu einer Übersicht über alle Lernspiele der Seite. Dort gibt es auch einen Link zu Katis Strom-O-Mat. Technische Hinweise Für die Nutzung der Lernspiele auf der Kinder-Website muss der kostenlose Adobe Flash Player installiert sein. Aufgrund der grafischen Benutzeroberfläche kann es beim erstmaligen Öffnen der Seite zu einer längeren Ladezeit kommen. Die Dauer hängt von Ihrer Internetverbindung ab. Ist die Seite einmal geladen, ist die Navigation einfach und schnell möglich. Einführende Geschichte Wie jedes Lernspiel in der Forscherwelt, so beginnt auch Katis Strom-O-Mat mit einer Geschichte. Der Inhalt der Geschichte wird im Spiel selbst aufgegriffen und weitergeführt. Das Intro kann auch übersprungen werden. Tutorial erläutert die Bedienung Das Spiel selbst beginnt mit einem Tutorial, das Schritt für Schritt die Bedienelemente erläutert. Für die Bedienung des Strom-O-Mats stehen punktförmige Klickflächen zur Verfügung. Die Solarzellen und die Windkraftanlage können so ausgerichtet werden. Das Wasserkraftwerk lässt sich mit einem entsprechenden Klickpunkt einschalten. Angezeigt werden zudem der Sonnenstand, der sich entsprechend der Tageszeit ändert, und das Wetter in Form von ziehenden Wolken, aus denen es auch mal regnen kann. Das Wetter ändert sich ständig Nach einem einführenden Tutorial stehen den Kindern vier verschiedene Schwierigkeitsstufen zur Verfügung. Je nach Stufe ändert sich einerseits die Häufigkeit der Wetterwechsel, andererseits aber auch das Maß des benötigten Stroms. Die Kinder lernen also, dass die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien von den Wetterverhältnissen abhängt. Sie lernen auch, dass unterschiedliche Stromverbraucher (Lampe, Radio, Fön und Herd) unterschiedlich viel Strom verbrauchen. Dokumente zum Ausdrucken Wer mag, kann sich nach Abschluss von Schwierigkeitsstufe vier eine Urkunde ausdrucken und damit belegen, dass sie oder er Katis Strom-O-Mat erfolgreich beendet hat. Meinung der Kinder Sprechen Sie mit den Kindern über Katis Strom-O-Mat. Hat er so funktioniert, wie sie es erwartet haben? Was war anders? Kennt jemand Unterschiede zu echten Solarzellen, Windkraftanlagen oder Wasserkraftwerken? Welche sind das? Reduziertes Abbild der Realität Natürlich kann das Spiel die Realität nicht eins zu eins abbilden. Folgende Aspekte sollten im Anschluss thematisiert werden: Solarzellen In der Praxis gibt es nur sehr wenige Solaranlagen, die der Sonne nachgeführt werden. Dementsprechend schwankt die Stromausbeute mit dem Tagesverlauf stark. Und bei schlechtem Wetter liefern echte Solarzellen nur sehr wenig Strom. Das ist im Spiel anders, damit die Kinder leichter ihr Ziel erreichen können. Windkraftanlage Echte Windkraftanlagen richten sich automatisch in Windrichtung aus. Sie müssen also nicht von Hand nachgestellt werden, wie das im Spiel der Fall ist. Wasserkraft Natürlich kann man Wasserkraft nur nutzen, wenn es vorher geregnet hat. Aber in der Praxis ist der räumliche und zeitliche Zusammenhang nicht so eng, dass man eine Anlage einschaltet wenn es regnet. Der Niederschlag kann schon vor langer Zeit in einer ganz anderen Region gefallen sein. Zum Beispiel wenn mit einer Staumauer das Wasser gespeichert wird, das zu Beginn des Winters als Schnee in den Bergen fiel. Wetter Der Monat April ist berühmt für seine Wetter-Eskapaden. Das ist aber noch gar nichts gegen Level 4 bei Katis Strom-O-Mat, wo sich stündlich die Windrichtung und Bewölkung ändert. So wird das Spiel anspruchsvoller. Realistisch sind diese Wetterwechsel natürlich nicht. Speicherung Das Stromangebot aus erneuerbaren Energien hängt vom Wetter ab und passt nicht unbedingt zum Bedarf der Verbraucher. Wohin also mit dem Strom aus Windkraftanlagen einer windigen Nacht? Wie kann der Strom gespeichert werden? Dies ist derzeit das größte Problem beim Ausbau der erneuerbaren Energien. Pumpspeicherkraftwerke können dieses Ungleichgewicht nur zu einem kleinen Teil abpuffern. Hilfreiche Texte Im Rahmen der Nachbesprechung können folgende Texte, die sich auch in der Forscherwelt befinden, hilfreich sein. Für besonders wissbegierige Kinder stehen auf der Kinder-Website weiterführende Lesetexte zur Verfügung. Sie sind aus dem Spiel über den Link "Mehr erfahren" zugänglich. Oder über den Knopf "Gartenkompass" am unteren Rand des Bildschirms. Die Kraft der Sonne sichtbar machen Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Kraft der Sonne spürbar oder sichtbar zu machen. Am einfachsten geht es mit Solarspielzeug, bei dem der Strom der integrierten Solarzellen einen Motor antreibt. Je nachdem, was der Motor antreibt, dreht sich zum Beispiel der Rotor eines Spielzeughubschraubers oder fährt ein kleines Auto los. Muss die Solarzelle direkt auf die pralle Sonne gerichtet sein? Was passiert, wenn die Ausrichtung zur Sonne geändert wird? Und funktioniert die Solarzelle auch mit künstlichem Licht? Der Steh-auf-Luftballon Sie brauchen eine große leere Flasche. Die Flasche muss zu Beginn möglichst kalt sein. Lassen Sie die Kinder einen Luftballon über die Öffnung stülpen. So ausgestattet muss die Flasche nun in die Sonne gelegt oder gestellt werden. Die Sonnenstrahlen erwärmen die Luft in der Flasche. Dadurch dehnt sich die Luft aus. Da sich die Flasche nicht oder nur sehr gering ausdehnt, strömt die Luft in den Ballon und beginnt, ihn aufzupusten. Überlegen Sie mit den Kindern, wie dieser Effekt verstärkt werden kann. Wie kann möglichst viel Wärme eingefangen werden? Lassen Sie die Kinder mit weißem und schwarzem Papier experimentieren. Vielleicht wird jemand von selbst auf die Idee kommen, schwarzes Papier in die Flasche zu legen. Spielt die Größe der Flasche eine Rolle? Lassen Sie es die Kinder ausprobieren. Der Solar-Bräter Kleiden Sie mit den Kindern das Innere eines Brotkorbs mit Alufolie aus, stechen Sie einen langen Nagel von hinten durch die Mitte, auf den Sie dann zum Beispiel ein Stück Käse oder einen Marshmallow stecken. Richten Sie den "Solar-Bräter" nach der Sonne aus und warten Sie, bis es brutzelt. Wenn genügend Sonnenstrahlung vorhanden ist und die Ausrichtung passt, kann man zuschauen wie sich das "Bratgut" verändert. Spätestens, wenn die Kinder Katis Strom-O-Mat bedient haben, wissen sie, dass man mit Windrädern Strom erzeugen kann. Das ist bereits eine erste Lernerfahrung. Die Funktionsweise ist für Kinder im Grundschulalter allerdings sehr abstrakt. Anhand eines einfachen Modells, das die Kinder selbst basteln können, lässt sich praktische Forschung betreiben. Dadurch ergeben sich zusätzliche Lernerfahrungen: Nicht nur der Wind kann Dinge bewegen, auch das Wasser kann etwas in Bewegung setzen. Wasserräder und Wassermühlen drehen sich aufgrund der Kraft des fließenden Wassers. Dabei wird die geradlinige Bewegung des Wassers in eine Drehbewegung übersetzt. Über einen Generator kann diese Drehbewegung in Strom umgewandelt werden. Für Juli, Tim und die anderen Kinder in der virtuellen Forscherwelt ist ein Stromausfall der Anlass zur Beschäftigung mit Katis Strom-O-Mat. Auch in der Realität bietet ein Tag ohne Strom zahlreiche Gesprächs- und Handlungsanlässe. Es gibt kein elektrisches Licht, es können keine elektrischen Geräte benutzt werden und die Heizung bleibt kalt. Am eindrucksvollsten ist es, wenn für diesen Tag tatsächlich die entsprechenden Sicherungen ausgeschaltet werden - so können die Mädchen und Jungen durch eigenes Ausprobieren direkt überprüfen, welche Geräte Strom benötigen und welche nicht, und auch ein Schummeln ist ausgeschlossen. Auch wenn ein gewisser Aufwand damit verbunden ist, der Besuch von echten Anlagen zur Gewinnung erneuerbarer Energien lohnt sich. Sicherlich steigt dadurch die Motivation zur Beschäftigung mit dem Thema. Und die Kinder bekommen eine Vorstellung von den Dimensionen echter Anlagen. Vielleicht gibt es ja auch Eltern, die eine Solaranlage auf dem eigenen Dach haben und diese gern zeigen und erläutern. Oder sie wenden sich an den regionalen Stromversorger. Viele Stadtwerke engagieren sich im Bildungsbereich und bieten Führungen an. Naturwissenschaftliche und technische Phänomene sind Teil der Erfahrungswelt von Kindern: Morgens klingelt der Wecker, die Zahncreme schäumt beim Zähneputzen, das Radio spielt Musik, der heiße Kakao dampft in der Tasse, auf dem Weg zur Schule werden blühende Blumen beobachtet, die gestern noch geschlossen waren. Kinder wollen ihre Welt im wahrsten Sinne des Wortes "begreifen" und mehr über Naturphänomene erfahren. Diese vielfältigen Anlässe im Alltag der Kinder lassen sich auch für die pädagogische Arbeit nutzen. Die Fragen der Kinder spielen deshalb beim Forschen und Experimentieren eine zentrale Rolle. Die Bildungsinitiative "Haus der kleinen Forscher" möchte vor allem Lernfreude und Problemlösekompetenzen fördern. Dabei sollen Kinder gerade nicht nach Erwachsenenverständnis "richtige" Erklärungen für bestimmte Phänomene lernen und diese auf Abruf wiedergeben können. Vielmehr möchte die Stiftung Pädagoginnen und Pädagogen Möglichkeiten an die Hand geben, um die Kinder bei einem forschenden Entdeckungsprozess zu begleiten. Dazu gehören unter anderem das Beobachten, Vergleichen und Kategorisieren, das sich Kinder zunutze machen, um die Welt um sich herum zu erkunden. Die Stiftung "Haus der kleinen Forscher" hat folgendes Bild vom Kind. Es prägt das pädagogische Handeln und beinhaltet die Vorstellung darüber, auf welche Weise Kinder lernen: Kinder sind reich an Vorwissen und Kompetenzen. Kinder wollen von sich aus lernen. Kinder gestalten ihre Bildung und Entwicklung aktiv mit. Jedes Kind unterscheidet sich durch seine Persönlichkeit und Individualität von anderen Kindern. Kinder haben Rechte. Bildung als sozialer Prozess Bildung ist ein sozialer Prozess. Kinder lernen im Austausch mit und von anderen, durch Anregung, durch individuelle Erkundung und durch gemeinsame Reflexion. Kinder lernen nicht nur von Erwachsenen, sondern auch mit und durch Zusammenarbeit mit anderen Kindern. Der pädagogische Ansatz der Stiftung ist von den zwei pädagogischen