Spätestens seit die Europäische Union das Ausstiegsszenario für die Glühlampe eingeläutet hat, ist die Energiesparlampe in aller Munde. Fragen wie „Nach welchem Prinzip funktioniert eine Energiesparlampe?“ und „Welches sind die spektralen Bestandteile des Lichts von Energiesparlampen?“ sind deshalb für den schulischen Physik- und Chemieunterricht von großer Aktualität. Spektren von Energiesparlampen lassen sich auf der Basis der hier bereitgestellten Materialien im Oberstufenunterricht unter Einsatz geeigneter Software von Schülerinnen und Schülern mit großer Präzision in Eigentätigkeit konstruieren und vermessen. Aus solchen Spektren können dann Kenntnisse über die Lichtentstehung durch Quantensprünge von Elektronen in den Atomhüllen von Quecksilberatomen und Informationen zur Fluoreszenz in Leuchtstoffen und Farbstoffen extrahiert werden. Als Kalibrierspektren, das heißt als "Wellenlängen-Normale", dienen dabei die Spektren von Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen, wie sie in schulischen Physiksammlungen üblicherweise vorhanden sind. Alle in der Unterrichtseinheit einzusetzenden Spektren stehen als fotografische Spektren in Form von digitalen Bilddateien als Download zur Verfügung. Die Fotos wurden mit einer digitalen Spiegelreflexkamera (Canon EOS1000D) an einem DADOS-Spaltspektrograph aufgenommen. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen Beitrag aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Dieser skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Das Minimalziel der Unterrichtseinheit, die Konstruktion des Spektrums einer Energiesparlampe mit Ermittlung der Wellenlängen der im Spektrum beobachtbaren Emissionslinien mit einer Genauigkeit von etwa einem Nanometer, ist in nur einer Doppelstunde zu realisieren. Der Zeitaufwand vergrößert sich naturgemäß, wenn man deutlich präzisere Ergebnisse anstrebt. Gleiches gilt, wenn man die Thematik in größere Zusammenhänge einbetten möchte. Dabei geht es dann um Aufbau und Funktionsprinzip von Energiesparlampen und um die Wirkungsweise ihrer Leuchtstoffe. Informationen zu diesen Themen finden Schülerinnen und Schüler im Internet. Für einen ersten Überblick gibt der folgende fachliche Kommentar eine kurze Einführung in die Thematik "Leuchtstoffröhre". Die Begriffe "Energiesparlampe" und Leuchtstoffröhre" werden dabei synonym gebraucht. Fachlicher Kommentar: Leuchtstoffröhren Allgemeine Informationen zu Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren und dazu, wie diese UV-Licht in sichtbares Licht verwandeln Aufnahme und Vermessung der Spektren Eine ausführliche Anleitung, Spektren der Kalibrierlampen und der zu vermessenden Energiesparlampen sowie eine Beispielauswertung können Sie hier herunterladen. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Der GDCh-Artikel skizziert die Diskussion um die Energiesparlampe und stellt die "Chemie dahinter" vor. Zudem werden Technik und Potenziale der LEDs vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen Aufbau und Funktion von Energiesparlampen beschreiben und erklären können. die Wirkungsweise der Leuchtstoffe und deren Beitrag zur Energie-Effizienz verstehen. einen Gitterspektrographen anhand der bekannten Spektren von atomarem Wasserstoff und von Quecksilber kalibrieren. aus digitalen Bilddateien die Emissionsspektren von Leuchtstofflampen in Form einer Funktion extrahieren, welche jeder Wellenlänge im sichtbaren Bereich eine Intensität zuordnet. in Energiesparlampenspektren die Emissionslinien von Quecksilber erkennen. Thema Vermessung der Spektren von Energiesparlampen Autoren Steffen Urban, Peter Stinner Fächer Physik, Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-5 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang für die Recherche zum Thema und für die Erstellung und Auswertung der Spektren Software Astroart-Demoversion (kostenfreier Download, siehe Internetadresse), Tabellenkalkulation (bevorzugt MS-Excel) Leuchtstoffröhren sind Gasentladungslampen, in denen Quecksilberatome beim Quecksilberdampfdruck von einigen mikrobar durch Elektronenstoß zum Leuchten angeregt werden. Abb. 1 zeigt vereinfacht das Energieniveau-Schema eines Quecksilberatoms (nach einer Versuchsbeschreibung zum Franck-Hertz-Versuch der Firma NEVA, jetzt ELWE). Die waagerechten Linien repräsentieren Energieniveaus, deren Energie relativ zum Grundzustand in Elektron-Volt (eV) angegeben ist. Die senkrechten Doppelpfeile stehen für mögliche Quantenübergänge ("Elektronensprünge") zwischen diesen Energieniveaus. Die Zahlenwerte geben die Wellenlängen des bei diesen Übergängen emittierten Lichts in Nanometern (nm) an. Die Übergänge, welche die Emission von sichtbarem Licht zur Folge haben, sind entsprechend farbig gekennzeichnet. Die intensivste Linie im Quecksilberspektrum ist jedoch die zum 4,9 eV-Übergang gehörende Linie im ultravioletten Spektralbereich (UV). Damit ihre Energie nicht ungenutzt in die durch Absorption im Glas stattfindende Erwärmung der Lampe verloren geht, kleidet man die Innenseite der Leuchtstoffröhre mit sogenannten Leuchtstoffen aus. Diese können zum Beispiel aus Sulfiden, Silikaten oder Wolframaten bestehen. In den Leuchtstoffen wird das UV-Licht der Wellenlänge 253,7 nm in sichtbares Licht umgewandelt, dessen spektrale Zusammensetzung sich in weiten Grenzen durch die Wahl der Leuchtstoffe an den Verwendungszweck anpassen lässt. Um für das menschliche Auge den Eindruck weißen Lichts zu erzeugen, wird der im Quecksilberspektrum komplett fehlende Rotanteil auf diese Weise erzeugt. Informationen über das zugrunde liegende physikalische Prinzip findet man bei einer Internetrecherche über die Suchbegriffe "Stokes-Shift" oder "Stokesverschiebung". Wikipedia: Stokes-Shift Informationen zur Entdeckung und Beschreibung der Stokesverschiebung auf der Webseite der freien Online-Enzyklopädie Letztlich entsteht im Leuchtstoff aus einem hochenergetischen UV-Photon ein energieärmeres sichtbares Photon. Die entsprechende Differenzenergie verbleibt im Leuchtstoff und erwärmt diesen. Abgesehen von der Elektrodenerwärmung ist das beinahe der gesamte Energieverlust in solchen Lampen. Leuchtstofflampen wandeln fast die Hälfte der aufgenommenen elektrischen Energie in sichtbares Licht um. Bei Glühlampen liegt dieser Anteil unter 10 Prozent (Dieter Meschede: Gerthsen Physik, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg, 2006). Die Darstellung in Abb. 2 dient dem qualitativen Vergleich der Spektren einiger Energiesparlampen und einer Quecksilberlampe. Im Quecksilberspektrum (5) erkennt man die stärksten der im Schema von Abb. 1 markierten sichtbaren Spektrallinien (a bis e). Man findet diese auch in den Spektren 1 bis 4. Alle zusätzlichen Linien und Farbbereiche in diesen Spektren sind Ergebnisse der Umwandlung des UV-Lichts in sichtbares Licht, die in den Leuchtstoffen stattfindet. Das oberste Spektrum (1) gehört zu einer konventionellen Leuchtstoffröhre langer Bauform, wie sie bereits seit vielen Jahrzehnten verwendet wird. Das zweite und das dritte Spektrum stammt jeweils von einem modernen "Billigprodukt" (Spektrum 2: IKEA-Modell GA607N1961 0844, 7W; Spektrum 3: Baumarktprodukt DekoLight, 7W), das vierte dagegen von einem Markenprodukt (Philips Genie CDL 695, 18W). Der Vergleich von Spektrum 1 mit den Spektren 2 bis 4 zeigt unmittelbar, dass Energiesparlampen keine Erfindung des 21. Jahrhunderts sind, denn unter dem Namen "Leuchtstoffröhren" gibt es sie schon seit Jahrzehnten. Deshalb erscheint es gerechtfertigt, die Begriffe Leuchtstofflampe beziehungsweise -röhre und Energiesparlampe synonym zu gebrauchen. Einsatz des DADOS-Spaltspektrographen Die dieser Unterrichtseinheit zugrunde liegenden Spektren einiger Energiesparlampen und zweier Kalibrierlichtquellen (Wasserstoff- und Quecksilberspektrallampen) wurden mit einem DADOS-Spaltspektrograph der Firma Baader-Planetarium an einem f = 1.000 Millimeter-Spiegelteleobjektiv aufgenommen. Wer sich für die Technik der Gewinnung von Spektren als Bilddateien interessiert, findet ausführliche Informationen dazu in der Unterrichtseinheit Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln . Quantitative Auswertung Nachdem das zu bearbeitende Spektrum einer Energiesparlampe (Abb. 3 und Bilddateien der Downloadmaterialien, siehe unten) aufgenommen wurde, stellt sich die Frage, welche Lichtwellenlänge von welchem Ort im Bild des Spektrums repräsentiert wird. Zur Beantwortung dieser Frage muss der Spektrograph kalibriert (geeicht) werden. Dabei kommt das in der Datei "esl_spektroskopie_anleitung.pdf" (siehe unten) beschriebene Verfahren zur Anwendung. Geeignete Kalibrierlampen Als sogenannte Kalibrierlichtquellen verwendet man externe Lichtquellen, die hinreichend viele und möglichst genau bekannte Wellenlängen emittieren, die über das gesamte sichtbare Spektrum verteilt sind. Kombiniert man die Spektren einer Quecksilberdampflampe und einer Wasserstofflampe ("Balmerlampe"), dann sind diese Anforderungen gut erfüllt. Beim Spektrum der Balmerlampe (Abb. 4) fällt auf, dass dem Hintergrund des Wasserstoff-Molekülspektrums das Linienspektrum des atomaren Wasserstoffs überlagert ist. Die Linien H-alpha, H-beta und H-gamma des letzteren sind leicht zu identifizieren und zuzuordnen. 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. Einen für diese Unterrichtseinheit relevanten Artikel stellen wir hier kurz vor. Der vollständige Beitrag steht 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. Diskussion um die Energiesparlampe - Quecksilber und schlechtes Licht Aufgrund der Stromsparpolitik der Europäischen Union werden Glühlampen seit dem 1. September 2009 sukzessive aus dem Verkauf genommen. Ab Mitte 2012 dürfen dann keine Glühlampen mehr verkauft werden. Die nun zum Einsatz kommenden Energiesparlampen finden jedoch bisher wenig Akzeptanz in der Bevölkerung. Sie enthalten giftiges elementares Quecksilber und müssen deshalb als Sondermüll entsorgt werden. Der meistgenannte Kritikpunkt ist aber die schlechte Lichtqualität der neuen Lampen und ihre in zahlreichen Presseberichten unterstellte Gesundheitsgefährdung. Um dies genauer betrachten zu können, berschreibt der Artikel zunächst der Aufbau und die Funktionsweise von Energiesparlampen. Die Entstehung der Emissionsspektren wird detailliert dargestellt. Eine Alternative? - Light Emitting Diodes (LEDs) Lampen auf Festkörperbasis, nämlich Leuchtdioden (Light Emitting Diodes, LEDs), weisen bereits heute eine höhere Effizienz als Energiesparlampen auf. Dies sollte sich in Zukunft noch deutlich steigern lassen. Vor- und Nachteile organischer und anorganischer LEDs sowie die Funktionsweise anorganischer LEDs werden vorgestellt. Fazit Der zukünftige Einsatz von Lampen auf LED-Basis kann zu einer nicht unbeträchtlichen Einsparung von Energie führen. Dabei sind in erster Linie Chemikerinnen und Chemiker gefragt, neue Leuchtstoffe zu entwickeln, die einerseits sehr effizient emittieren und andererseits die gewünschten optischen Eigenschaften bezüglich Absorption und Emission besitzen. Zu diesem Zweck muss auch noch Grundlagenforschung durchgeführt werden, da die Struktur-Lumineszenz-Beziehungen in vielen Fällen nicht ausreichend geklärt ist, um gezielt neue Leuchtstoffe für unterschiedliche Anwendungen zu finden.