Leitlinien Ko-Konstruktion und Metakognition geprägt. Ko-Konstruktion Ko-Konstruktion bedeutet, dass Kinder durch die Zusammenarbeit mit anderen lernen. Lernprozesse sollten grundsätzlich von Kindern und pädagogischen Fachkräften gemeinsam "konstruiert" werden. Metakognition Während der gemeinsamen Gestaltung von Bildungsprozessen kann mit den Kindern thematisiert werden, dass sie lernen, was sie lernen und wie sie lernen. Dies geschieht über die Auseinandersetzung mit den eigenen kognitiven Prozessen (Gedanken, Meinungen, Einstellungen und so weiter), also das Wissen einer lernenden Person über ihr Wissen, ihre neugewonnenen Erkenntnisse und den Weg dorthin. An das Vorwissen der Kinder anknüpfen Die pädagogischen Fachkräfte bekommen eine Vorstellung von den Vorerfahrungen und Gedankengängen der Kinder, wenn sie ihnen genau zuhören, sie beobachten und nach ihren eigenen Vermutungen fragen. Mit den Kindern sprechen Die pädagogischen Fachkräfte unterstützen die Kinder durch Dialoge, den nächsten geistigen Entwicklungsschritt zu machen. Nicht erklären, sondern (hinter-)fragen! Die Kinder zum Nachdenken anregen Wenn Kinder einmal vermeintlich "falsche" Konzepte heranziehen, zum Beispiel "Der Strom ist schwarz", dann wird daraus ersichtlich, wo das Kind gerade steht. Aufgabe ist es, Kinder bei geeigneter Gelegenheit darauf aufmerksam zu machen, dass es zum Beispiel auch weiße Kabel gibt. Die pädagogische Fachkraft bringt die Kinder auf diese Weise dazu, selbst eine neue Theorie zu entwickeln. Kindern (Frei-)Raum zum Forschen geben Auf der Internetseite der Stiftung finden Sie unter "Forschen - Pädagogik - Pädagogischer Ansatz" Tipps zur Gestaltung von Forscherräumen in der Kita, welche auch auf Grundschulen übertragbar sind. Die gemeinnützige Stiftung "Haus der kleinen Forscher" unterstützt seit 2006 pädagogische Fachkräfte dabei, den Forschergeist von Mädchen und Jungen qualifiziert zu begleiten. Die Bildungsinitiative startete zunächst mit dem Fokus auf Kindern im Kindergartenalter. Seit 2011 können auch Horte und Grundschulen beim "Haus der kleinen Forscher" mitmachen. Die pädagogischen Leitlinien gelten für beide Zielgruppen. Die Themen und Phänomene, die die Kinder interessieren, bleiben ähnlich oder dieselben - egal ob Kita-Kind, Grundschul-Kind oder große Forscherin. Allerdings nimmt die Komplexität der Inhalte zu, um sie an die Kompetenzen und das höhere Vorwissen der sechs- bis zehnjährigen Kinder anzupassen. Ältere Kinder haben eine andere Verständnisebene - aus Staunen soll Verstehen werden.

Diese Unterrichtseinheit zum Thema Planets spricht das Sachinteresse von Grundschülerinnen und Grundschülern an und ist besonders geeignet zum fächerübergreifenden Arbeiten. Ein englischsprachiges Internetangebot mit animierten, interaktiven Grafiken lässt sich dafür gut einsetzen.Die Kinder haben in dieser Englisch-Unterrichtseinheit zum Weltraum und den Planeten Gelegenheit, ihr Sach- und Sprachwissen durch eine übersichtlich gestaltete interaktive Grafik und kurze Informationstexte zu erweitern. Mithilfe von Bild- und Textinformationen erstellen sie auf einem Arbeitsblatt eigene kurze Beschreibungen zu einem oder mehreren Planeten ihrer Wahl in Rätselform. Die Rätsel werden zunächst als Textdateien gespeichert und dann mündlich in der Klasse vorgestellt. Zusätzlich können die Schülerinnen und Schüler im Internet Online-Spiele und Übungen zum Thema Planets im Internet bearbeiten. Lehrplanbezug Der Lehrplan Englisch legt verbindliche Erfahrungsfelder für das dritte und vierte Schuljahr fest. In Nordrhein-Westfalen beispielweise kann das Thema Planets dem Erfahrungsfeld "Eine Welt für alle - our environment" zugeordnet werden. Da das Weltall und die Planeten darüber hinaus Lehrplangegenstand sowohl im Deutsch- als auch im Sachunterricht ist, bietet sich das Thema zum fächerübergreifenden Arbeiten an. Im Englischunterricht kann man dem Thema inhaltlich besser gerecht werden, indem man visuelle Medien zur Unterstützung des sprachlichen Inputs nutzt - etwa mithilfe eines Internetangebots mit interaktiv gestalteten animierten Grafiken zum Sonnensystem. Sprachliche Fertigkeiten Bei dieser Art der didaktischen Aufbereitung werden alle vier Sprachfertigkeiten einbezogen: Sprechen, Hören, Lesen und Schreiben. Um das Primat des Mündlichen im Englischunterricht der Grundschule zu berücksichtigen, empfiehlt es sich, die Textarbeit mit dem Computer in die Unterrichtsreihe einzubetten und mündliche Phasen als Vor- und Nachbereitung zu planen. Ablauf der Unterrichtseinheit "Planets" Über diesen Link gelangen Sie zur Ablaufplanung der Unterrichtseinheit "Planets". Mit entsprechender Vorbereitung und gezielten Fragen und Aufgaben arbeiten Kinder trotz geringer sprachlicher Vorkenntnisse selbstständig im Internet. Fachkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler lernen die englischen Namen für Planeten kennen. beschreiben Planeten mit einfachen Merkmalen. verstehen einfache Handlungsanweisungen auf Spaßseiten und führen sie aus. Medienkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler nutzen eine animierte Grafik und Texte aus dem Internet als Informationsquelle. notieren eine Beschreibung beziehungsweise Stichwörter in einem Textdokument. rufen Spaß- und Bastelseiten auf und drucken sie aus. Vorkenntnisse zu Planeten In der Vorbereitungsphase werden die Namen der Planeten mehrfach von der Lehrperson genannt, bevor die Kinder sich in Partnerarbeit am Computer selbstständig mit dem Thema beschäftigen. Darüber hinaus sollten die Adjektive zur Beschreibung, zu Farben und Zahlen bekannt sein; die Redewendung "is close to" kann zu Beginn der Stunde eingeführt werden. Die Partnerinnen und Partner werden so gewählt, dass mindestens ein Kind Erfahrungen im Umgang mit dem Textverarbeitungsprogramm hat (in unserem Fall: Word). Organisation und Arbeitsformen Einstieg und Präsentation der Ergebnisse werden mit der ganzen Klasse durchgeführt, während die Erarbeitungsphase arbeitsteilig verläuft. Da in den meisten Klassenräumen nur wenige Computerarbeitsplätze zur Verfügung stehen, bietet es sich an, die Kinder in Partnerarbeit nacheinander arbeiten zu lassen. Die anderen Schülerinnen und Schüler bekommen in dieser Zeit Gelegenheit, zum gleichen Thema andere Aktivitäten auszuführen, wie etwa Bastelarbeiten nach englischsprachiger Anleitung. Einstieg in die Unterrichtseinheit "Planets" Die Lehrperson präsentiert ein Bild, das unser Sonnensystem zeigt, oder malt eine einfache Skizze an die Tafel, in der links ein Ausschnitt der Sonne und rechts die neun Planeten nebeneinander angeordnet sind. Einfache Fragen strukturieren die Hinführung zum Thema und bereiten die Arbeitsphase am Computer und die anschließende Präsentation vor: This is our solar system. How many planets are there? What is this? (point to the sun). What's the name of our planet / the planet we live on? What colour is our planet? Do you know why it looks blue? Do you know the names of the planets? Which planet is big, which one is small? The earth is close to Venus and to…? Which planet is cold, which one is hot? Why is Mercury so hot? Aussprachehilfen Die Namen der Planeten werden mehrmals im Laufe des Gesprächs wiederholt, da sich ihre Aussprache im Englischen zum Teil stark von der deutschen unterscheidet (Beispiel: Saturn). Die Kinder werden auch auf ein Online-Dictionary aufmerksam gemacht, das sie als zusätzliche Hilfe während ihrer Arbeit am Computer aufrufen können. Dort können sich durch Klick auf einen Lautsprecherbutton die Namen der Planeten vorsprechen lassen. Die Kinder schauen sich zunächst die Startseite mit dem Sonnensystem an, lesen die Namen der Planeten und prägen sich - gegebenenfalls mit Hilfe des Online-Wörterbuchs - die englische Aussprache ein. Durch Klick auf die einzelnen Planeten rufen sie kurze Informationstexte auf, überfliegen den Text und entscheiden sich für die Beschreibung und Vorstellung eines oder mehrerer Planeten: Venus is a small, rocky planet with a very hot surface. It has no moons. Jupiter is a very big planet. It has sixteen moons. Ausfüllen der Arbeitsblätter Die benötigten Angaben zu den Planeten schreiben die Kinder in das vorbereitete Text-Dokument. Dabei wird die Informationsentnahme anhand von Schlüsselwörtern geübt. Farbe und Größe der Planeten entnehmen die Kinder der Grafik, ebenso kann die Temperatur aufgrund der Entfernung der Sonne mit cold, warm oder hot angegeben werden. Kriterien, zu denen es in der Vorlage keine Angaben gibt, werden frei gelassen. Diese Sätze lassen die Schülerinnen und Schüler bei der Präsentation aus. Spiele und Übungen zum Thema planets Stehen genügend internetfähige Computer zur Verfügung, bekommen die Kinder Gelegenheit, Online-Spiele und -Übungen zum Sonnensystem und den Planeten aufzurufen. Die Spiele und Übungen sind weitgehend selbsterklärend. Dennoch sollte die Lehrperson die Texte mit den Kindern lesen, um sie mit den englischen Handlungsanweisungen vertraut zu machen. Am Ende der Unterrichtsreihe werden die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, ihr Planetenrätsel der Klasse zu präsentieren. Dabei schlüpfen sie in die Rolle von Aliens und stellen sich selbst und die von ihnen gewählten Planeten mit ihren Charakteristika vor. Als Hilfe dienen die in der Textdatei gespeicherten Texte. Die Präsentation wird von den Kindern entweder einzeln oder in Partnerarbeit vorbereitet und eingeübt, wobei das Niveau der Darstellung breit gefächert ist. Hier zwei Beispiele: My name is ... - I'm from planet ….- It is cold/warm/small/big/blue/red … What's your name? Where are you from? Where do you live? What's the name of your planet? What's it like on your planet? Zur besseren Beobachtung und anschließenden Auswertung ist es hilfreich, die Monologe oder Dialoge mit dem Smartphone oder mit dem PC aufzunehmen. Während der Vorstellung werden zwei Kinder gebeten, die Beschreibungen ihrer Klassenkameradinnen und Klassenkameraden am Computer mit Hilfe der Informationstexte zu überprüfen.

Energiesparen lohnt sich, für die Umwelt und für den Geldbeutel. Jeder Einzelne kann in seinem Umfeld etwas dazu beitragen. Das kann aber auch eine ganze Schule tun. Die hier vorliegende Unterrichtseinheit basiert auf der Dokumentation des SPICE-Projekts (Schools Partnership to Improve the Conservation of Energy), das die Emilie-Heyermann-Realschule in Bonn zusammen mit einer usbekischen Partnerschule durchgeführt hat.Die Materialien bieten eine große Bandbreite von einfachen bis hin zu anspruchsvolleren Arbeitseinheiten, um die verschiedenen Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler zu Energiethemen zu berücksichtigen. Hier finden sich sowohl Arbeitseinheiten für einzelne Lernende als auch für Schülergruppen einer Schulklasse. Das "Teaching Pack" ist ein Rahmendokument. Es soll in zweierlei Hinsicht Flexibilität bieten: zum einen in Bezug auf die Zeit, die jedem Thema gewidmet wird, und zum anderen in Bezug auf die Altersgruppe der Schülerinnen und Schüler. Fächerübergreifender Ansatz Der Gebrauch der Unterrichtsmaterialien sollte nicht nur auf eine bestimmte Klasse oder ein Themenfeld beschränkt bleiben. Es gibt geeignete Arbeitseinheiten für Mathematik, Kunst, Naturwissenschaften, Theater, Sozialwissenschaften, Musik, Sport, Informatik, Geschichte und Kommunikation, also Arbeitseinheiten um Lehrkräfte verschiedener Fächer zu unterstützen und um die Bedeutung des Themas zu unterstreichen. Sie sollten die Verantwortung für verschiedene Aspekte des Themas festsetzen und bestimmen wann und wie das Material in ihre bereits vorhandenen Lehrpläne integriert werden kann. Von Vorteil ist es, wenn die verschiedenen Aspekte in den unterschiedlichen Fächern parallel unterrichtet werden Eigene Ideen einbringen Sie sollten durchaus Ihre eigenen Ansätze zu den unterschiedlichen Themen beitragen und Ihre individuellen Ideen mit anderen Lehrerinnen und Lehrern austauschen. Nutzung der Arbeitsblätter im Unterricht Auf dieser Seite werden die einzelnen Arbeitsblätter und ihre Nutzung im Unterricht beschrieben. Entstehung der Unterrichtsmaterialien Diese Unterrichtseinheit basiert auf dem Kooperationsprojekt SPICE (Schools Partnership to Improve the Conservation of Energy). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Ursachen und Auswirkungen des Klimawandels im Allgemeinen und in Bezug auf das eigene Land beschreiben können. die Philosophie des Kyoto-Protokolls und der daraus resultierenden Vereinbarungen kennenlernen. verschiedene Energiequellen erklären können. den Unterschied zwischen erneuerbaren und nicht-erneuerbaren Energien erklären können. erfahren, wie sich Energieerzeugung durch Verbrennung fossiler Rohstoffe auf die Umwelt auswirkt. die Möglichkeiten der Energienutzung identifizieren und Wege zur Reduzierung nennen können. Instrumente zur Bewusstseinsförderung für die lokale Gemeinschaft entwickeln. erkennen, dass globales Denken in lokales Handeln münden muss. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen das Internet als Recherchemedium nutzen. das Gelernte in digitaler Form präsentieren. Zu Beginn erfolgt die Problematisierung (Klimawandel: Ursachen und Folgen), danach wird Basiswissen erworben und schließlich folgt die Umsetzung und Anwendung des erworbenen Wissens im privaten Bereich, in der Schule und in der Gesellschaft. Warum Energie gespart werden sollte: Globale Erwärmung Was ist Energie? Warum wird sie gebraucht? Woher kommt Energie? Wie wird Energie produziert? Was sind die Folgen der Energiegewinnung? Wo Energie genutzt wird (direkt und indirekt) Wie man Energie spart Wie man die Botschaft verbreiten kann Das Paket umfasst eine Reihe von Vorschlägen zur Vermittlung verschiedenster Aspekte der einzelnen Themen. Anhand von Arbeitsblättern sollen die Schülerinnen und Schüler die jeweiligen Themen weitgehend selbstständig beabeiten. Die Lehrerin oder der Lehrer sollte die vorgeschlagenen Themen formal einführen. Um sicherzustellen, dass die Lernenden die Inhalte verstehen, sollten sie an den Arbeitseinheiten zu den einzelnen Themen teilnehmen. Einführende Diskussion An dieser Stelle soll der Fokus auf die Ursachen und Auswirkungen der globalen Klimaerwärmung gelegt werden. Zur Einführung eignet sich eine Diskussion in der Klasse über den Einfluss unserer täglichen Aktivitäten auf die Umwelt. Selbstständiges Arbeiten Darüber hinaus sollen sich die Schülerinnen und Schüler anhand von Arbeitsblatt 1 mit folgenden Fragestellungen beschäftigen: Finde heraus wie Treibhausgase produziert werden und wie sie die Atmosphäre beeinträchtigen. Prüfe wie sich der Klimawandel auf dein Land auswirkt. Wie reagiert die Weltgemeinschaft? Beschreibe die Philosophie des Kyoto Protokolls und der daraus resultierenden Vereinbarungen. Erstelle zusammen mit deinen Mitschülerinnen und Mitschülern ein Wandbild oder eine digitale Präsentation zum Thema Klimawandel. Zusatzaufgabe Wähle ein Land, das das Kyoto Protokoll unterzeichnet hat und überlege, wie es versucht seine Emissionen zu reduzieren. Nun gilt es, verschiedene Energieformen zu betrachten. Was bedeutet eigentlich das Wort "Energie"? Wie wird Energie erzeugt, wie wird sie genutzt? Und wie kann man sie messen? Hierfür steht Arbeitsblatt 2 mit folgenden Aufgaben zur Verfügung: Definiere das Wort Energie. Erstelle eine Liste mit so vielen Energiequellen wie möglich und stelle fest, welche unter erneuerbare oder nicht-erneuerbare Energiequellen zu fassen sind. Finde heraus wie hoch die Preise für Gas und Strom sind. Bringe Energiemessgeräte in deiner Schule an, lies sie ab und schreibe auf, wie viel Energie verbraucht wurde. Zusatzaufgabe Erforsche Möglichkeiten für den Gebrauch erneuerbarer Energien in deiner Region. Wie werden erneuerbare Energien in deiner Region tatsächlich genutzt? Arbeitsblatt Die Schülerinnen und Schüler sollen in der Lage sein, zwischen verschiedenen Energietypen und den verschiedenen Arten der Energieerzeugung zu differenzieren. Weiterhin sollen sie lernen, wie verschiedene Energieerzeugungsformen sich auf die Umwelt auswirken. Arbeitsblatt 3 enthält folgende Aufgaben: Interviewe einen Senior/eine Seniorin und finde heraus, wie Häuser beleuchtet und beheizt wurden als sie Kinder waren und welche Verkehrsmittel es damals gab. Sei darauf vorbereitet zu diesem Thema an einer Diskussion teilzunehmen. Erarbeite eine Tabelle, die jeweils das Prinzip verschiedener Energiequellen, erneuerbarer und nicht-erneuerbarer, erläutert. Betrachte, wie die Energieversorgung deiner Region Auswirkungen auf die Umwelt hat. Berücksichtige die Dinge, die du bereits vorher gelernt hast (zum Beispiel über Treibhausgase, die Beschaffenheit der Region). Zusatzaufgabe Wie haben alternative Energiequellen Gebäude und Lifestyle in den letzten 30 Jahren beeinflusst? Hier sollen die Schülerinnen und Schüler den Unterschied zwischen direkter und indirekter Energienutzung lernen. Es soll gezeigt werden, wie fundamental wichtig der Verbrauch von Energie für das tägliche Leben geworden ist. Darüber hinaus sollen die verschiedenen Wege der Energienutzung in der Schule, zuhause in der Familie und in der Gesellschaft im Allgemeinen identifiziert werden. Letztlich soll auch die Beziehung zwischen Energie- und Wasserversorgung beleuchtet werden. Betrachte die Formen der Energienutzung bei dir zuhause. Wie kannst du dein eigenes Verhalten ändern, um Energie zu sparen. Durch das regelmäßige Ablesen von Zählerständen verschiedener Strommesser, kannst du ein Gefühl für den Stromverbrauch im persönlichen Umfeld bekommen. Fülle einen Fragebogen ehrlich aus und stelle fest, ob du dich bereits umweltfreundlich verhältst. Abschließend findest du hier zehn Tipps, wie man sich umweltfreundlich verhalten kann. Zusatzaufgabe Ermittle die Gebühren pro Einheit für die Nutzung von Strom und Gas und berechne die wöchentlichen Energiekosten für die Schule. Berechne darüber hinaus die Menge an Kohlenstoffdioxid, die in die Atmosphäre abgegeben wird, entstehend aus der Energie, die für Heizen und Beleuchten in eurer Schule genutzt wird. Arbeitsblatt Die Schülerinnen und Schüler sollen motiviert werden, Wege zu suchen, den Energieverbrauch in der Schule, zuhause in der Familie und im alltäglichen Leben zu reduzieren. Außerdem sollen sie dazu gebracht werden, den Nutzen der Energieeinsparung zu begreifen. Besuche einen Baumarkt in deiner Stadt um herauszufinden, welche Isolierungsmaterialien verfügbar sind. Was ist die Rohstoffquelle der Isolierungsmaterialien? Gibt es irgendwelche energiebezogenen