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 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

Die Schülerinnen und Schüler lernen Erik und Tina kennen und entdecken mit ihnen gemeinsam typische Arbeitsaufgaben eines Elektronikers und einer Elektronikerin. Dabei setzen sie sich auch spielerisch und entdeckend mit aktuellen Fragen zu erneuerbaren Energien und Nachhaltigkeit auseinander. Das Unterrichtsmaterial vermittelt Schülerinnen und Schülern mithilfe der Figuren Erik und Tina grundlegendes Wissen zu den Aufgaben, dem Arbeitsalltag und den Arbeitsmitteln von Elektroniker/-innen. Dabei geht es auch um die Themen Elektromobilität und Energiegewinnung. Einen Schwerpunkt bildet hier auch die altersgerechte Auseinandersetzung mit erneuerbaren Energien. Neben Erik und Tina als Identifikationsfiguren sorgen Lückentexte, Bildergeschichten, Zuordnungsaufgaben oder ein Memory für die spielerische und zugleich handlungsorientierte Auseinandersetzung. Durch wechselnde Sozialformen wird darüber hinaus der Kompetenzaufbau gefördert. Die vorliegende Unterrichtseinheit "Energie mit Erik und Tina entdecken" richtet sich an Schülerinnen und Schüler der Grundschule, insbesondere an die Klassenstufen 3 und 4. Sie baut auf der Unterrichtseinheit "Erik und Tina, die Elektroniker" auf, kann aber auch unabhängig von dieser genutzt werden. Die Lernenden erarbeiten sich grundlegende Informationen zum Beruf des Elektronikers/der Elektronikerin. Als Identifikationsfiguren dienen Erik und Tina. Mit ihrer Hilfe erfahren die Lernenden, wie der Arbeitsalltag der beiden Elektroniker/-innen aussieht und welche typischen Aufgaben sie haben. Darüber hinaus erfahren die Schülerinnen und Schüler, wie Strom gewonnen wird. Im Mittelpunkt stehen dabei vor allem nachhaltige Möglichkeiten wie Windkraft, Sonnenenergie, Erdwärme, Wasserkraft oder mithilfe einer Wärmepumpe. Auf dieser Grundlage setzen sie sich im gemeinsamen Austausch mit dem Begriff und den Merkmalen "erneuerbare Energie" auseinander. Ziel ist es, dass sie erkennen, dass erneuerbare Energien vor dem Hintergrund des menschlichen Zeithorizonts nahezu unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern. Verschiedene didaktische Angebote, wie Lückentexte, Bildergeschichten, Zuordnungsaufgaben oder ein Memory ermöglichen den Schülerinnen und Schülern einen abwechslungsreichen und handlungsorientierten Einstieg. Sie können in Einzel- oder Gruppenarbeit, aber auch im Plenum bearbeitet werden. Vertiefende Aufgaben dienen der Differenzierung. Lehrplanbezug Die Themen Elektrizität und Energie sind elementare Lehrplanbestandteile des Unterrichts in der Grundschule aller deutschen Bundesländer. Hier werden den Kindern erste Grundkenntnisse im Fach Sachkunde/Sachunterricht/Heimat- und Sachkunde vermittelt. Diese Vorgaben greift die Unterrichtseinheit auf. Sie vermittelt sowohl Sachinformationen regt aber auch zum handlungsorientierten, entdeckenden Lernen an und fördert durch Diskussionsanregungen die Reflexionsfähigkeit. Einsatzmöglichkeiten Ganz gleich, ob Präsenzunterricht oder hybrides Lernen: "Energie mit Erik und Tina entdecken" eignet sich besonders für den Sachkundeunterricht. In Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Zeit können sowohl einzelne Aspekte der Unterrichtseinheit als auch alle Themen der Unterrichtseinheit behandelt werden. Darüber hinaus bieten auch Projektwochen Einsatzmöglichkeiten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen, wie Strom entsteht und wie man sich sicher im Umgang mit Strom verhält. kennen Möglichkeiten der nachhaltigen Stromgewinnung diskutieren Vorteile einer Stromgewinnung mithilfe erneuerbarer Energien. erfahren, dass Haushalte nicht nur Strom konsumieren, sondern auch selbst produzieren können. tragen zusammen, wie man sich bei einem Stromausfall verhält. erkennen, dass Menschen unterschiedliche Fähigkeiten und Interessen haben. lernen den Beruf des Elektronikers/der Elektronikerin kennen. erkennen, dass auch Mädchen eine Ausbildung als Elektronikerin ergreifen und in diesem Beruf arbeiten können. setzen sich altersangemessen mit dem Arbeitsalltag und den typischen Aufgaben von Elektroniker/-innen auseinander. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren Texte zielgerichtet entsprechend einer Aufgabenstellung. lernen, Medien zur Informationsbeschaffung zu nutzen. üben sich darin, wichtige von unwichtigen Informationen zu unterscheiden und wichtige Inhalte aus einem Medienbeitrag zu extrahieren. erkennen die Interdependenz von Bild- und Textinformationen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- beziehungsweise Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Personen. lernen das strukturierte Erfassen von Informationen aus Sachtexten. lernen Diskussionen argumentativ und rational zu führen. schulen im Rahmen von Diskussionen die eigene Ausdrucksfähigkeit und aktives Zuhören. stärken ihr Gemeinschaftsgefühl in der Klasse.

Dieser Basisartikel zum Thema Erdöl bietet Informationen und Links zur Bedeutung des Erdöls für die Weltwirtschaft. Allgemeines Entsetzen herrscht derzeit an den Zapfsäulen. Die Fahrt zur Tankstelle ist für die Autofahrer wahrlich keine Freude: Praktisch jede Woche steigen die Treibstoff-Preise. Im August haben die Ölpreise an den internationalen Märkten neue Rekordstände erreicht: In den USA überstieg des Preis für ein Barrel Öl die bisherige Rekordgrenze von 45 Dollar. Die Gründe für den drastischen Anstieg sind vielfältig. Die wirtschaftlichen Konsequenzen gehen weit über den ärgerlichen Spritpreis hinaus. Die Schülerinnen und Schüler informieren sich über die Produktion und den Verbrauch von Erdöl in der Welt. erkennen die Bedeutung des Rohstoffs Erdöl für die globalisierte Wirtschaft. werden sich möglicher Konflikte und Gefahren durch die Bedeutung des Erdöls bewusst. informieren sich über alternative und regenerative Energien. diskutieren Lösungswege aus der Öl-Abhängigkeit. nutzen das Internet als Informations- und Recherchemedium. Saudi-Arabien ist Nummer 1 Das meiste Öl wird im Nahen Osten gefördert. Länder wie Saudi-Arabien, Kuwait oder der Iran haben ihre Wirtschaft ganz auf den Handel mit dem lukrativen Rohstoff ausgerichtet. Aufgrund ihrer gigantischen Vorräte werden sie noch auf Jahrzehnte hinaus den Ölmarkt bestimmen; Saudi-Arabien besitzt allein ein Viertel der weltweiten Erdöl-Reserven. Nach Saudi-Arabien und noch vor den USA ist Russland der zweitgrößte Öl-Förderer. Stattliche Reserven des schwarzen Goldes liegen ferner im lateinamerikanischen Venezuela, in einigen Staaten Westafrikas (zum Beispiel in Nigeria) sowie in Ostasien. Öl-Vorkommen in der Nordsee schwinden Aber auch europäische Länder gehören zu den Erdöl-Exporteuren. Norwegen und Großbritannien zählen zu den zehn größten Produzenten der Welt; sie fördern das Öl meist auf Bohrinseln im Meer. Nach Ansicht von Forschern sind die Vorräte in der Nordsee jedoch in absehbarer Zeit aufgebraucht. Einfluss der OPEC Einige Länder, die Erdöl produzieren und ins Ausland verkaufen, haben sich zu einer Art Kartell zusammengeschlossen, der "Organisation erdölexportierender Länder" (OPEC). Sie kontrollieren etwa ein Drittel des weltweiten Ölmarktes. Damit können die elf Mitgliedsstaaten (Algerien, Indonesien, Iran, Irak, Kuwait, Libyen, Nigeria, Qatar, Saudi-Arabien, die Vereinigten Arabischen Emirate und Venezuela) den Preis gezielt beeinflussen. Erdölverbrauch in Industrienationen übersteigt Produktion Vergleicht man auf einer Weltkarte die Produktion und den Verbrauch von Erdöl, stellt man fest, dass die Industrienationen deutlich mehr Öl verbrauchen als sie selbst produzieren. Allein die USA müssen fast dreimal so viel Öl importieren wie sie selbst produzieren. Damit sind die Industriestaaten von ihren Handelspartnern abhängig. Die Bedeutung des Rohstoffs Öl ist so groß, dass das Wohl der gesamten Wirtschaft von seiner Verfügbarkeit abhängt. Für die Industriestaaten ist es insgesamt überlebensnotwendig, sich auf gesicherten Nachschub verlassen zu können. Für Autos, Kunststoffe und Medikamente 60 Prozent des Ölkonsums der Industrienationen sind durch den Verkehr bedingt. Aber das Öl dient bei Weitem nicht nur zum Autofahren. In über 90 Prozent aller Produkte ist der Rohstoff enthalten, besonders Kunststoffe basieren auf Öl. Die Tastatur des Computers enthält also ebenso Öl wie ein Joghurtbecher oder eine Wäscheklammer. Die Chemieindustrie verarbeitet den Rohstoff zu vielen anderen Stoffen, und auch in vielen Medikamenten ist Erdöl eine wichtige Komponente. Autofreie Sonntage in den siebziger Jahren Besonders drastisch zeigte der erste Ölpreisschock in den siebziger Jahren die allgemeine Abhängigkeit vom Erdöl. Die arabischen Länder boykottierten den Ölmarkt, um politische Zugeständnisse zu erreichen. Prompt stieg der Preis für den Rohstoff um das Dreifache, und die Industriestaaten gerieten in eine