Auswirkungen bei ihrer Herstellung? Lese dasselbe Strommessgerät ab, das du bei Thema 2 verwendet hast und berechne, wieviel Energie in deiner Schule oder bei dir zuhause nach der letzten Messung verbraucht wurde. Berechne, wieviel das in finanzieller Hinsicht und auf die Umwelt bezogen gekostet hat. Nenne fünf Möglichkeiten, wie in deiner Schule oder bei dir zuhause der Energieverbrauch gesenkt werden kann. Zusatzaufgabe Identifiziere die Trends der Energienutzung in deiner Schule oder zuhause und verzeichne die Ausschöpfung verschiedener Energieformen für einen Zeitraum von ein bis zwei Monaten. Nutze die Informationen um zu zeigen, wo Verbesserungen beim Energieverbrauch durchgeführt werden können. Arbeitsblatt Es sollen mit den Schülerinnen und Schülern Möglichkeiten erarbeitet werden, wie man Informationen über Energie- und Umweltthemen auch aus der Schule heraus in die Öffentlichkeit tragen kann. Folgende Lehr- und Arbeitseinheiten sind möglich: Beteilige dich an der Vorbereitung einer PowerPoint-Präsentation zu Energiethemen. Schreibe in Kleingruppen ein Storyboard für die PowerPoint-Präsentation. Entwerfe Beiträge für eine Projektwebsite. Entwerfe eine Informationsbroschüre, die schwerpunktmäßig die Themen Energieverbrauch und die Nutzung erneuerbarer Energien behandelt. Beteilige dich am Entwurf einer Ausstellungstafel mit den Informationsblättern, die im Stadthaus oder den Räumlichkeiten des Stadtrates angebracht werden kann. Organisiere Energiespartage innerhalb der Schule. Lade die lokalen Medien ein, sich zu beteiligen. Die Unterrichtseinheit "Klimaschutz und Energieverbrauch" basiert auf dem "Teaching Pack" das im Rahmen des SPICE-Projekts entwickelt wurde, um eine Reihe von Lehrmaterialien zu den Themen Energieeinsparung und erneuerbare Energien anbieten zu können. Die konzeptionelle Entwicklung des Teaching Pack wurde von Lehrkräften der Schule Nr. 4, Buchara und Lehrkräften der Emilie-Heyermann-Schule, Bonn begleitet. In der Folge wurde dieses Teaching Pack ergänzt und verbessert um das Feedback von Lehrerinnen und Lehrern aufzunehmen und um sicherzustellen, dass die Belange von Nutzerinnen und Nutzern aus Russisch sprechenden Ländern berücksichtigt werden. Die Unterrichtseinheit wurde im Rahmen von insgesamt vier Arbeitsbesuchen (je zwei in Buchara und je zwei in Bonn) im Rahmen einer fächer- und klassenübergreifenden jeweils fünftägigen handlungsorientierter Projektarbeit (6-8 Zeitstunden pro Tag) mit zahlreichen Aktivitäten auch außerhalb der Schule umgesetzt. Oktober 2005 in Buchara Themen: "Heiße Zukunft - Was geht mich das an?", "Energie! Was ist das? Wofür brauchen wir sie?", ferner Experimente zur Solarenergie, Umrüstung der usbekischen Schule auf Energiesparlampen anstelle der herkömmlichen Glühbirnen Februar 2006 in Bonn Themen: "Der Energieverbrauch wächst, die Vorräte schwinden. Was nun?" mit den Fragen "Wie versorgen wir uns künftig mit Energie?", Welche Formen der regenerativen Energienutzung gibt es?", "Was sind ihre Vor- und was ihre Nachteile?" Oktober/November 2006 in Buchara Themen: "Lasst uns das Klima retten - Energiesparen fängt zu Hause an!" und "Abgedreht! Unsere Schule spart Energie!", ferner aktive Mitgestaltung des Kongresses "Von der Energieeinsparung zur Nutzung erneuerbarer Energien" und Zusammenbau eines Solarkochers März 2007 in Bonn Thema: "Wir werben für den Klimaschutz", unter anderem Ausstellung, Verteilung von Flyern, Plakatierung, Radiosendung, Presseinterviews, Arbeit an der Website, Erstellung einer CD-ROM 2007 und 2009 in Bonn Anerkennung des SPICE-Projektes als "Offizielles Projekt der UN-Weltdekade - Bildung für nachhaltige Entwicklung" April 2008 in Köln Zertifizierung der usbekischen Schule und der Emilie-Heyermann-Realschule als "Schulen der Zukunft" (Agenda-21-Schulen) durch das Land NRW April 2008 in Buchara Eine von der Bonner SolarWorld AG gesponserte große Photovoltaik-Anlage wird unter Anleitung eines Schülervaters der Emilie-Heyermann-Realschule (EHS) auf dem Dach der Schule Nr. 4 in Buchara installiert, welche die usbekische Schule künftig mit Solarstrom versorgen wird. März/April 2009 "Vorkonferenz für die Internationale Kind- und Jugendkonferenz für die Umwelt (Brasilien 2010)" im Rahmen der Welt-Konferenz "Bildung für nachhaltige Entwicklung" der UNESCO

Durch diese fachübergreifende Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die wichtigsten Entwicklungen und Herausforderungen der deutschen und weltweiten Energiewende sowie die großen Klimaschutz-Baustellen in Landwirtschaft und Verkehr kennen. Sie analysieren die damit verbundenen Interessenskonflikte und suchen gemeinsam nach sinnvollen Lösungen. Mit der Entscheidung, aus der Atomkraft auszusteigen und die Energieversorgung auf erneuerbare Energien und Energieeffizienz umzustellen, ist Deutschland international zu einem Vorbild geworden. Noch nie hat ein Industrieland eine solche Transformation vorgenommen. Schon heute wird bei uns mehr als ein Drittel des Stroms aus Sonnen- und Windenergie, Biomasse und Wasserkraft erzeugt. Auch weltweit sind die erneuerbaren Energien auf dem Vormarsch, da sie immer billiger werden und einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Oft rechnet sich der Bau eines großen Windparks für Stromproduzenten schon mehr als der eines Kraftwerks, das Strom mit fossilem Brennstoff produziert. Um einen ausufernden Klimawandel zu verhindern, reicht aber eine Stromwende nicht aus. Auch in anderen Sektoren wie Landwirtschaft und Verkehr müssen die CO 2 -Emissionen stark reduziert werden. Diese Unterrichtseinheit ermöglicht die selbstständige Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit der Energiewende in Deutschland und weltweit, ihrer Vorteile und Herausforderungen. Dabei haben sie auch die Auswirkungen für Wirtschaft, Infrastruktur, Landwirtschaft und Umwelt im Blick. Außerdem analysieren sie die Auswirkungen der Landwirtschaft, insbesondere der industriellen Produktion von Lebensmittel und Fleisch sowie des Verkehrs auf die Erwärmung des Planeten und beschäftigen sich mit Strategien zu nachhaltiger Transformation in diesen Sektoren. Themen der Unterrichtseinheit Die Energiewende Hier geht es um die aktuelle Entwicklung und Verbreitung von erneuerbaren Energien in Deutschland und weltweit. Deutschland will bis 2050 mindestens 80 Prozent seines Stroms aus erneuerbaren Energien erzeugen. Doch das Land ist dabei nicht alleine. Mehr und mehr Länder entscheiden sich für erneuerbare Energien. Warum brauchen wir erneuerbare Energien? Welche Auswirkungen wird und soll die Energiewende auf Wirtschaft, Umwelt und Gesellschaft haben? Vor welchen Herausforderungen steht Deutschland? Mobilität und Verkehr Wie muss sich der Verkehr verändern, wenn Deutschland das während des Klimagipfels in Paris 2015 zugesagte Ziel einer Reduzierung seiner Treibhausgas-Reduktionen auf Null bis Mitte des Jahrhunderts erreichen will? Wie sieht die Energiewende im Verkehrssektor aus? Welche Auswirkungen hat der Flugverkehr? Können Elektroautos das Problem weitgehend lösen? Sollte Deutschland sein Autobahnnetz weiter verdichten? Welche Rolle spielt der internationale Warentransport? Welche Alternativen existieren und können stärker genutzt werden? Die Landwirtschaft und ihre Bedeutung für den Klimaschutz Welche Rolle spielt die Landwirtschaft für den Klimaschutz? Welche Auswirkungen hat die industrielle Produktion von Lebensmitteln und Fleisch für tropische Regenwälder in Brasilien und auf Indonesien und was hat das mit dem Klimawandel zu tun? Warum sind Palmöl und Soja ein Problem für den Klimaschutz und was kann ich in Deutschland tun? Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… lernen die wichtigsten erneuerbaren Energieträger kennen. werden für die Herausforderungen der Energiewende in Deutschland und weltweit sensibilisiert. setzen sich mit den jüngsten Entwicklungen in der weltweiten Energieversorgung und mit dem Ausbau erneuerbarer Energien auseinander. können die Auswirkungen der Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion, inklusive Fleischproduktion, auf den Klimawandel nachvollziehen. setzen sich mit den Folgen von Flug- und Landverkehr für Erderwärmung und Klimawandel auseinander. entwerfen selbstständig Ansätze und tragen Ideen zusammen für zukunftsorientierte, klimaschützende und wirtschaftlich umsetzbare Energieversorgung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… recherchieren im Internet. analysieren und interpretieren Informationen, die sie im Internet recherchiert haben. bereiten digitale Präsentationen vor. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in Teams zusammen. Fundamentale Wende in der Energieversorgung Der Energiesektor verursacht den größten Teil der weltweiten Treibhausgas-Emissionen, sein Anteil lag 2010 bei 35 Prozent. Durch das weltweite Wirtschafts- und Bevölkerungswachstum steigt die Nachfrage nach Energie und Strom weiter. Der Ausstoß von Treibhausgasemissionen hat sich jedoch in den vergangenen Jahren stabilisiert. Diese für viele überraschende Entwicklung deutet darauf hin, dass inzwischen nicht nur in Deutschland eine Energiewende stattfindet. Die Energiewende steht für eine fundamentale Wende in der Energieversorgung. Das bisherige Energiesystem, das auf fossilen Brennstoffen (Kohle, Öl und Gas) sowie Kernenergie beruht, wird abgelöst von einer neuen Energieversorgung durch erneuerbare Energien (Windkraft, Sonnenenergie, Wasserkraft, Biomasse und Erdwärme) sowie einer verbesserten Energieeffizienz und Energieeinsparung. Energiewende in Deutschland Deutschland hat mit der Energiewende eine radikale Transformation seines Stromsektors beschlossen. Die übergeordneten energiepolitischen Ziele der Bundesregierung im Juni 2011 umfassen den Atomausstieg bis 31.12.2022 und den Ausbau der erneuerbaren Energien. Darüber hinaus sollen die Stromnetze zügig ausgebaut und modernisiert werden sowie die Energieeffizienz insbesondere im Gebäudesektor, bei der Mobilität und beim Stromverbrauch erhöht werden. Dabei müssen die Treibhausgasemissionen um 40 Prozent bis 2020 und um 80 bis 95 Prozent bis 2050 im Vergleich zum Basisjahr 1990 reduziert werden. Erneuerbare Energien weltweit 2015 war ein Rekordjahr für Erneuerbare Energien. Zu diesem Ergebnis kommt der Statusbericht "Renewables 2016" von REN21. (...) Die Erneuerbaren decken mittlerweile 19 Prozent der globalen Energienachfrage. Einen solchen Anstieg innerhalb eines Jahres hat es noch nie gegeben. Mit 330 Milliarden US-Dollar erreichten auch die Investitionen in erneuerbare Energien in den Bereichen Verkehr, Strom und Wärme einen neuen Rekordwert. Allein beim Strom wurde 2015 doppelt so viel in Solar-, Wind- und Wasserkraft investiert (etwa 265 Milliarden Dollar) wie in neue Kohle- und Gaskraftwerke zusammen (130 Milliarden). Auch auf dem Arbeitsmarkt zeigt sich eine positive Entwicklung. Mehr als acht Millionen Menschen arbeiten mittlerweile weltweit in der Erneuerbaren-Branche. Europa: Investitionen gesunken! Europa ist die einzige Weltregion, in der die Investitionen in Erneuerbare im vergangenen Jahr deutlich gesunken sind, bedingt durch die Wirtschaftskrise und mangelnde politische Ambition. Besonders drastisch ist der Einbruch um 46 Prozent in Deutschland, dem vormals größten Markt für erneuerbare Energien. In den USA war dafür ein kräftiges Wachstum zu verzeichnen und in Japan blieben die Investitionen immerhin stabil. Der globale Süden hingegen befindet sich auf der Überholspur. Zum ersten Mal waren die Investitionen in erneuerbare Energien dort höher als in den Industrieländern. Alleine China konnte rund 36 Prozent aller globalen Investitionen in erneuerbare Energien auf sich vereinen. Aus entwicklungspolitischer Perspektive dabei besonderes beindruckend: Finanzschwächere Länder wie Marokko, Jamaika, Honduras, Jordanien, Uruguay, Nicaragua, Mauretanien oder die Kapverden haben letztes Jahr ein Prozent oder mehr ihrer Wirtschaftsleistung in den Ausbau erneuerbarer Energien investiert. In Deutschland verursacht der Verkehrssektor rund 20 Prozent der Treibhausgasemissionen. Kein anderer Sektor hat in Deutschland so wenig zur Erreichung der gesetzten Klimaziele beigetragen, wie der Verkehr. Er ist damit das größte Problemkind der Klimapolitik. Um die deutschen Klimaschutzziele nach dem Klimaabkommen von Paris zu erreichen, muss der CO 2 -Ausstoß des Verkehrs vor 2050 auf nahezu Null gesenkt werden. Wie das passieren kann, dafür hat Deutschland noch keinen Plan. Weitgehender Konsens herrscht nur dabei, dass die Effizienz der Fahrzeuge weiter gesteigert werden muss und dass der gesamte Straßen- und Schienenverkehr langfristig auf erneuerbare Antriebe (Strom, Biosprit) umgestellt werden soll. Inwiefern auch die Vermeidung von Verkehr und die Verlagerung von der Straße auf die Schiene eine Rolle spielen muss, um die Treibhausgasreduktionsziele erreichen zu können, ist noch umstritten. Zwei Trends verantwortlich Vor allem zwei Trends sind für die problematische Entwicklung im Verkehr verantwortlich. Erster Hauptfaktor ist im Personenverkehr die Tendenz zu schweren, PS-starken Autos, wodurch die Effizienzgewinne durch sparsamere Motoren wieder aufgefressen werden. Heute werden etwa ebenso viele SUVs wie Kleinwagen verkauft, und die durchschnittliche Motorleistung der Neuwagen ist alleine zwischen 2007 und 2014 von 95 auf 140 PS gestiegen. Die aktuell niedrigen Spritpreise verstärken diese Entwicklung. Zweiter Hauptfaktor ist das hohe Wachstum im Güterverkehr. So hat der Warentransport auf der Straße seit Mitte der 1990er Jahre um mehr als 60 Prozent zugenommen, und das Bundesverkehrsministerium rechnet weiterhin mit deutlichen Zunahmen. Der kurze Einbruch der Frachtmengen während der Finanz- und Wirtschaftskrise 2008/2009 ist längst vergessen. Weitere Faktoren Viele Akteure in Politik und Wirtschaft setzen in Deutschland vor allem auf das Elektroauto, um die Emissionen des Verkehrssektors zu senken. Bis 2020 – so das Ziel der Bundesregierung – sollen eine Million E-Autos über Deutschlands Straßen rollen. Doch die Verkaufszahlen bei Elektroautos bleiben vorerst sehr niedrig und die Zahl von eine Million gilt inzwischen weithin als nicht erreichbar. Seit Sommer 2016 können Käufer eines E-Autos darum eine Prämie von mehreren tausend Euro beantragen, die sie zusätzlich mit dem Kauf des Autos erhalten. Doch auch dadurch konnte der Absatz bisher nur unwesentlich angekurbelt werden. Der Güterverkehr wächst noch schneller als der Personenverkehr. Daran hat auch die seit 2005 eingeführte Lkw-Maut nichts geändert. Die absoluten CO 2 -Emissionen im Lkw-Verkehr sind von 1995 bis 2013 um 13 Prozent gestiegen. Der Güterverkehr auf der Straße hat im gleichen Zeitraum um 31 Prozent zugenommen. Die Prognosen gehen alle von einem weiter wachsenden Straßengüterverkehr aus. Auch hier gibt es bisher keine Problemlösungsstrategie. Lösungsansätze wären ein starker Ausbau des Schienengüterverkehrs und Anreize dafür, dass Güter häufiger regional gehandelt und nicht mehr durch ganz Europa gefahren werden. Das Umweltbundesamt fordert deshalb eine Einbeziehung aller Fahrzeuge von 3,5 Tonnen in die Lkw-Maut. Außerdem schlägt das UBA vor, alle Straßen mautpflichtig zu machen. Bisher sind es nur Autobahnen und ein Teil der Bundesstraßen. Fliegen ist die mit Abstand klimaschädlichste Art der Fortbewegung. In Reiseflughöhe ist die Klimawirkung der Flugzeugemissionen nach aktuellem Stand der Wissenschaft um den Faktor 2- bis 4½-mal höher, als am Boden. Das ergibt derzeit einen Anteil von ca. 7 Prozent am gesamten menschengemachten Treibhauseffekt. Doch dieser Anteil nimmt schnell zu, denn der Flugverkehr wächst weiter, selbst in Deutschland. Das liegt auch daran, dass Fliegen vom Staat stark bezuschusst wird. Unter anderem ist Kerosin von der Energiesteuer befreit, internationale Flüge von der Mehrwertsteuer. Bis 2040, schätzt die internationale Luftverkehrsorganisation ICAO, könnten sich die weltweiten Emissionen im Flugverkehr vervierfachen. Das Überschießen der globalen 2-Grad-Erwärmungsrenze wäre damit unvermeidlich. Die Landwirtschaft ist einer der wichtigsten Verursacher des Klimawandels. 2010 trug sie 10 bis 12 Prozent zu den weltweiten Treibhausgasemissionen bei. Der Agrarsektor ist dabei die größte Quelle der Treibhausgase Methan (CH 4 ) und Lachgas (N 2 O), die zum Beispiel in der Viehhaltung entstehen. Gleichzeitig ist die Landwirtschaft das größte Opfer des Klimawandels. Dürre und Überschwemmungen, Stürme, die Versalzung des Grundwassers, Austrocknung und Landdegradierung wirken sich bereits heute negativ auf Ernteerträge und Lebensmittelproduktion aus. Obwohl in einigen nördlichen Regionen die landwirtschaftliche Produktivität auch steigen könnte, sind die negativen Folgen für die weltweite Nahrungsmittelproduktion und damit die ländliche und die ärmere städtische Bevölkerung insgesamt sehr negativ. Vor allem in Afrika und Asien ist es durch den Klimawandel mit drastischen Ernteverlusten zu rechnen.

Mit Unterrichtsmaterialien der Max-Planck-Gesellschaft erarbeiten Schülerinnen und Schüler, wie Brennstoffzellen funktionieren und welche technischen Herausforderungen sie an die Forschung stellen. Auch die Frage, ob Brennstoffzellen-Autos automatisch umweltfreundlich sind, wird untersucht. An Bord eines Raumschiffs ist Platz Mangelware - und so stattete die NASA schon in der Mitte des vergangenen Jahrhunderts ihre Raumfahrzeuge mit kompakt gebauten und energieeffizienten Brennstoffzellen aus. Die "leise Knallgasreaktion" von Wasserstoff und Sauerstoff liefert Astronauten nicht nur Energie, sondern als einziges "Abfallprodukt" auch noch das lebenswichtige Wasser. Aber auch im Alltag wären Brennstoffzellen nützlich, da sie eine deutlich längere Lebensdauer als Batterien oder Akkus haben. In Laptops, Handys und MP3-Playern könnten sie Batterien und Akkus ersetzen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) testet derzeit wasserstoffbetriebene Membran-Brennstoffzellen zur Notstromversorgung in Flugzeugen. Eine positive Umweltbilanz haben Brennstoffzellen aber nur, wenn der Wasserstoff umweltfreundlich erzeugt wird, zum Beispiel durch die Elektrolyse von Wasser mit Sonnenergie. Wenn Sie Theorie und Praxis miteinander verbinden möchten: Einige Schülerlabore bieten Experimente mit Brennstoffzellen an (siehe Links zum Thema ). Die Thematik bietet viele Anknüpfungspunkte an Lehrpläne (Redox- und Elektrochemie, Fähigkeit zur Beteiligung an gesellschaftlichen Diskursen über Naturwissenschaft und Technik) und eignet sich für einen fächerübergreifenden Unterricht. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch Beiträge aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Diese bieten weitere Details zur technischen Entwicklung und der möglichen zukünftigen Bedeutung von Brennstoffzellen. Themen der Unterrichtseinheit Laptops oder Handys, die von winzigen Brennstoffzellen gespeist werden, Kleinkraftwerke auf Wasserstoffbasis, die Wohnhäuser mit Energie und Wärme versorgen und umweltfreundliche "Wasserstoffautos" - Forscherinnen und Forscher entwickeln zurzeit immer neue Ideen, wie Brennstoffzellen im Alltag genutzt werden können. Allerdings sind die meisten Brennstoffzellen-Typen von der Serienreife noch weit entfernt. Zum einen fehlt es an den technischen Möglichkeiten zur umweltfreundlichen Herstellung von Wasserstoff. Das Ausweichen auf Methanol als Brennstoff könnte dabei helfen, die Technologie zu einer Alternative zu fossilen Brennstoffen werden zu lassen. Auf der Suche nach den perfekten Werkstoffen für die Brennstoffzelle von Morgen ist man zwar auf einem guten Weg - auch mithilfe der Nanochemie - aber eben noch nicht am Ziel. Bezug zur Nanotechnologie Damit die "kalte Verbrennung" von Wasserstoff funktioniert, müssen beide Elektroden der Brennstoffzelle mit einem Katalysator beschichtet sein. Am Max-Planck-Institut für Kohlenstoffforschung in Mühlheim an der Ruhr werden dafür Metall-Nanopartikel entwickelt, die für eine große katalytisch aktive Oberfläche sorgen. Die Metalloxid-Nanoteilchen werden zunächst auf einem Trägermaterial - das können feine Rußkörnchen sein - fixiert, danach zu einer porösen Elektrode zusammengepresst und anschließend zum Metall reduziert. Materialien der Max-Planck-Gesellschaft Die Materialien der Unterrichtseinheit sind ein Angebot der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. Auf der Webseite max-wissen.de finden Sie weitere Materialien für den Unterricht und Hintergrundinformationen zu aktuellen Forschungsthemen aus Physik, Chemie, Biologie und Erdkunde. An allen max-wissen-Beiträgen sind Fachwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Max-Planck-Gesellschaft beteiligt: Aktualität und fachliche Richtigkeit sind somit gewährleistet. Unterrichtsverlauf und Materialien Der Verlauf der Doppelstunde und die Anbindung des Themas an die Lehrpläne werden kurz skizziert. Hier finden Sie auch eine Übersicht der Materialien. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Die hier zusammengestellten Artikel (PDF-Download) bieten weitere Details zur technischen Entwicklung und der möglichen zukünftigen Bedeutung von Brennstoffzellen. Die Schülerinnen und Schüler sollen: Brennstoffzellen als alternative Energiequellen für Fahrzeuge oder Mobilfunkgeräte kennen lernen. die Umweltfreundlichkeit von Brennstoffzellen realistisch einschätzen können. das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle erarbeiten und erklären können. erkennen, welche Probleme Forscherinnen und Forscher auf dem Weg zum serienreifen Produkt noch überwinden müssen. Fast alle Schülerinnen und Schüler besitzen einen tragbaren Computer, ein Handy oder eine Digitalkamera. Mit der Meldung "Akku fast leer - bitte laden" sind sie daher vertraut. Das unerwünschte Phänomen wird als Einstieg in die Thematik genutzt: "Damit diese ärgerliche Meldung bald seltener wird, arbeiten Forscherinnen und Forscher intensiv an der Entwicklung von Brennstoffzellen." Der Unterrichtseinstieg schafft einen konkreten Bezug zur Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler und sorgt so für (hoffentlich) großes Interesse. Er zeigt zudem, dass Forschung kein Selbstzweck ist, sondern auch einen konkreten Anwendungsbezug hat und das Leben der Menschen erleichtern kann. Selbsttätige Aneignung von Wissen Im Rahmen der ersten Erarbeitungsphase steht die selbstständige Informationsaneignung im Mittelpunkt des Unterrichts. Die Schülerinnen und Schüler sollen dabei nicht nur Text- und Bildmaterialien auswerten und Inhalte zusammenfassen, sie müssen die erarbeiteten Ergebnisse auch auf ein komplexes grafisches Schema übertragen. Um die selbsttätige Aneignung von Wissen zu forcieren, erledigen die Lernenden die Aufgaben in Kleingruppen (drei bis vier Personen). In der Diskussion mit den anderen Teammitgliedern sollen dabei mögliche Unklarheiten und Verständnisschwierigkeiten besprochen und beseitigt werden. Blick hinter die "Kulissen" der Forschung Da die Möglichkeiten des unmittelbaren Lernens beim Thema Brennstoffzellen eingeschränkt sind, sollen die Schülerinnen und Schüler im zweiten Teil der Unterrichtseinheit zumindest anhand eines Arbeitsblatts einen Blick in die spannende Welt der Brennstoffzellenforschung werfen. Anhand des Themas "Neue Membranen für bessere Brennstoffzellen" lernen sie, wie die noch vorhandenen Mängel der Brennstoffzellen beseitigt werden könnten, um zu einem besseren Produkt zu gelangen. Sie werden aber auch dafür sensibilisiert, dass noch viel Grundlagenforschung zu leisten ist, bis Brennstoffzellen zu einer wirklichen technischen Lösung im Alltag werden können. Die Lehrpläne der Bundesländer für das Fach Chemie bieten vielfältige Anknüpfungspunkte für den Einsatz der Materialien in der Sekundarstufe II. Hier einige Beispiele: Bedeutung der Chemie für die Gesellschaft und für die Bewältigung der aktuellen und zukünftigen Herausforderungen (Nordrhein-Westfalen) Von der Wasserelektrolyse über die Knallgasreaktion zur Brennstoffzelle (Nordrhein-Westfalen) Entwicklung der Fähigkeit, am gesellschaftlichen Diskurs über Naturwissenschaft und Technik teilzunehmen (Sachsen) Redoxreaktionen und deren Bedeutung für die Herstellung ortsunabhängiger Spannungsquellen (Bayern) Unter dem Leitgedanken "Erneuerbare Energien - Klimaretter oder teure Prestigeobjekte?" könnte ein fächerübergreifendes Unterrichtskonzept stehen, zu dem die hier vorgestellte Brennstoffzelleneinheit gut passen würde: Chemie Grundlegende Aspekte zu Brennstoffzellen und anderen erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Biokraftstoffe oder Biomasse, werden vorgestellt. Physik Hier steht neben Solarenergie und Strom aus Wasserkraft oder Windkraftanlagen vor allem die Kernfusion im Focus: Grundlagen und Schwierigkeiten der Umsetzung werden thematisiert. Biologie Hier werden ökologische Probleme untersucht, die sich aus der Nutzung erneuerbarer Energien ergeben, zum Beispiel die Auswirkungen von Windanlagen auf den Vogelzug oder die Folgen von Staudämmen für Flussökosysteme. Geographie, Wirtschaft Im Erdkundeunterricht nimmt das Thema Klima einen breiten Raum ein: anthropogene Ursachen für den Treibhauseffekt und die globale Erwärmung werden diskutiert. Auch die Abhängigkeit der Weltwirtschaft von fossilen Brennstoffen sollte thematisiert werden. Politik Die Lernenden beschäftigen sich mit dem Streit um die Ökosteuer und den Problemen bei der Durchsetzung einer nationalen oder weltweiten Energiewende. Auch das Erneuerbare-Energien-Gesetz in Deutschland und die Möglichkeiten und Grenzen internationaler Abkommen zum Schutz der Atmosphäre werden beleuchtet. Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Einige für diese Unterrichtseinheit relevante Artikel stellen wir hier kurz vor. Die vollständigen Beiträge stehen als PDF-Download zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Der Übersichtsartikel fasst die Argumente von Befürwortern und Kritikern einer Wasserstoff-Wirtschaft zusammen: Zwar ermöglicht die Wasserelektrolyse eine energieeffiziente Erzeugung von Wasserstoff aus dem reichlich vorhandenen Rohstoff. Einer realisierbaren Wasserstoff-Wirtschaft stehen jedoch noch ungelöste Probleme beim Transport und bei der Lagerung des Brennstoffs im Weg. Zu den Sicherheits- und Verteilungsproblemen kommt im Vergleich zu herkömmlichen Energieträgern noch die niedrige Energiedichte pro Volumeneinheit als Nachteil hinzu. Wie der Disput bis zum Anbruch eines regenerativen Energiezeitalters verlaufen wird, ist offen. Energie aus der Brennstoff-Oxidation ohne thermisch-mechanische Umwege Was als Vorteil der Brennstoffzelle erscheint - die Erzeugung elektrischer Energie direkt aus der Oxidation eines Brenngases ohne Umweg über eine Flamme, eine Gas- oder Dampfturbine und einen Generator - entpuppt sich bei der Realisierung als große Hürde. Die aggressiven chemischen Bedingungen um den Verbrennungsvorgang herrschen nämlich in der Brennstoffzelle auch dort, wo elektrischer Strom über korrosionsanfällige Kontakte zwischen verschiedenen Materialien fließen muss. Ohne High-Tech keine Brennstoffzelle Nur High-Tech-Werkstoffe, die dementsprechend teuer sind, halten den Anforderungen des Brennstoffzellen-Betriebs stand. Die damit verbundenen Kosten sind zur Zeit mit einem wirtschaftlich konkurrenzfähigen Produkt noch nicht vereinbar. Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle Neben dem allgemeinen Aufbau und der Funktionsweise von Brennstoffzellen werden die Vorteile einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle dargestellt. Sie kann ihre eigene Abwärme dazu nutzen, den Wasserstoff, den sie "verzehrt", aus Erdgas ohne zusätzlichen Energieaufwand freizusetzen und erzeugt weniger Kohlenstoffdioxid als vergleichbare konventionelle Blockheizkraftwerke. Ihre prinzipielle Funktionsfähigkeit wurde bereits gezeigt. Bis zur Entwicklung marktgerechter Lösungen müssen aber noch viele Herausforderungen bewältigt werden. Kryospeicherung und Drucktanks erscheinen nicht praktikabel Transport und Speicherung von Wasserstoff bringen bei der Nutzung von Brennstoffzellen Probleme mit sich, die bis heute nicht gelöst werden konnten. Die Verflüssigung von Wasserstoff in Vorratstanks an Tankstellen und in Tanklastwagen ist mit einem erheblichen Verlust an nutzbarer Energie verbunden. Eine kryogene Speicherung in den kleinen Tanks der Endverbraucher ist nicht praktikabel: Trotz extrem aufwendiger Isolierungen käme es bereits nach einigen Tagen zu Abdampfverlusten. Eine physikalische Speicheralternative sind Drucktanks. Aber auch hier geht Energie verloren. Zudem steigen mit dem Druck in den Tanks auch die Sicherheitsanforderungen. Chemische Alternativen Eine kurze Übersicht zeigt, dass es einerseits eine Vielzahl von Ansätzen zur Entwicklung von Wasserstoff-Speichermaterialien gibt, dass andererseits aber noch kein System gefunden werden konnte, bei dem sich ein realistisches Potential für den Einsatz in Autos abzeichnet. Auf diesem Gebiet werden noch enorme Anstrengungen erforderlich sein, wenn man in der Zukunft nicht von Kryo- oder Hochdruckspeichersystemen abhängig sein will. Der Beitrag skizziert folgende Speichermöglichkeiten: Benzin und Diesel Die Wasserstoffspeicherung mit Kohlenwasserstoffen wie Benzin und Diesel hätte den großen Vorteil, dass es keinerlei Infrastrukturprobleme gäbe, ist jedoch für den Antrieb von Autos aus technischen Gründen nicht praktikabel (hohe Temperaturen, aufwendige Gasreinigung). Methanol Trotz ähnlicher Probleme (Gasreinigung) wurden mit Methanol betankte Prototypen erfolgreich getestet. Allerdings ist die Einrichtung einer Methanol-Infrastruktur parallel zur existierenden Infrastruktur für Diesel und Benzin wirtschaftlich unattraktiv. Hydride und Imide Wesentlich attraktiver erscheinen Hydride, die reversibel Wasserstoff aufnehmen oder abgeben können. Trotz vielversprechender Ansätze ist ein großer Teil der komplexen Hydride bisher wenig oder kaum untersucht. Es besteht daher durchaus Hoffnung, dass auf diesem Gebiet noch technisch relevante Systeme entdeckt werden könnten. Metal-Organic-Frameworks (MOFs) Die hochporösen metallorganischen Gerüstverbindungen zeigen in einigen Versuchen sehr hohe Speicherkapazitäten. Inwieweit diese Systeme die geweckten Erwartungen einlösen können, wird die Zukunft zeigen. Dreidimensionale Netzwerke lagern kleine Moleküle ein In den letzten Jahren fanden bemerkenswerte Entwicklungen im Bereich der porösen Materialien statt. Durch den modularen Aufbau metallorganischer Gerüstverbindungen lässt sich die Porengröße sogar maßgeschneidert an die Größe kleiner Moleküle wie Wasserstoff oder Methan anpassen. Damit gelten MOFs als aussichtsreiche Kandidaten für die Speicherung von gasförmigen Energieträgern. Hohe Methandichten bei Raumtemperatur Während Wasserstoff in MOFs nur bei niedrigen Temperaturen gespeichert werden kann, ist die Lage im Fall von Erdgas wesentlich günstiger. Methan (Hauptbestandteil von Erdgas) wird von MOFs bereits bei Raumtemperatur aufgenommen und auch wieder reversibel abgegeben. Es erreicht in den MOF-Poren nahezu die Dichte einer Flüssigkeit. Durch diese Technologie kann man den zur Speicherung einer bestimmten Methanmenge notwendigen Druck deutlich senken, was die Sicherheit erhöht. Die Verwendung von porösen Materialien als Speichermedien befindet sich jedoch noch in der Erprobungsphase. Der Beitrag skizziert verschiedene Wege zur Herstellung von Wasserstoff. Elektrolysetechnologien und deren Betriebsbedingungen werden vorgestellt. Am Beispiel der Niedertemperatur-Elektrolyse bei Standardbedingungen werden Wirkungsgrade und Zellspannungen betrachtet. Zudem wird über eine Versuchsanlage in Saudi Arabien zur Erzeugung "Solaren Wasserstoffs" mit Strom aus einem Solarfeld berichtet, an dessen Bau das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligt war. Mit der Anlage konnte gezeigt werden, dass Wasserstoff per Elektrolyse mit einem Wirkungsgrad von etwa 70 Prozent regenerativ hergestellt werden kann. Als Brennstoffzelle für den kleinen Leistungsbereich wird in der Regel die Membranbrennstoffzelle verwendet, da ein Systemstart bei Raumtemperatur möglich ist. In Kombination mit einem Speicher für die Energieträger Wasserstoff oder Methanol sind kleine Brennstoffzellen eine Konkurrenz für Batterien und Notstromaggregate. Während Batterien - insbesondere die Lithium-Batterie - aber richtige "Kraftpakete" sind, sind Brennstoffzellensysteme eher "Energiepakete". Der Artikel stellt ihre Funktionsweise sowie Vor- und Nachteile der Brennstoffe Wasserstoff und Methanol vor. So lange die regenerative Wasserstoffgewinnung, zum Beispiel über riesige Solaranlagen, noch nicht serienreif realisiert ist, schlägt Erdgas die Brücke zur Wasserstoffwirtschaft. Ein Vorteil von Erdgas ist seine heute schon nahezu flächendeckende Verfügbarkeit in den Haushalten. Somit können Brennstoffzellen-Heizgeräte nahtlos in bestehende Heizsysteme integriert werden. Feldtests sollen den Markt für die neue Technologie sondieren und vorbereiten. Dieter Lohmann ist ausgebildet für das Lehramt an Gymnasien und arbeit als Redakteur beim Online-Magazin Scinexx .

Der Wechsel der Venusphasen und die Metamorphose vom Abend- zum Morgenstern bieten ein astronomisches Lehrstück und schulen das räumliche Verständnis. "Sie loderte silbern, entsandte verfliegende Strahlen, brannte in Zacken, und eine längere Flamme schien gleich der Spitze eines Speeres obenauf ihr zu stehen" - so beschreibt Thomas Mann (1875-1955) die Erscheinung der Venus am Himmel über Kanaan in dem Roman "Joseph und seine Brüder". Nach Sonne und Mond ist unser Nachbarplanet das hellste Objekt am Himmel, aber nicht zu jeder Zeit: Bedingt durch die innerhalb der Erdbahn gelegene Umlaufbahn zeigt Venus verschiedene Phasen (Vollvenus, Halbvenus, Neuvenus) und dabei eine erhebliche Veränderung des scheinbaren Durchmessers. Zum Zeitpunkt ihres größten Glanzes erscheint Venus als breite Sichel. Informationen zur Sichtbarkeit des Planeten am Abendhimmel finden Sie unter Links und Literatur . Zur Vorbereitung der Beobachtung können mithilfe kostenfreier Planetarium-Software (z.B. Stellarium ) Simulationen durchgeführt und Sternkarten ausgedruckt werden. Beobachtung ohne optische Hilfsmittel Eine Beobachtung der Venus über einen längeren Zeitraum, insbesondere die "Metamorphose" vom Morgenstern zum Abendstern - bietet ein schönes astronomisches Lehrstück. Schülerinnen und Schüler können die Dynamik des Sonnensystems dabei ganz ohne optische Hilfsmittel erleben. Sie verstehen den Wandel vom Abend- zum Morgenstern als Projektion eines einfachen Manövers an die Himmelskugel: Venus überholt die Erde auf der "Innenbahn". Ausführliche Hinweise zur Beobachtung und Dokumentation von Planetenbewegungen über einen längeren Zeitraum finden Sie in dem Beitrag zur Allgemeine Hinweise zur Planetenbeobachtung . Beobachtung der Venusphasen Mit dem bloßen Auge sind im Laufe von Wochen und Monaten lediglich deutliche Veränderungen der Venushelligkeit erkennbar. Das zugrunde liegende Zusammenspiel von Venusgröße und -phase offenbart sich allerdings erst beim Blick durch optische Hilfsmittel. Wenn Sie keinen Zugriff auf ein Amateurteleskop haben, bietet sich ein Besuch in der nächsten Volkssternwarte an. Falls Sie Hobby-Ornithologen im Kollegium oder Freundeskreis haben: Auch mit einem guten Spektiv lassen sich die Phasen der Venus beobachten. Die schlanke Sichel der erdnahen Venus ist sogar schon mit einem guten Feldstecher (10-fache Vergrößerung) erkennbar. Besonders Scharfsichtigen soll dies sogar mit bloßem Auge gelingen - darauf bezieht sich möglicherweise auch Thomas Manns Beschreibung. Auf den Spuren von Galileo Galilei und Simon Marius Auch ohne die Einbettung in ein längeres Beobachtungsprojekt lohnt es sich, die Schülerinnen und Schüler einen Blick auf die Sichelform des strahlenden Planeten werfen zu lassen. Dabei wandeln sie in den Fußstapfen bedeutender Vorgänger: Galileo Galilei (1564-1642) und der weniger bekannte deutsche Astronom Simon Marius (1573-1624) entdeckten 1610 mit den ersten Fernrohren nahezu zeitgleich die Venusphasen - eine Beobachtung, die zum Sturz des geozentrischen und zur Untermauerung des heliozentrischen Weltbildes beitrug. Entstehung der Venusphasen Geometrische Betrachtungen zur Perspektive unseres Blicks auf die Venus veranschaulichen die Entstehung der Venusphasen. Die Erforschung des Planeten Die Atmosphäre gleicht einem heißen Ozean, der eine dämmrige und von erstarrten Lavaflüssen geprägte Landschaft bedeckt. Die Schülerinnen und Schüler sollen Bewegung und Phasen der Venus durch die Bahngeometrie erklären können und ihr räumliches Vorstellungsvermögen schulen. erläutern können, warum die Entdeckung der Venusphasen durch Galileo Galilei (1564-1642) und Simon Marius (1573-1624) das heliozentrische Weltbild unterstützte. die schon in der Dämmerung strahlende Venus mit eigenen Augen betrachten und - wenn möglich - mithilfe geeigneter optischer Instrumente die Sichelform des Planeten beobachten. die charakteristischen Eigenschaften der Venusatmosphäre und -oberfläche kennen lernen und den Planeten nicht nur als