schwere Wirtschaftskrise: Allein in Deutschland sank das Wirtschaftswachstum damals zum ersten Mal seit Kriegsende in den negativen Bereich. Um Energie zu sparen, rief die Bundesregierung autofreie Sonntage aus, an denen Fahrradfahrer über gespenstisch leere Autobahnen radelten. Auch heute sind die Industriestaaten vom Wohlwollen der Ölproduzenten abhängig. Jede Steigerung des Ölpreises wirkt sich auf die Wirtschaftslage eines Landes aus. Energiepreise beeinflussen Wirtschaftswachstum Das wurde auch vor ein paar Wochen deutlich. Anfang August stieg der Preis für Rohöl an der New Yorker Börse auf über 45 Dollar pro Barrel (1 Barrel = 159 Liter), in London auf über 42 Dollar. Wirtschaftsexperten warnten angesichts dieses drastischen Anstiegs vor der Gefahr einer Wirtschaftskrise: Der steigende Energiepreis führt zu einer allgemeinen Verteuerung - so wächst die Inflation, denn die Bürger haben wegen höherer Energiepreise weniger Geld zum Kauf anderer Güter, und auch die Wirtschaft hat geringere Erträge, weil sie ebenfalls mehr Geld für Energie ausgeben muss. Anstieg der Inflationsrate in Deutschland Die hohen Benzin- und Ölpreise haben die Inflation in Deutschland im Juli nach oben getrieben. Wie das Statistische Bundesamt in Wiesbaden mitteilte, erhöhten sich die Lebenshaltungskosten um 1,8 Prozent gegenüber dem Vorjahresmonat. Im Juni hatte die Preissteigerung 1,7 Prozent betragen. Und bereits im Mai hat der Anstieg des Ölpreises die Inflationsrate in Deutschland mit zwei Prozent auf den höchsten Stand seit zwei Jahren getrieben. Eine Tankfüllung kostet derzeit über zehn Prozent mehr als 2003. Chinesischer Wirtschaftsboom schafft Bedarf Die Rekordpreise der letzten Wochen sind dabei nur das vorläufige Ende einer kontinuierlichen Entwicklung. Die weltweit stetig steigende Nachfrage sorgt automatisch für höhere Preise. In Nationen wie Indien und besonders in China sorgt die rasante Industrialisierung für eine bisher ungeahnte Nachfrage nach Erdöl. Allein in China stieg der Ölverbrauch im letzten Jahr um 13 Prozent. Nach den Vereinigten Staaten und vor Japan verbraucht die Volksrepublik China die zweitgrößte Erdölmenge in der Welt. Auch in Asien allgemein und in den USA gewinnt die Wirtschaft wieder an Kraft, und der Aufschwung macht sich in einer höheren Nachfrage nach Brennstoff bemerkbar. Instabile Lage im Nahen Osten In den traditionellen Förderländern sorgt gleichzeitig die politische Unsicherheit für Preisturbulenzen auf dem Ölmarkt. Im Nahen Osten sind die Zustände nach dem Irak-Krieg immer noch unübersichtlich. Fundamentalistische Terroristen verübten im Irak und in Saudi-Arabien gezielt Anschläge auf Beschäftigte der Ölindustrie, und sie drohen mit weiteren Attentaten. Das Land, das knapp zehn Prozent des weltweiten Erdöls fördert und in dem etwa ein Viertel der weltweiten Ölreserven vermutet werden, ist besonders bedroht: Saudi-Arabien kooperiert eng mit den USA als bestem Erdölkunden. Gleichzeitig sind fundamentalistische Extremisten dort besonders stark, und die örtlichen Behörden verfolgten sie in den letzten Jahren kaum. Ein Ziel der Terroristen ist es, die saudische Regierung zu stürzen, um anschließend auch den Ölmarkt zu kontrollieren. Auch die anhaltende Krise um den russischen Ölkonzern Yukos trägt zum Preisanstieg an den Börsen bei. Reale Ölknappheit Die Folge: Die Förderländer kommen mit der Produktion kaum nach. Während die OPEC bei früheren Gelegenheiten absichtlich die Produktion einschränkte, um Preise zu erhöhen, gibt es diesmal keine solche Absprache - im Gegenteil: Anfang Juni beschloss die OPEC, die Förderquote ab Juli zunächst um zwei Millionen Barrel auf dann täglich 25,5 Millionen Barrel zu steigern. Im August soll eine weitere Anhebung um 500.000 Barrel folgen, um den Preis nicht allzu hoch steigen zu lassen. Das Öl ist tatsächlich knapp, und es wird auch in Zukunft knapp bleiben. Die Umweltschutzorganisation Greenpeace schätzt, dass der Bedarf bis 2020 auf über 100 Millionen Barrel pro Tag ansteigen wird, während es 2000 nur 75 Millionen Barrel täglich waren. Angesichts schrumpfender Vorräte dürfte der Preis also künftig überdurchschnittlich steigen. Sparsame Autos wenig gefragt Ein wichtiger Schritt zur Lösung der erwarteten Öl-Knappheit ist das Energiesparen. Bislang tut sich die Industrie jedoch schwer damit, benzin- und ölsparende Autos zu verkaufen. So genannte Drei-Liter-Autos, die auf 100 Kilometer nur drei Liter Benzin verbrauchen, sind zwar seit einigen Jahren bei einigen Herstellern im Handel - doch die Käufer scheinen sich kaum um den Verbrauch zu kümmern. Die Autohersteller melden eher enttäuschende Verkaufszahlen für die sparsamen Wagen, während Geländewagen und Luxuskarossen - allen Benzinpreisschocks zum Trotz - größeren Absatz finden. Tempolimit nicht in Sicht Entsprechend schwierig ist es in Deutschland, ein Tempolimit durchzusetzen, obwohl einige Politiker dies während der jüngsten Ölpreissteigerungen forderten. Die wenigsten Autofahrerinnen und Autofahrer würden eine Spitzengeschwindigkeit von 130 km/h oder gar 100 km/h begrüßen - auch wenn die niedrigeren Geschwindigkeiten nachweislich den Treibstoffkonsum deutlich senken helfen. In den Europäischen Nachbarländern sind Tempolimits dagegen schon lange eingeführt: In Frankreich, Österreich und Polen gilt beispielsweise eine Spitzengeschwindigkeit von 130 Stundenkilometern auf Autobahnen, in den Benelux-Ländern von 120, in Großbritannien von 112 Stundenkilometern (70 miles). Sparen kann aber auch deshalb nicht die einzige Lösung sein, weil die fossilen Brennstoffe nicht unendlich zur Verfügung stehen. Die Forschung sucht nach Alternativen zum bisherigen Benzin- oder Diesel-Treibstoff, um auch künftig die Mobilität der Menschen zu garantieren. Staatliche Förderung der Windkraft Ein Vorbild ist der Elektrizitätsmarkt. Bei der Stromerzeugung steigt in den letzten Jahren der Anteil erneuerbarer Energien. Immer mehr Strom wird aus der Kraft der Sonne gewonnen und immer mehr Windräder speisen Strom in die Netze ein. Zwar ist der Anteil solcher alternativer Energiequellen am gesamten Stromverbrauch noch sehr gering, doch spezielle Förderprogramme der Regierung helfen mit, die erneuerbaren Energien zu verbreiten: Die Betreiber von Windrädern erhalten Steuervorteile und einen besonders hohen, festgelegten Preis für ihren Strom. Autos mit Erdgas Auch die Autoindustrie arbeitet an Alternativen zum Erdöl. Technisch bereits ausgereift sind beispielsweise Gas-Autos. Als Treibstoff dient ihnen Erdgas, ein Rohstoff, der deutlich billiger ist als Öl, von dem riesige Vorräte verfügbar sind und der für das Klima zudem weniger schädlich ist als Benzin. Noch bieten nicht alle Tankstellen Erdgas an, doch breiten sich gasbetriebene Autos immer weiter aus: Etwa 20.000 Autos, darunter auch Busse und Lastwagen, fahren bei uns bereits mit dem Treibstoff; weltweit sind es über drei Millionen. Auch Erdgas-Reserven sind begrenzt Doch gibt es auch hier mahnende Stimmen. Erdgas müssen wir ebenfalls importieren, und die größten Vorräte lagern in der politisch unruhigen Region südlich von Russland. Die Gefahr besteht also, dass wir uns zwar aus der Öl-Abhängigkeit befreien, mit dem Umstieg auf das Gas aber gleich in die nächste Abhängigkeit begeben. Wie Erdöl ist auch Erdgas nur eine begrenzte vorhandene Ressource - irgendwann sind die Vorräte erschöpft; Experten rechnen damit in etwa 65 Jahren. Biodiesel aus Biomasse Eine zukunftsträchtigere Variante scheint daher die Entwicklung von Treibstoff aus nachwachsenden Rohstoffen zu sein, zum Beispiel Treibstoff aus Biomasse. Er wird aus ölhaltigen Pflanzen wie etwa Raps hergestellt, und bereits heute fahren bei uns Autos oder ganze Eisenbahnen mit dem nachwachsenden Biodiesel. Experten bezweifeln jedoch, dass der biologische Treibstoff das herkömmliche Benzin vollständig ersetzen kann. Es sei nicht möglich, die notwendigen Mengen zu produzieren. Wasserstoff-Technik noch in Kinderschuhen Die Industrie forscht darüber hinaus noch weiter: Das Ziel ist die Entwicklung eines Wasserstoff-Autos. Wasserstoff könnte regenerativ erzeugt werden, und die mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen-Fahrzeuge würden kaum noch klimafeindliche Stoffe ausstoßen. Doch diese Technik steckt bislang in den Kinderschuhen; erste brauchbare Fahrzeuge werden wohl erst in den nächsten fünf bis zehn Jahren auf den Markt kommen. Ein Problem hierbei ist, dass die Herstellung von Wasserstoff selbst höchst energieaufwändig ist. Forschung mit Zukunft Dennoch zeigt die Entwicklung auf dem Strommarkt, dass innovative Energiequellen bei entsprechender Förderung durchaus eine Zukunft haben. Da alle Experten ein starkes Ansteigen des Ölpreises in den nächsten Jahren vorhersagen, wird die Nachfrage nach alternativen Energiequellen weiterhin ansteigen. Das dürfte auch die Forschung und die Entwicklung neuer Technologien beflügeln.