Lichtpunkt betrachten, sondern in ihm eine fremde Welt erkennen. eine astronomische Beobachtung gemeinsam planen und zusammen mit Mitschülern, Lehrpersonen, Eltern, Freundinnen oder Freunden erleben. Planetarium-Software als Werkzeug zur Planung astronomischer Beobachtungen kennen und nutzen lernen. Thema Beobachtung der Venus Autor Dr. André Diesel Fächer Naturwissenschaften ("Nawi"), Astronomie, Astronomie AG Zielgruppe Sekundarstufe I und II Zeitraum variabel: vom einmaligen Beobachtungsabend bis hin zur Dokumentation der Venusbahn über Wochen oder Monate Technische Voraussetzungen Beobachtung mit dem bloßen Auge oder einem guten Feldstecher (dieser ermöglicht zumindest die Betrachtung der schmalen Venussichel); Spektive (40-60-fache Vergrößerung) und kleine Amateurteleskope lassen alle Venusphasen erkennen. Software Planetarium-Software zur Vorbereitung (Beamerpräsentation) oder zum Ausdrucken von Himmelskarten, zum Beispiel Stellarium (kostenfreier Download) Untere und Obere Konjunktion Die innerhalb der Erdbahn kreisende Venus "pendelt" von uns aus gesehen zwischen der größten westlichen und der größten östlichen Elongation hin und her (Abb. 1). Im Gegensatz zu Mars und den äußeren Planeten ist bei Venus und Merkur zwischen der unteren und der oberen Konjunktion zu unterscheiden. In den Zeiten um beide Konjunktionen befinden sich die inneren Planeten nahe bei der Sonne am Taghimmel und sind nicht zu beobachten (ähnlich der "Neumondsituation"). Zum Zeitpunkt der unteren Konjunktion ist Venus etwa 40 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, zum Zeitpunkt der oberen Konjunktion etwa 150 Millionen Kilometer. Daraus ergeben sich die deutlichen Änderungen des scheinbaren Durchmessers des Planetenscheibchens an unserer Himmelskugel. Venustransite Wenn sich Merkur oder Venus zum Zeitpunkt der unteren Konjunktion genau zwischen Erde und Sonne befinden, ist ein so genannter Transit zu beobachten: Der Planet wandert als schwarzes Scheibchen über die Sonnenscheibe. Aufgrund der nicht ganz identischen Bahnebenen der Planeten geschieht dies jedoch nur selten (aus demselben Grund haben wir auch nicht bei jedem Neumond eine Sonnenfinsternis). Abb. 2 zeigt den Venustransit von 2004, aufgenommen von einer Schülergruppe am Gymnasium Isernhagen (Niedersachsen). Der nächste Venustransit am 6. Juni 2012 ist, wenn die Sonne in Mitteleuropa aufgeht, schon fast beendet. Der nächste Merkurtransit am 09. Mai 2016 kann dagegen vollständig beobachtet werden. Solche Beobachtungen sind nur mit geeigneten Schutzbrillen und Instrumenten möglich! Phasen der Venus Im Gegensatz zu den anderen Planeten zeigen Venus und Merkur aufgrund ihrer innerhalb der Erdbahn liegenden Bewegung um die Sonne Phasen: Etwa während der größten östlichen Elongation (siehe Abb. 1) ist eine abnehmende Halbvenus als auffälliger Abendstern zu beobachten. Um den Zeitpunkt der größten westlichen Elongation ist eine zunehmende Halbvenus als Morgenstern zu sehen. Vor oder nach der unteren Konjunktion erscheint Venus (kurz nach Sonnenuntergang beziehungsweise kurz vor Sonnenaufgang) als große, aber sehr schmale Sichel. Um die obere Konjunktion herum erscheint das Planetenscheibchen dagegen voll beleuchtet, aber sehr klein und ist dadurch in der Dämmerung sehr unauffällig. Durch das Zusammenspiel von Entfernung und Beleuchtung (Phase) des Planeten kommen die großen Helligkeitsschwankungen der Venus zustande. An einem bestimmten Punkt zwischen unterer und oberer Konjunktion erstrahlt Venus in ihrem größten Glanz. Zu diesem Zeitpunkt sind 28 Prozent der uns zugewandten Seite des Planeten beleuchtet (Venus erscheint dann als breite Sichel). Abb. 3 zeigt die Entwicklung der abnehmenden Venus bis hin zur scharfen Sichelform. Die Aufnahmen stammen von Jens Hackmann. Weitere Astronomie-Fotos finden Sie auf seiner Homepage: Java-Applet zur Entstehung der Venusphasen Ein Java-Applet von Rob Scharein veranschaulicht dynamisch die Entstehung der Phasen bei den inneren Planeten Venus und Merkur. Sonne, Erde und die Bewegung des inneren Planeten werden in der Aufsicht dargestellt. Zeitgleich sieht man - aus der Perspektive irdischer Beobachter - die Entwicklung der Phasen und die Veränderungen der Größe des Planetenscheibchens. Java-Applet "Phases of the inner planets" (Astronomy and Physics Simulations) Klicken Sie auf der Website von Rob Scharein unter "Solar system explorer" auf das Saturn-Icon vor "Phases of the inner planets". Venus benötigt für die Umrundung der Sonne 243 Tage und um sich einmal um sich selbst zu drehen 225 Tage. Der Drehsinn der Eigenrotation ist bei ihr - als einzigem Planeten - retrograd: Die Sonne geht also im Westen auf und im Osten unter. Daraus ergibt sich, dass auf der Venusoberfläche alle 117 Tage die Sonne aufgeht. Die Ursache für die retrograde Rotation ist nicht bekannt - möglicherweise war hier eine Kollision im Spiel. Ein "Venuszyklus" am Erdhimmel dauert länger als ein Venusjahr, da sich die Erde während eines Venusjahrs ja auch weiterbewegt: Von Neuvenus zu Neuvenus vergehen 584 Erdentage. Undurchdringliche Wolkenschicht Venus wird von dichten Wolken eingehüllt, die Teleskopen den Blick auf die Oberfläche verwehren und den Planeten als "Billardkugel" erscheinen lassen. Abb. 4 zeigt ein Venus-Portrait, aufgenommen von der NASA-Sonde Mariner 10. Die dichte Wolkendecke sorgte vor der Ära der Raumsonden für vielfältige Spekulationen. So vermutete man unter den Wolken eine Landschaft, die der der "Urerde" vor 200 Millionen Jahren entsprechen sollte, bedeckt von dampfenden Dschungeln, durch die saurierähnliche Geschöpfe stapfen sollten. Die Wolkendecke macht Venus nicht nur geheimnisvoll, sondern sorgt auch für den strahlenden Glanz des Planeten an unserem Himmel: Drei Viertel des Sonnenlichtes werden von den Wolken reflektiert. Planet im Fieber Als 1970 erstmals eine russische Raumsonde auf der Nachtseite des Planeten landete (Venera 7), meldete sie eine Temperatur von 475 Grad Celsius und den enormen Druck von 90 Erdatmosphären - das entspricht etwa dem Druck in 900 Metern Wassertiefe. Zwei Jahre später schickte eine weitere russische Sonde ähnliche Werte von der Tagesseite. Unter den dampfdruckkesselartigen Bedingungen verhält sich die Atmosphäre wie ein heißer Ozean, der die Temperaturunterschiede zwischen Tag- und Nachtseite ausgleicht. Die Zusammensetzung der Atmosphäre - 96 Prozent Kohlenstoffdioxid! - macht Venus zur perfekten Strahlungsfalle, die den Planeten in ein Dauerfieber versetzt. Der Treibhauseffekt wird noch verstärkt von Wasserdampfspuren und den Wolken aus 80-prozentiger Schwefelsäure, die die von der Oberfläche reflektierte Strahlung nicht in den Weltraum entkommen lassen. Der Schwefel wurde ursprünglich durch vulkanische Aktivitäten in Form von Schwefeldioxid ausgestoßen. Turbulente Atmosphäre Die amerikanischen Pionier-Sonden erkundeten in den siebziger Jahren die Zusammensetzung der Venusatmosphäre. Die von der Erde aus sichtbaren Wolken befinden sich etwa 65 Kilometer über der Oberfläche und werden von heftigen Winden (350 Kilometer pro Stunde) in nur vier Tagen um den gesamten Planeten gejagt. Wenige Kilometer darunter gehen die Wolken in eine gelbliche Dunstschicht über, die möglicherweise aus Schwefelsäuretröpfchen besteht. Etwa 50 Kilometer über der Oberfläche findet sich die dichteste Wolkenschicht. Aus ihr fällt ständig saurer Regen, der jedoch verdampft bevor er die Oberfläche erreicht. Auf dieser sind die Winde eher schwach (wenige Stundenkilometer). Die 2005 gestartete ESA-Sonde Venus Express umkreist den Planeten und erforscht dessen Atmosphäre und Klima genauer. Abb. 5 zeigt ein Wirbelsturmsystem, das von der Sonde fotografiert wurde. Blitzgewitter und dämmrige Tage Unterhalb der Wolken erzeugen zahlreiche Blitze ein verschwommenes Glühen - dass es dabei heftig grollen muss, kann man sich vorstellen. Nur ein Prozent des Sonnenlichts erreicht die Venusoberfläche. Hier ist es immer dämmrig, etwa wie an einem wolkenverhangenen Tag auf der Erde. Eine junge vulkanische Landschaft Die ersten Fotos der Oberfläche machten russische Raumsonden in den siebziger Jahren. Viele Bilder finden Sie auf der Website von Don P. Mitchell (siehe unten). Eine systematische Untersuchung der Oberfläche erfolgte durch die NASA-Sonde Magellan in den Jahren 1989 bis 1994. Die Sonde umkreiste den Planeten und durchdrang mit ihrem Radarauge die dichte Wolkendecke. Aus den gewonnenen Daten wurde eine detaillierte Karte erstellt, die 98 Prozent der Venusoberfläche erfasst. Von erstarrten Lavaströmen bedeckte Ebenen prägen weite Teile des Planeten. Es gibt aber auch Hochebenen, Gebirge und Vulkane. Der Computer kann aus den Radardaten dreidimensionale Reliefs berechnen und aus jeder gewünschten Perspektive darstellen. Abb. 6 zeigt ein solches Bild von Maat Mons, dem mit acht Kilometern höchsten Vulkan der Venus. 85 Prozent der Planetenoberfläche scheinen vor erst 500-800 Millionen Jahren aus einer gigantischen Lavaflut hervorgegangen zu sein, die das Vorgängerrelief kilometerdick bedeckte. Globaler Katastrophenzyklus oder langsames Ausklingen des Vulkanismus? Die von der Erde bekannte Plattentektonik gibt es auf der Venus nicht. Einige Wissenschaftler vermuten daher, dass die vulkanische Freisetzung von Wärme auf der Venus nicht - wie auf der Erde - kontinuierlich erfolgt. Sie glauben, dass Venus ihren geologischen Wärmehaushalt über einen periodischen Vulkanismus reguliert, der in heftigen Schüben ausbricht und dabei die Oberfläche des Planeten rundum erneuert. Andere Wissenschaftler favorisieren dagegen ein langsames Ausklingen der vulkanischen Aktivitäten während der letzten zwei Milliarden Jahre. Beide Hypothesen erklären, warum Einschlagkrater von Meteoriten auf der Venusoberfläche nicht älter als etwa 750 Millionen Jahre sind. Literatur Die astronomischen Jahrbücher informieren über die wesentlichen Ereignisse und deren Begleitumstände: Ahnert Astronomisches Jahrbuch, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft (Heidelberg) Keller Kosmos Himmelsjahr, Kosmos Verlag (Stuttgart)