Die Unterrichtseinheit will den Blick auf die Möglichkeit richten, den Wind als kostengünstigen und umweltfreundlichen Energiespender zu nutzen. Auf kindgerechten Webseiten mit Arbeitsaufträgen und interaktiven Übungen wird das Wissen für Kinder verständlich vermittelt. Den Wind beziehungsweise bewegte Luft als Energiespender zu nutzen, ist den Kindern nicht unbekannt, wenngleich sie sich diese Tatsache nicht immer bewusst machen: Schon als Kleinkinder laufen sie gerne mit Windrädchen herum oder sie beobachten mit leuchtenden Augen, wie sich die Weihnachtspyramide dreht. Die Niederlande und Windmühlen gehören zusammen, auch das weiß jedes Kind. Neuer ist die moderne und umfangreiche Möglichkeit, den Wind als kostengünstigen und umweltfreundlichen Energiespender zu nutzen. Die Unterrichtseinheit will eben darauf die Aufmerksamkeit lenken und das Bewusstsein schärfen für das immense Potenzial der Windenergie. Die interaktive Lerneinheit dient als Plattform für die Internetrecherche, von der aus gezielt kindgemäße Webseiten zur Lösung der Arbeitsaufträge angeklickt werden können. Verschiedene interaktive Übungen und herkömmliche Arbeitsblätter runden die Arbeit ab. Jedes Kind hat schon einmal, bewusst oder unbewusst, die Kraft des Windes genutzt oder seine Auswirkungen gespürt: Drachensteigen im Herbst, die Weihnachtspyramide zum Christfest, das Windrädchen in den Händen lachender Kleinkinder. Der Wind bläst einem ins Gesicht, wenn man sich mit einem Karussell dreht oder mit dem Fahrrad fährt. Die Nutzung von Windenergie gehört also eigentlich zu ihrem Alltag. Die vorliegende Unterrichtseinheit will in einem multimedialen Ansatz den Blick auf diese Dinge richten, und außerdem zeigen, wie Windenergie erzeugt wird und wie die Kraft des Windes genutzt werden kann. Neben der Recherche im Internet arbeiten die Kinder mit herkömmlichen Medien wie Arbeitsblätter, Wörterbuch und Lexikon. Vorbereitung und Inhalte der Lernumgebung Diese Seite bietet einige Hintergrundinformationen zum Thema Windenergie und führt in die Nutzung der interaktiven Lernumgebung ein. Arbeitsmaterial zur interaktiven Lernumgebung Auf dieser Seite finden Sie Informationen zu den einzelnen Arbeitsblättern und Hinweise, wie sie im Unterricht eingesetzt werden können. Links zum Thema Internetadressen mit Informationen und weiterführenden Materialien zum Thema "Windenergie" und zu den Inhalten dieser Unterrichtseinheit. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen in den Fächern Sachunterricht, Deutsch, Englisch und Kunst Lernziele erreichen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen gezielte Recherchen im Internet durchführen und das World Wide Web als Informationsquelle nutzen. eine interaktive Lerneinheit am PC bearbeiten und dabei Erfahrungen mit dem Prinzip der Verlinkung machen. interaktive Übungen durchführen (Hot Potatoes-Zuordnung, Kreuzworträtsel). ein interaktives Puzzle durchführen und Erfahrungen mit Drag & Drop machen. eine Videodatei anschauen und Audiodateien anhören. Sozialkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler sollen Absprachen zur Benutzung der PC-Arbeitsplätze treffen. sich als Partner über die Reihenfolge der Aufgaben einigen. sich gegenseitig helfen. Thema Windenergie Autorin Margret Datz, Agentur für erneuerbare Energien Fächer Sachunterricht, Deutsch, Englisch, Kunst Zielgruppe Klasse 3-4 Zeitraum Circa eine Woche Technische Voraussetzungen Computerraum / Medienecke mit Internetanschluss, Soundkarte, RealPlayer oder Windows Media Player, Kopfhörer Erforderliche Vorkenntnisse Genereller Umgang mit dem PC, Erfahrungen im Bereich der offenen Unterrichtsformen Planung Verlaufsplan "Windenergie" Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Überblick über erneuerbare Energien erhalten. erfahren, was Wind ist und wie er entsteht. erfahren, dass Wind Kraft hat. überlegen, wie man diese Kraft nutzen kann. die Teile einer Windanlage erkennen. erfahren, wie eine Windanlage funktioniert. überlegen, welche Vorteile und Nachteile die Nutzung von Windenergie hat. erfahren, was ein Offshore-Windpark ist. Experimente zum Wind durchführen und beschreiben. Die Schülerinnen und Schüler sollen Lückentexte ergänzen. Rätselschriften entziffern. eine Tabelle vervollständigen. Abbildungen beschriften. Abbildungen vervollständigen. Worträtsel lösen. Redensarten vom Wind und ihre Bedeutung kennen lernen. ein Gedicht vom Wind lesen und abschreiben. biografische Daten von Heinrich Heine kennen lernen. zusammengesetzte Nomen mit "Wind" bilden. Lernwörter für ein Diktat üben. Verben zum Wind in Sätzen benutzen. Die Schülerinnen und Schüler sollen einen englischen Kinderreim kennen lernen. englische Wörter zu dem Reim kennen lernen und die Aussprache am Computer üben. Die Schülerinnen und Schüler sollen ein Windrad basteln. Ursachen für den Wind Wind ist nichts anderes als bewegte Luft. Hauptursachen für den Wind ist der unterschiedliche Luftdruck zwischen Luftmassen. Dabei fließt Luft aus dem Hochdruckgebiet so lange in das Tiefdruckgebiet, bis der Luftdruck wieder ausgeglichen ist. Je größer dabei der Unterschied zwischen den Luftdrücken ist, desto heftiger fließt die Luftmasse in das Tiefdruckgebiet nach und desto höher sind die messbaren Windstärken. Entstehung der Luftdruckunterschiede Die Sonne erwärmt die Erde und die Luft. Warme Luft hat eine geringere Dichte, ist also leichter und steigt auf. Aufgrund des entstehenden Unterdrucks strömt kalte Luft von der Seite nach: Die Luft bewegt sich und es ist Wind entstanden. Einteilung in Windstärken Wind wird gemessen in Windstärken von 0 bis 12. Bei Windstärken zwischen zwei und fünf spricht man von Böen. Bei Windstärke 6 spricht man von starkem, bei Windstärke 7 von steifem und Windstärke 8 von stürmischem Wind. Ab Windstärke 9 bezeichnet man den Wind als Sturm und bei Windstärke 12 als Orkan. Kraft des Windes Dass Wind ungeheure Kraft haben kann, wird spätestens nach einem Unwetter klar. Aber auch bei mäßigem Wind kann man seine Wirkung sehen: Er bewegt Blätter, Äste und Zweige oder dreht Wetterhähne auf Kirchtürmen. Diese Kraft des Windes wurde schon vor Jahrhunderten in Form von Windmühlen und Windräder nutzbar gemacht. Windenergie als Stromerzeuger Mittlerweile setzt man auch bei der Stromerzeugung auf Windenergie. Windkraftanlagen können in allen Klimazonen eingesetzt werden. Zudem ist er kostenlos, nicht schädlich und somit umwelt- und klimafreundlich. Da er weltweit zur Verfügung steht, gibt es keine Abhängigkeiten der Nationen untereinander. Sein großer Nachteil ist, dass er nicht jederzeit und in gleicher Stärke zur Verfügung steht und man ihn nicht speichern kann. Deshalb braucht man bei seinem Einsatz andere Energieformen, die gut speicherbar sind, als Partner. Wasser, das in Stauseen aufgefangen werden kann oder Biogas aus nachwachsenden Pflanzen sind die ideale Ergänzung und können zu so genannten Kombikraftwerken zusammengelegt werden. Umwandlung der Energien Eine Windkraftanlage wandelt die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um und führt sie dem Stromnetz zu. Die Windströmung trifft auf die Rotorblätter und versetzt den Rotor in eine Drehbewegung. Diese Rotationsenergie wird an einen Generator weitergeleitet, der sie in Strom verwandelt. Dieser wird durch den Turm in den Transformator geleitet und gelangt von dort aus in das öffentliche Stromnetz. Windparks Ein Windpark ist eine Ansammlung von Windkraftanlagen in besonders windreichen Regionen auf dem flachen Land oder an sanften Hügeln. In Deutschland wurde am 27. April 2010 der erste deutsche Offshore-Windpark 45 Kilometer nördlich der Insel Borkum in der Nordsee eröffnet. Die zwölf Windenergieanlagen stehen in 30 Meter tiefem Wasser und sind bis zu 180 Meter hoch. Strom aus einer solchen Anlage leistet einen wichtigen Beitrag zur deutschen Energie- und Klimapolitik, denn die hohen Windgeschwindigkeiten auf dem Meer versprechen einen hohen Energiegewinn und damit nicht nur eine Entlastung der Umwelt, sondern auch einen wirtschaftlichen Betrieb. Inhalte Die interaktive Lernumgebung besteht neben der Eingangsseite aus sechs weiteren Hauptseiten (Eine windige Sache/Windige Sprache/Windy Things/Windige Experimente/Impressum), einer Unterseite, fünf intern verlinkten interaktiven Übungen (Hot Potatoes-Übungen/Puzzle, Memo), einer Audio-Datei, zwei intern verlinkten Dateien der Agentur für Erneuerbare Energien und 41 externen Links. Die Arbeitsanweisungen auf den meisten (bis auf Nummer 13 und 14) Arbeitsblättern beziehen sich jeweils auf direkt aufrufbare Internetseiten, was natürlich einen Internetzugang voraussetzt, oder auf interne Links. Diese Arbeitsblätter sind besonders gekennzeichnet (durch einen Computer), auch auf dem Deckblatt. Die internen Links dagegen können auch offline bearbeitet werden. Zeitlicher Ablauf Organisation des Unterrichts und Zeitraum der Arbeit hängen von der Anzahl der jeweils vorhandenen PC-Arbeitsplätze ab und davon, ob sie in einem Netzwerk gemeinsamen Zugang zum Internet haben. Als sinnvoll hat sich auf jeden Fall Partnerarbeit erwiesen, da sich zum einen so die Zahl der auf einen Computer wartenden Kinder halbiert und zum anderen die Partner sich gegenseitig unterstützen können. Im Bedarfsfall können als zusätzliches Angebot weitere Arbeitsblätter zur Verfügung gestellt werden, die die in der Lerneinheit angesprochenen Themen vertiefen: zum Beispiel Sachbücher zum Thema anschauen, weitere Aufgaben zu zusammengesetzten Nomen, weitere Verben zum Thema Wind aus Wörterbüchern suchen, Schleichdiktat der Lernwörter schreiben. Die Unterrichtseinheit ist fächerübergreifend angelegt, als Fachlehrer haben Sie aber auch die Möglichkeit, nur die Sachthemen zu behandeln und die Fächer Deutsch, Englisch und Kunst auszuklammern, wenn der fächerübergreifende Ansatz aus stundenplantechnischen Gründen nicht oder nur sehr schwer durchführbar ist. Organisation des Ablaufs Wichtig ist außerdem die Organisation des Unterrichtsablaufs. Absprachen bezüglich der Computer-Nutzung müssen getroffen werden, da nicht alle gleichzeitig am Rechner sitzen können. Dabei sollten Vorschläge der Kinder aufgegriffen werden, weil sie erfahrungsgemäß die Einhaltung eigener Vorschläge auch selbst überprüfen. Außerdem ist festzulegen, ob die Arbeit als Partner- oder Gruppenarbeit erfolgen soll. Anschließend muss eine entsprechende Einteilung vorgenommen werden (freie Wahl, Zufallsprinzip durch Ziehen von Kärtchen oder vom Lehrer bestimmt). Es hat sich zudem bewährt, "Computer -Experten" zu wählen, die bei Schwierigkeiten mit dem Medium als erste Ansprechpartner fungieren sollen. So können die Kinder viele Fragen unter sich klären und selbstständig arbeiten. Die Kinder sollten an offene Unterrichtsformen gewöhnt sein. Kenntnisse im Umgang mit dem Internet sind nicht unbedingt nötig, da die Links direkt über die Lerneinheit angesteuert werden und keine Internetadressen eingegeben werden müssen. Jedes Kind heftet seine fertigen Arbeitsblätter und gelösten Aufgaben in einem Hefter ab, der nach Abschluss des Projekts eingesammelt und von der Lehrkraft überprüft werden kann. Für den Einstieg in das Thema können Sie diese Abbildung (zum Vergrößern anklicken, Download siehe wikipedia.org ) möglichst großformatig ausdrucken oder per Beamer an die Wand projizieren und die Schülerinnen und Schüler fragen, was da wohl abgebildet ist. Hier befindet sich eine kurze Einführung in die Arbeit mit der Lernumgebung. Die Kinder können auch zwischendurch davon Gebrauch machen, um sich Dinge ins Gedächtnis zu rufen. Lösung der Rätselschrift auf dem Arbeitsblatt: außerdem, denn, ihr, überall. (Zur Erleichterung dürfen die Kinder einen Spiegel benutzen.) Diktattext: Windenergie Die Vorräte an Öl, Gas und Kohle schrumpfen und werden eines Tages ganz erschöpft sein. Deshalb sollten wir vermehrt andere Energiearten nutzen. Wind ist dabei eine umweltfreundliche Möglichkeit, weil keine Abgase entstehen, die die Luft verschmutzen. Außerdem sind Windkraftwerke ungefährlich, denn bei ihrem Betrieb können keine größeren Unfälle passieren und sie erzeugen keinen schädlichen Müll. Die Nutzung von Windstrom verringert den Verbrauch an Öl, Gas oder Kohle, die meist teuer in anderen Ländern eingekauft und transportiert werden müssen. Wir werden also unabhängiger und sparen Kosten, weil es den Wind überall und umsonst gibt und wir unsern Strom selbst erzeugen. (100 Wörter) Windiger Spaß Beim interaktiven Rätsel können die Kinder ihr Wissen über Wind und erneuerbare Energien testen. Falls Sie keinen Drucker an die Computer angeschlossen haben, sollten Sie die Bastelanleitung und die Vorlage für das Windrad vorab ausdrucken. Ein Spiel (Zündholzschachtel pusten), ein interaktives Puzzle, ein interaktives Memo und ein Ausmalbild runden das Projekt ab.

Die Kinder widmen sich in dieser Unterrichtseinheit der Frage "Wie funktioniert eigentlich unsere Erde?". Die Erkenntnisse und Erfahrungen, die sie beim Erforschen dieser facettenreichen Thematik machen, sollen ihr Bewusstsein dafür stärken, dass sie ihre Umwelt aktiv erkunden, beeinflussen und mitgestalten können. Erde, Feuer, Wasser und Luft sind Grundbausteine der Vielfalt des Lebens auf unserem Planeten. Die vier Elemente wirken in der Natur aufeinander ein: Gemeinsam treiben sie den Wasserkreislauf an, bestimmen unser Wetter und unser Klima. Sie spenden Energie, lassen Pflanzen wachsen und erhalten die Produktion von Sauerstoff aufrecht. Jedes Lebewesen und jedes Element spielt eine bestimmte Rolle. Alles ist vernetzt und verwoben. Die Natur befindet sich dabei im Gleichgewicht: Pflanzen produzieren energiereiche Stoffe, Tiere und Menschen konsumieren diese als Nahrung. Reste werden von Pilzen und Bakterien abgebaut und wieder in Nährstoffe umgewandelt - ein perfekter Stoffkreislauf, angetrieben von der Energie der Sonne, gespeist vom Lebensquell Wasser und geschützt von einer mit Luft gefüllten Atmosphäre. Durch das gemeinsame Erforschen und Erleben der Elemente bauen die Mädchen und Jungen Naturwissen auf und entwickeln ein Wertebewusstsein und Verantwortungsgefühl für ihre Umwelt. Die Kinder lernen zu verstehen, dass alles, was sie tun, eine Auswirkung hat. Jeder kann so die Zukunft mitgestalten. Kinder streben unentwegt danach, ihre Welt zu entdecken. Sie ordnen neue Erfahrungen in ihr bisheriges Weltbild ein und verknüpfen aktuelles mit schon vorhandenem Wissen. Gelingt dieses Einpassen nicht, müssen Vorstellungen überprüft, Wissens- und Denkstrukturen neu angepasst werden. Der Prozess bewusster Erkenntnis beginnt daher stets mit einer Frage, auf die die Kinder in ihrem bisherigen Wissens- und Erfahrungsschatz keine befriedigende Antwort finden. In der alltäglichen Begegnung mit Naturphänomenen entstehen bei den Kindern viele Fragen. Den Erwachsenen fällt eine Antwort oft gar nicht so leicht. Sie können sich selbst mit den Kindern auf einen gemeinsamen Weg des Erforschens und Entdeckens begeben und die Mädchen und Jungen bei der Suche nach eigenen Antworten unterstützen. Versuche zu den vier Elementen Hier finden Sie zahlreiche Vorschläge zum Ausprobieren und Experimentieren, mit denen die Kinder die Bedeutung und die Funktion der vier Elemente erforschen können. Wir retten die Welt Auch Kinder können die Welt retten. Zeigen Sie ihnen, welchen Beitrag sie zur Erhaltung unserer Erde leisten können. Die Schülerinnen und Schüler werden für das Thema Umwelt- und Klimaschutz sensibilisiert. lernen das Thema Nachhaltigkeit und seine Bedeutung anhand konkreter Alltagsfragen kennen. lernen die Bezüge des Klimaschutzes und des Konzepts der Nachhaltigkeit zu ihrer eigenen Lebenswelt kennen. entwickeln eine persönliche Motivation, für den Klimaschutz aktiv zu werden. Die Stiftung "Haus der kleinen Forscher" Die gemeinnützige Stiftung "Haus der kleinen Forscher" engagiert sich mit einer bundesweiten Initiative für die Bildung von Kindern im Kita- und Grundschulalter in den Bereichen Naturwissenschaften, Mathematik und Technik. Sie unterstützt mit ihren Angeboten pädagogische Fachkräfte dabei, Mädchen und Jungen bei ihrer Entdeckungsreise durch den Alltag zu begleiten. Partner der Stiftung sind die Helmholtz-Gemeinschaft, die Siemens Stiftung, die Dietmar Hopp Stiftung und die Deutsche Telekom Stiftung. Gefördert wird sie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Die "Tage der kleinen Forscher" Jedes Jahr richtet die Stiftung "Haus der kleinen Forscher" einen "Tag der kleinen Forscher" aus. An diesem Tag geben deutschlandweit Kinder in Kitas, Horten und Grundschulen naturwissenschaftlichen Phänomenen und Fragestellungen nach: Was hält mich gesund? Woher kommt der Strom? Bei dieser Unterrichtseinheit geht es darum, die Natur unmittelbar zu fühlen und zu erkunden. Kinder und Erwachsene sind hier Lernpartner, die mit gegenseitiger Wertschätzung in einen lebendigen Austausch treten - so erschließen sie sich gemeinsam Wissen. Die Lehrkräfte und pädagogischen Fachkräfte geben den Kindern Anregungen und bieten Hilfestellungen an, ohne den Fragen der Mädchen und Jungen vorzugreifen. In einem Lernumfeld, in dem auch Erwachsene bereit sind, offen Fragen zu stellen, Ungewohntes auszuprobieren und Fehler zuzulassen, können alle Beteiligten kreative Entdeckungen machen. Entscheidend ist der direkte Austausch zwischen pädagogischer Fachkraft und dem Kind: Pädagoginnen und Pädagogen reflektieren mit den Mädchen und Jungen, ermuntern sie, ihre Beobachtungen zu formulieren und festzuhalten. In der gemeinsamen Erörterung der individuellen Entdeckungen entstehen neues Wissen und bewusste Erkenntnis. Zudem werden im Gespräch die Motivation und Selbstwirksamkeit der Kinder gestärkt. Weil sie als Lernpartner ernst genommen werden, fühlen sich die Kinder kompetent, verschiedene Wege auszuprobieren und sich darüber zu äußern. Die Kinder erleben Vertrauen und Zutrauen durch Erwachsene und erfahren beim gemeinsamen Forschen einen Zugewinn an Selbstbewusstsein und innerer Stärke. Überlegen Sie mit den Kindern, was sie zum Leben brauchen und was eher stört. Die Mädchen und Jungen können konkrete Grundmaterialien wie Steine, Erde, Essen und Wasser sammeln oder Dinge wie die Sonne, Häuser, Freunde, Spielzeug etcetera benennen. Untersuchen Sie die Materialien und Äußerungen der Kinder gemeinsam etwas genauer. Welche davon braucht man wirklich, um eine Welt zu gestalten? Wie hängen sie zusammen? Welche stören das Gleichgewicht? Gibt es Alternativen? Schreiben oder zeichnen Sie mit den Kindern alles auf ein großes Blatt Papier und malen Sie Linien, wenn Dinge miteinander in Verbindung stehen. Die Bedeutung der Erde Erde, so wird der Planet genannt, auf dem wir Menschen leben. Erde ist aber auch der Boden, auf dem wir stehen. Diesem Boden verdanken wir eine einzigartige Vielfalt an Pflanzen und Tieren. Der Boden versorgt uns mit Nahrungsmitteln, filtert und speichert Grundwasser, ist Grundlage für Wälder, Wiesen, Wüsten und andere Lebensräume. Er liefert Baumaterial für Häuser, Straßen und Fabriken. Wir nutzen Bodenschätze als Rohstoffe für die Energieversorgung und die Industrie. Experiment 1: Die "Kleintierfalle" Die Kinder entdecken, wieviele verschiedene Tiere in der Erde leben. Dafür werden ein Küchensieb, ein großer Trichter, ein Karton und ein paar Papiertaschentücher benötigt. Damit der Karton für die Tierchen gemütlich wird, muss er zunächst mit schwarzem Papier ausgekleidet werden. In den Deckel bohren die Kinder ein Loch, durch das der Trichter gesteckt werden kann. Legen Sie angefeuchtete Papiertaschentücher an die Stelle im Karton, über der die Trichteröffnung von oben einmündet. Auf den Trichter wird anschließend das Sieb gelegt und eine Schaufel voll Erde hineingefüllt. Die Erde muss nun mit Licht beschienen werden. Das kann gemäßigtes Tageslicht oder auch eine künstliche Lichtquelle sein. Licht und Wärme treiben die Bodenlebewesen nach unten, wo sie schließlich durch das Sieb auf das feuchte Papier fallen. Nach einem Tag sind sie auf dem weißen Papier gut zu entdecken. Experiment 2: Boden für unser tägliches Brot Das meiste, was wir essen, hat seinen Ursprung im Erdreich. Boden ist aber nicht gleich Boden. Manche Böden können zum Beispiel nur wenig Wasser speichern. Nicht jeder Boden stellt Nährstoffe in ausreichender Menge zur Verfügung. Die Kinder füllen ein paar Blumentöpfe mit jeweils unterschiedlichen Bodenarten (Waldboden, Ackerboden, Kies, Sand, Lehm oder Komposterde) und stecken in jede Bodenprobe einen Keimling, beispielsweise von einer Bohnenpflanze. Kann der Keimling in allen Bodenarten gleich gut gedeihen? Was brauchen Pflanzen noch, um optimal zu wachsen? Die Bedeutung des Feuers Feuer gibt es schon sehr lange auf der Erde: Blitze zuckten über den Himmel und ließen trockene Bäume in Flammen aufgehen. Die Menschen hüteten das Feuer als wertvollen Schatz, der Energie in Form von Wärme und Licht spendete. Heute sehen unsere "Feuer" anders aus - moderne Heizsysteme und Lichttechniken wärmen uns und erhellen unseren Alltag. Dahinter steckt wertvolle Energie, die wir auch für viele andere Dinge nutzen. Experiment 1: Der Feuerball im Weltall Entdecken Sie zusammen mit den Mädchen und Jungen die Kraft der Sonne: Fangen Sie an einer brandgeschützten Stelle mit einer Lupe die Sonnenstrahlen ein, zeichnen Sie Brandmuster in eine Holzplatte oder entfachen Sie ein kleines Feuer. Am besten eignet sich dafür eine Fresnel-Lupe mit flacher Linse, die in Ringe unterteilt ist. Achtung: Feuerexperimente dürfen immer nur gemeinsam mit Erwachsenen durchgeführt werden! Die Lupe als Brennglas darf keinesfalls auf sich selbst, andere Personen oder auf leicht entflammbare Kleidung gerichtet werden. Um die Augen zu schützen, setzen die Kinder Sonnenbrillen auf. Experiment 2: Licht für die Pflanzen Säen Sie mit den Kindern in drei Schälchen Kresse aus: Eine Schale stellen Sie offen auf die Fensterbank, die zweite decken Sie mit einem Karton ab, so dass kein Sonnenlicht an die Samen kommt, und über die dritte Schale stülpen Sie eine Glasschale als "Glashaus". Bitte das Gießen nicht vergessen. Was können die Mädchen und Jungen in den nächsten Tagen beobachten? Die Bedeutung des Wassers Wasser ist farblos, geruchlos, geschmacklos - und doch die wichtigste Flüssigkeit der Erde, denn ohne Wasser gäbe es kein Leben. Drei Viertel unseres Planeten sind mit Wasser bedeckt, und trotzdem ist es nicht im Überfluss vorhanden, da die für uns nutzbaren Wasservorräte begrenzt sind. Sauberes Wasser ist besonders lebenswichtig und als Trinkwasser ein kostbares Gut, mit dem bewusst und sorgsam umgegangen werden muss. Unser Körper besteht zu etwa 65 Prozent aus Wasser, viele Pflanzen haben sogar einen Wassergehalt von über 75 Prozent. Maximal vier Tage kann ein Mensch ohne Flüssigkeit überleben. Experiment 1: Die Wassergüte bestimmen Mithilfe kleiner Wassertiere lässt sich die Qualität von Wasser feststellen. Denn manche Tiere mögen nur sehr sauberes Wasser, andere lieber verschmutztes. Mit einem Kescher (einem feinen Küchensieb am längeren Stock) holen die Kinder den Schlamm vom Grund eines kleinen Gewässers nach oben. Vorsichtig spülen sie den überschüssigen Schlamm aus dem Sieb. Die Wassertierchen kommen in eine Schüssel mit Wasser. So lassen sie sich unter der Lupe genauer betrachten und die Wassergüte kann bestimmt werden. In sauberem Wasser findet man Strudelwurm, Larven von Eintags-, Stein- und Köcherfliegen. In leicht verschmutztem Wasser leben Schneckenegel, Flohkrebse, Fischegel und die Spitzschlammschnecke. In stark verschmutztem Wasser findet man Rollegel, Wasserasseln und Larven von Waffelfliegen. In sehr stark verschmutztem Wasser sind der Schlammröhrenwurm, die Rattenschwanzlarve und die Zuckermückenlarve zu Hause. Im Internet können Sie nach Bildern der Wassertierchen recherchieren. Experiment 2: Der Wasserkreislauf Die Wassermenge auf der Erde bleibt immer dieselbe. Kein Wassertropfen geht verloren, keiner kommt hinzu. Gestalten Sie zusammen mit den Kindern eine kleine Klimastation, an der Sie über einen langen Zeitraum den Kreislauf des Wassers beobachten: Schichten Sie Holzkohle (gegen Schimmel), Kieselsteine und ungedüngte Erde der Reihe nach in ein großes Einweckglas, bis dieses zu einem Drittel gefüllt ist. Nun pflanzen Sie Moos oder den Ableger einer Zimmerpflanze ein und lassen die Mädchen und Jungen die kleine Landschaft mit Tannenzapfen, Schneckenhäusern oder Steinen gestalten. Gießen Sie einmal kräftig mit destilliertem Wasser (das verhindert Kalkränder am Glas), verschließen Sie das Glas mit einem Deckel oder einer Frischhaltefolie mit Gummi und stellen es an einen hellen Platz. Was passiert im Glas, was mit dem Wasser? Beobachten Sie mit den Kindern das Klimaglas über einen längeren Zeitraum und dokumentieren Sie Ihre "Wetterbeobachtungen" mittels Fotos oder Zeichnungen. Tun Sie das zu Beginn, nach einer Woche, nach drei Wochen, nach zwei Monaten. Gestalten Sie mehrere Klimagläser für unterschiedliche Orte: Was passiert mit dem Glas, wenn es im dunklen Schrank oder im Sommer im Garten steht? Die Bedeutung der Luft Luft ist nicht nichts - das wissen alle kleinen Forscherinnen und Forscher. Doch was ist Luft, was kann und macht sie? Für uns Menschen ist Luft lebensnotwendig: Wir können vier Wochen ohne Nahrung auskommen, maximal vier Tage ohne Wasser, aber nur knapp zwei Minuten ohne Luft. Die Erde schwimmt in einem Meer von Luft. Sie wird von einer Luftschicht, der so genannten Atmosphäre, umgeben. Diese Luft besteht aus Stickstoff (78 Prozent), Sauerstoff (21 Prozent) sowie Spuren von Edelgasen (1 Prozent) und macht in dieser speziellen Mischung ein Leben auf der Erde erst möglich. Experiment 1: Sauerstoff-Produktion Pflanzen produzieren Sauerstoff, den wir Menschen zum Leben brauchen. Mit der Wasserpflanze Wasserpest, die es in der Zoohandlung gibt, lässt sich die Sauerstoff-Aktivität einer Grünpflanze sichtbar machen. Geben Sie die Pflanze in einen transparenten Glasbehälter und fügen Sie Wasser hinzu. Jetzt können die Kinder kleine Luftbläschen aufsteigen sehen - dabei handelt es sich um Sauerstoff. Experiment 2: Treibhauseffekt Der sogenannte Treibhauseffekt hat großen Einfluss auf die Temperatur auf der Erde. Seit der industriellen Revolution hat der Treibhauseffekt durch CO2 Emissionen stark zugenommen. Deshalb spricht man vom Klimawandel. Doch wie lässt er sich erklären? Legen Sie zwei Thermometer an einen sonnigen Platz. Nach einer Stunde lesen Sie mit den Kindern die Temperaturen ab. Dann stülpen Sie über eines der beiden Thermometer eine Schüssel aus Glas. Nach einer weiteren Stunde messen Sie wieder und vergleichen die Temperaturen. Suchen Sie mit den Mädchen und Jungen nach anderen Beispielen, an denen man den Treibhauseffekt beobachten kann. Hintergrund Einige Lebensmittel wirken indirekt stärker auf das Klima ein als andere - zum Beispiel tierische Produkte wie Rindfleisch und Milchprodukte. Hinter einem Kilo Rindfleisch stehen etwa 13,5 Kilogramm CO2. Im Vergleich dazu verursacht saisonales, regionales Freilandgemüse nur etwa 150 Gramm pro Kilo. Aktion Gemeinsam mit den Kindern wird die Klimabilanz der Lebensmittel unter die Lupe genommen und bewusst eine Auswahl an Leckerbissen zusammengestellt, die auch dem Klima "schmecken". Welche Obst- und Gemüsesorten haben gerade Saison? Welche Produkte stammen aus der Region? Daraus wird ein leckeres und nahrhaftes Frühstück. Hintergrund "Von der Wiege zur Wiege" lautet die Formel für zukunftsfähige Produkte: Sie bestehen zum Beispiel aus nachwachsenden Rohstoffen wie Mais, der zu Verpackungsmaterial verarbeitet wird. Sie sind leicht zu zerlegen und aus ihren Altstoffen können restlos neue Produkte entstehen. Alte Produkte sind die Wiege für neue. Und sobald diese alt geworden sind und ausgedient haben, sind sie wiederum die Wiege für neue Produkte. Aktion Die Kinder nehmen den eigenen Abfall unter die Lupe: Was könnte man wie vermeiden? Können die Kinder Müll trennen - vor allem Altpapier, Verpackungen, Kompost, Glas und Sondermüll wie Batterien? Suchen Sie mit den Kindern auf Papierprodukten nach Zertifizierungen oder Zeichen, die für 100 Prozent Altpapier stehen. Stellen Sie einmal selbst Papier aus Altpapier her. Anleitungen hierzu gibt es im Internet. Die kleinen Forscherinnen und Forscher gehen auf die Suche nach Strom- und Energieverbrauchern. Sie messen den unterschiedlichen Stromverbrauch von elektrischen Geräten mit einem einfachen Strommessgerät. Vielleicht können die Kinder von zu Hause eines mitbringen. Oder der örtliche Stromversorger oder die Verbraucherzentrale stellen ein Leihgerät zur Verfügung. Überprüfen Sie die Raumtemperaturen, achten Sie auf Lichtquellen und Stand-by-Lämpchen. Legen Sie gemeinsam ein "Energie-Tagebuch" an und dokumentieren Sie mit den Mädchen und Jungen hier alle Ergebnisse und Ideen zum Stromsparen mit Fotos, Zeichnungen und Tabellen. Entwickeln Sie für die anderen Kinder und Eltern eine Mitmach-Ausstellung zum Thema "Energie sparen".

Diese Unterrichtseinheit zum Thema "Reparieren und Tauschen statt Wegwerfen" führt die Schülerinnen und Schüler in die Welt des Recyclings ein. Nach einem Film, der zeigt, wie aus Plastikflaschen ein elegantes Kleidungsstück entsteht, planen die Kinder eine Recyclingaktion an ihrer Schule. Der komplexe Zusammenhang zwischen dem Umgang mit Elektroschrott , dem Leben auf einer Elektroschrottdeponie in Ghana und den Rechten der dort arbeitenden Kinder wird zunächst durch ein Quiz in Erinnerung gerufen. Nach diesem Einstieg erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler ein Verständnis dafür, dass unbrauchbare oder nicht mehr gebrauchte Dinge repariert, wiederverwertet oder auch getauscht werden können. Sie lernen die Geschichte des Abfalls und Berufe kennen, die mit Recycling und Reparatur zu tun haben. Die Unterrichtseinheit endet mit einer Idee, was die Klasse/Schule gemeinsam tun kann, um den stetig wachsenden Müllberg zu reduzieren. Verknüpfung zu vorangegangenen Einheiten und ihre Weiterführung In der vorangegangenen Unterrichtseinheit wurde anhand des Rollenspiels "Schule statt Schrottplatz" der Zusammenhang zwischen Kinderrechten und Mülltrennung thematisiert. In dieser Unterrichtseinheit wenden sich die Schülerinnen und Schüler nun verstärkt dem Thema Müllvermeidung und Recycling zu. In der Unterrichtseinheit "Die Olchis erklären Abfall, Müll und E-Schrott" hatten sich die Kinder bereits mit dem Entsorgungssystem in Deutschland befasst und in der Unterrichtseinheit "Rohstoffe – Woraus besteht eigentlich unser Müll?" die wertvollen Inhaltsstoffe von E-Schrott kennengelernt. Jetzt lernen sie im Zusammenhang mit Wiederverwertung von Müll das Fachwort "recyceln" kennen. Ein Video aus der Reihe "Die Sendung mit der Maus" lässt sie darüber staunen, dass aus Plastik Kleidung hergestellt werden kann. Aus diesem Staunen heraus können sie ein Gespür dafür entwickeln, dass unbrauchbare, kaputte oder einfach lästige Dinge nicht selbstverständlich weggeworfen werden sollten, sondern manchmal zu ungeahnten Dingen entwickelt werden können. Ein Text über die Geschichte des Mülls führt den Schülerinnen und Schülern vor Augen, wie sich der Müllberg über die Jahrhunderte zu einem gewaltigen Problem der Zivilisation entwickelt hat. In diesem Zusammenhang erfahren sie, dass wir heute auch von einer "Wegwerfgesellschaft" sprechen. Um nachfühlen zu können, dass jedes Kind selbst Verantwortung dafür übernehmen kann, dass der Müllberg schrumpft und sie selbst der "Wegwerfgesellschaft" etwas entgegensetzen können, werden sie in einer kurzen Gedankenreise angeregt, sich in ihrem Kinderzimmer danach umzusehen, was sie selbst nicht mehr brauchen. Dies ist der Übergang zu der Überlegung, was die ganze Klasse/AG gemeinschaftlich tun kann, um ein Zeichen gegen das Wegwerfen zu setzen. Große und kleine Ideen Hier bleibt die Unterrichtseinheit notwendigerweise unkonkret, denn je nach Erfahrung der Lehrkraft, Engagement der Eltern, Vernetzung und Angebote im Sozialraum (gibt es z. B. ein Repair-Café, gibt es Schneidereien oder Schustereien in der Nähe?) und auch Schulkultur (werden Projektwochen/Sommerfeste/Thementage etc. veranstaltet?) sind die Bedingungen und Vorerfahrungen von Schule zu Schule unterschiedlich. Konkret umsetzbar und alltagstauglich ist der Vorschlag, dass jedes Kind für seine Familie aus einem (Schuh-)Karton eine kleine Sammelstelle für unbrauchbare Batterien, Handys und elektronische Klein-Geräte aus den Kinderzimmern bastelt. Damit wird dem großen gesellschaftskritischen Thema "Wegwerfgesellschaft" eine konkret umsetzbare und pädagogisch relevante Handlungsoption gegenübergestellt. Batterien gehören wegen der Schadstoffe, die sie enthalten können, zum Sondermüll. Geschäfte, die sie verkaufen, halten Sammelboxen zur Rücknahme der kleinen Stromspeicher und -spender bereit. Zudem besteht die Möglichkeit, handgängige Einwegbatterien – ebenso wie wieder aufladbare Akkus – auf Wertstoff- und Recyclinghöfen abzugeben. Es lohnt sich: Denn auch Batterien enthalten in großer Menge Wertstoffe, die wiederverwertet können. Weitere Sachinformation für Lehrkräfte: Recycling ist ein Schlüssel zu mehr Nachhaltigkeit Recycling liegt im Trend und gewinnt vor dem Hintergrund des Umweltschutzes , der Abfallvermeidung , der Ressourcenschonung , der Energieeinsparung , der gesetzlichen Vorgaben und des Nachhaltigkeitsgedankens zunehmend an Bedeutung. Recycling verringert beispielsweise die Notwendigkeit, natürliche Ressourcen abzubauen, was zum Schutz der Ökosysteme beiträgt und den Energieverbrauch senkt. Recycling verringert die Menge der Abfälle, die auf Deponien verbracht werden, und trägt so zur Vermeidung von Deponien und zur Verringerung der Umweltbelastung bei. Recycling ermöglicht die Wiederverwendung von Materialien wie Papier, Glas, Metall und Kunststoff, wodurch die Neuproduktion und der damit verbundene Ressourcenverbrauch reduziert werden. Die Herstellung von Produkten aus Recyclingmaterialien erfordert in der Regel weniger Energie als die Herstellung aus Rohstoffen. Ob Kleidung, Elektroschrott oder Glas: Es gibt kaum einen Bereich, in dem nicht Re- oder Upcycling betrieben wird. Die Modewelt nutzt diesen Trend seit einiger Zeit ebenfalls. So entstehen z. B. aus Flaschen und Verpackungen recycelte Kleidung wie T-Shirts, Bikinis und Schuhe. Eigene Labels haben sich auf das Re- und Upcycling spezialisiert. Ein Beispiel dafür sind Rucksäcke und Taschen, deren Material teilweise aus Abfällen der Autoindustrie (etwa Airbags, Autoreifen, Sitzgurte und Gurtschlösser) stammen und u. a. auf Schrottplätzen gesammelt wird. Das richtige Recycling von Elektronikschrott birgt diese Vorteile: 1. Ressourcenschonung: Beim Recycling von E-Schrott werden wertvolle Rohstoffe wie Gold, Silber, Kupfer und seltene Erden wiedergewonnen. Diese Materialien sind in Elektronikgeräten enthalten und können durch das Recycling in neuen Produkten wiederverwendet werden. Dadurch muss nicht nur weniger auf primäre Ressourcen zurückgegriffen werden, sondern auch der Abbau von Rohstoffen, der oft mit Umweltverschmutzung und sozialen Problemen einhergeht, kann reduziert werden. 2. Abfallreduzierung: E-Schrott enthält viele giftige Substanzen und Schwermetalle wie Quecksilber, Blei und Cadmium. Wenn E-Schrott nicht richtig recycelt wird und stattdessen auf Deponien landet oder unsachgemäß entsorgt wird, können diese Schadstoffe in die Umwelt gelangen und langfristige Schäden verursachen. Durch das korrekte Recycling werden diese gefährlichen Substanzen fachgerecht entsorgt und unschädlich gemacht. 3. Energieeinsparung: Die Wiederverwertung von Elektronikgeräten spart auch eine beträchtliche Menge an Energie ein. Die Produktion von neuen elektronischen Produkten erfordert viel Energie, sowohl während des Herstellungsprozesses als auch bei der Förderung der dafür benötigten Rohstoffe. Durch das Recycling von E-Schrott kann der Energiebedarf verringert werden, da bereits vorhandene Materialien wiederverwendet werden können. Auch das Selbermachen hat sich zu einem Trend entwickelt. Immer beliebter wird dabei das Recycling alter Dinge oder Materialien. So werden z. B. alte Silberlöffel zu Schmuck, Marmeladengläser zu Gartenwindlichtern, Socken zu Kuscheltieren und ausrangierte Kleiderbügel zu Schuhaufhängern. Fächerübergreifend lernen Die vorliegende Einheit zum Thema "Reparieren und Tauschen statt Wegwerfen" ist sehr gut geeignet, um in einer klassenübergreifenden Aktion alle Unterrichtsfelder einzubeziehen. Dies bezieht sich insbesondere auf die Vorbereitung und Durchführung eines Projekttages. Gerade im Fach Kunst können eigene Upcycling-Arbeiten angefertigt und ausgestellt oder verkauft werden. Der bekannte "Cupsong" (aus dem Film Pitch Perfect 2 ), der z. B. mit leeren, gesäuberten Joghurtbechern gespielt werden kann, bietet sich als beliebte Unterrichtsergänzung in Musik an. Fachliche und methodische Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler greifen auf ihr vorhandenes Wissen zurück und erweitern es. erarbeiten sich anhand eines längeren Informationstextes Sachinformationen. entwickeln ein kritisches Verständnis für den geschichtlichen/zivilisatorischen Zusammenhang der Entstehung von Müll. lernen, anhand der Silbe "re" die Bedeutung von Worten abzuleiten. lernen Fachworte kennen. transferieren ihre Kenntnisse in neue Handlungszusammenhänge und schlagen Beiträge zur Lösung von Umweltproblemen vor. entwickeln Ansätze für eigenes umweltgerechtes Verhalten. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler halten sich in reflektierenden Gesprächen an Gesprächsregeln. reflektieren ihr eigenes Verhalten. sind fähig, einander zuzuhören. üben sich durch die Punktvergabe in einer demokratischen Methode der Mitbestimmung.

Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten die "goldene Regel der Mechanik" am Beispiel der schiefen Ebene mit einem dynamischen GeoGebra-Applet.?Maschine (griechisch mechane, Werkzeug), in der Technik ein Gerät zur Änderung der Stärke oder Richtung einer angewandten Kraft.? Gemäß diesem Lexikoneintrag ist ein als Rampe dienendes Brett die wohl einfachste Maschine der Welt. Denn um ein Bierfass über eine Rampe auf die Ladefläche eines LKW zu rollen, ist nur ein Bruchteil der Gewichtskraft des Fasses erforderlich. Doch leider ist im Leben nichts umsonst: Die Krafteinsparung muss man auf anderem Weg bezahlen. Wie? Das herauszufinden, ist Aufgabe der Schülerinnen und Schüler in dieser auf ein Computerexperiment gestützten Unterrichtseinheit. Und dabei springt zum Schluss noch ein wichtiges physikalisches (Abfall-)Produkt heraus, nämlich das aus Kraft und Weg: die Arbeit. Gestaltung und Einsatz der Materialien im Unterricht Fachliche Voraussetzungen sowie Hinweise zum Einsatz des virtuellen Experimentes (Eigenständige Bearbeitung ohne vorherige Behandlung im Unterricht, Vertiefung und Festigung, prägnante Wiederholung in höheren Jahrgangsstufen). Vorteile der Computersimulation und fachliche Hinweise Das virtuelle Experiment ermöglicht auch in großen Klassen selbstständiges Experimentieren und eine zeitsparende Konzentration auf die Auswertung und die Ergebnissicherung. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Zerlegung der Gewichtskraft in Normal- und Hangabtriebskraft bei der schiefen Ebene wiederholen. die Aufnahme und das korrekte Eintragen von Messdaten in eine Messtabelle planen und üben. erkennen und mathematisch begründen können, dass der Steigungswinkel und die Hangabtriebskraft nicht proportional sind. erkennen und über die Produktgleichheit mathematisch begründen können, dass Hangabtriebskraft und zurückgelegter Weg zur Überwindung eines bestimmten Höhenunterschieds indirekt proportional sind (bei konstanter Gewichtskraft). die "goldene Regel der Mechanik" verstehen, formulieren und erklären können. die Vorgehensweise zur Einführung einer neuen physikalischen Größe verstehen. Kenntnisse der direkten beziehungsweise indirekten Proportionalität von Größen mit Quotienten- beziehungsweise Produktgleichheit der Wertepaare bilden die mathematischen Voraussetzungen für den Kurs. Kräftezerlegung und -parallelogramm sollten bereits bekannt sein, können aber mit dem Applet am Beispiel der schiefen Ebene noch einmal interaktiv wiederholt werden. Für das computergestützte Experiment bieten sich verschiedene Einsatzmöglichkeiten an: Eigenständige Bearbeitung des Computerexperimentes ohne vorherige Behandlung im Unterricht Vertiefung und Festigung des bereits im Unterricht durchgeführten Experimentes, eventuell in Übungsstunden oder als Hausaufgabe prägnante Wiederholung des Stoffs in höheren Jahrgangsstufen Im Idealfall arbeiten ein bis zwei Schülerinnen und Schüler selbstständig an einem Computer. Das Experiment kann natürlich auch mit einem Beamer in einem fragend-entwickelnden Unterricht oder einem Lehrervortrag präsentiert werden. Zum Einstieg: erst "austoben lassen", dann "anleiten" Erfahrungsgemäß entdecken die Schülerinnen und Schüler bei einer selbständigen Bearbeitung des Computerexperimentes sehr schnell alleine die Bedienungsmöglichkeiten des Applets und erkennen, welche unabhängigen Objekte bewegt werden können, so dass auf ausführliche Bedienungshinweise verzichtet werden kann. Zu Beginn der Stunde hat sich bei computergestützten Unterrichtseinheiten eine "Austobphase" bewährt, in der die Lernenden etwa fünf Minuten lang einfach alle Knöpfe und Regler eines Programms ausprobieren dürfen, bevor sie dann (nach einem "Reset") zielgerecht die einzelnen Arbeitsanweisungen befolgen. Prägnante Texte Der Text der Webseiten wurde bewusst prägnant gehalten, um einen eigenständigen Hefteintrag zu erleichtern. Zur Gewährleistung eines möglichst linearen Lernablaufs wurden keine Hyperlinks eingesetzt. Hilfestellung zur Messtabelle In der Unterrichtspraxis zeigen sich oft Probleme der Schülerinnen und Schüler beim systematischen Anlegen der Messtabellen, insbesondere fehlende Sorgfalt bei der Notation von gerundeter Maßzahl und der Einheit physikalischer Größen. Als Hilfestellung sind deshalb die Tabellenstrukturen auf dem Arbeitsblatt vorgegeben. Die Computersimulation erlaubt auch bei Mangel an Versuchsmaterialien in Klassen mit mehr als 30 Lernenden selbstständiges Experimentieren. Auch lauern selbst bei simpel anmutenden Experimenten, wie dem zur schiefen Ebene, systematische Messfehler, die das Erkennen der gewünschten physikalischen Gesetzmäßigkeiten erschweren. Ein solches "Lernen aus Fehlern" ist didaktisch populär und durchaus sinnvoll, jedoch bei gegebenem Stoffdruck leider zeitlich oft nicht möglich. Das virtuelle Experiment umgeht diese systematischen Messfehler und erlaubt eine zeitsparende Konzentration auf die Auswertung des Experiments und die Sicherung der Ergebnisse für den Unterrichtsfortgang. Die Schülerinnen und Schüler können das Experiment jederzeit (zum Beispiel zur Prüfungsvorbereitung) zu Hause wiederholen. Das Beispielprotokoll einer Messung kann direkt aus dem Browser ausgedruckt und als Kontrolle verwendet werden. Die Goldene Regel der Mechanik Mit der Zuordnung Steigungswinkel - Hangabtriebskraft lernen die Schülerinnen und Schüler einen nichtproportionalen Zusammenhang von Größen kennen. Um spätere Unstimmigkeiten (zum Beispiel beim Begriff der Spannenergie oder des Wirkungsgrades) zu vermeiden, sind die präzisen Voraussetzungen der "Goldenen Regel der Mechanik" zu beachten: die Kraft ist konstant und wirkt längs des Weges, Reibungskräfte bleiben unberücksichtigt. Die Schülerinnen und Schüler sollten deshalb neben der saloppen Form "Was man an Kraft spart, muss man an Weg zulegen." auch den exakten Wortlaut der "Goldene Regel der Mechanik" formulieren können. Anschauliche Beispiele Für die "Goldene Regel" bei der schiefen Ebene bieten sich im Anschluss an die Erarbeitung viele veranschaulichende Beispiele zur Einübung des Gelernten an: Rampe für Rollstuhlfahrer, Zahnradbahn (zur Problematisierung der Reibung), Serpentinen, oder die Schraube als aufgewickelte schiefe Ebene. Zugang zum abstrakten Energiebegriff Aus der Konstanz des Produkts aus Kraft und Weg erwächst für Schülerinnen und Schüler erfahrungsgemäß leicht verständlich die Definition mechanischer Arbeit, welche dann wiederum einen guten Zugang zum abstrakten Energiebegriff bietet. Dieses in der Unterrichtspraxis bewährte Vorgehen erlaubt auch frühzeitig gut operationalisierbare Prüfungsaufgaben, die aufgrund der vielen geforderten Leistungserhebungen bei wachsenden Klassenstärken und nur einer oder zwei Wochenstunden notwendig sind.