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Organische Leuchtdioden (OLEDs) besitzen enormes Zukunftspotenzial als energieeffiziente Beleuchtungsmittel. Neben einem deutlich geringeren Energieverbrauch als bei LED-Displays weisen OLEDs eine hervorragende Bildqualität und noch viele weitere Vorteile auf.Organische Leuchtdioden (OLEDs) revolutionieren derzeit die Beleuchtungsindustrie. Energiesparlampen und Halogenstrahler - in wenigen Jahren werden diese Lichtquellen vielleicht vergessen sein. Bei OLEDs handelt es sich um dünne Folien, die tagsüber transparent sind und nachts in allen denkbaren Farben leuchten. Organische Leuchtdioden sind hocheffiziente Lichtquellen, die viele positive Eigenschaften haben: sie sind äußerst energiesparend, leuchten großflächig, sind extrem dünn und außerdem voll dimmbar. Außerdem haben OLEDs keine Verzögerungszeit beim Einschalten und sie sind so flexibel und transparent herzustellen, dass man sie sogar in Fensterscheiben integrieren kann. Relevanz des Themas Die Unterrichtseinheit kann beispielsweise zu einer längeren Unterrichtsreihe in Physik zum Thema "Licht" eingegliedert werden. Zunächst müssen im Unterricht wichtige Grundlagen der Strahlen- und Wellenoptik sowie der Quantenphysik erarbeitet werden. Zu den vorab zu behandelnden Themen sollten unter anderem die Reflexion, Brechung, Brechungsgesetz, Beugung und Interferenz von Licht sowie der Welle-Teilchen-Dualismus des Photons gehören. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit aktuellen Forschungsergebnissen zur Bedeutung von OLEDs für neue optische Licht- und Speichermedien auseinandersetzen und diese auswerten. Hintergrundinformationen zu OLEDs Hier finden Sie nähere Informationen zu OLEDs und Biolumineszenz von Leuchtkäfern sowie zu Perspektiven für die Medizinforschung. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Organischen Leuchtdiode verstehen und beschreiben können. ein Thema selbstständig recherchieren und beschreiben können. wichtige Anwendungsbereiche für OLEDs kennenlernen. in reduzierter Form wissenschaftliche Neuentwicklungen für OLEDs bewerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen eine interaktive Lernumgebung bedienen können. Informationen zur Thematik aus einem Text entnehmen, wesentliche Aussagen verstehen und in eigenen Texten wiedergeben können. die Nutzungsmöglichkeiten des Internets kennen- und anwenden lernen. Thema Organische Leuchtdioden aus Kohlenstoff Autorin Jana Haberstroh Fächer Physik, Chemie, Biologie, Technik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Klasse 7 Zeitraum circa 2-3 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang (am besten für je 2 Personen), Beamer Der deutsche Chemiker Herbert Naarmann hat bereits 1969 Strom leitende Polymere - die Vorstufe der OLED - beobachtet, doch es sind noch ganze 21 Jahre vergangen, bis eine Forschergruppe in Cambridge erstmals eine Leuchtdiode herstellte. Die verwendeten organischen Halbleiterschichten waren nur etwa 100 Nanometer dick, also zehntausend Mal dünner als ein Millimeter. Alleine die Leuchteffizienz und Lebensdauer der OLEDs blieben jahrelang hinter der Konkurrenz zurück. Immer wieder entdeckten Forscher "Nebenwirkungen", wie zum Beispiel die Verkürzung der Lebensdauer durch kleinste Verunreinigungen. Auch der Aufbau wurde immer komplizierter. Um gegen Luftfeuchtigkeit resistent zu werden, müssen die OLEDs hinter Glas geschützt werden. Aufbau einer organischen Leuchtdiode Ein transparentes Substrat (Glas, Quarz oder Polymerfolie) dient als Basis für den Aufbau. Die Anode, eine ITO-(Indium-Zinn-Oxid-) Schicht ist elektrisch leitfähig und für sichtbares Licht durchlässig. Das Licht entsteht in den "aktiven" organischen Schichten, wenn dort Paare von Elektronen und "Löchern" rekombinieren und jeweils ein Photon erzeugen. Das Licht wird durch das optisch transparente Substrat abgestrahlt. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, werden für den Transport von Ladungsträgern eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgebracht. Schließlich wird als Kathode ein optisch nicht transparenter Metallkontakt aufgedampft. Beim Anlegen einer äußeren Spannung von weniger als 5 Volt zwischen Kathode und Anode kommt es zur Emission von Licht, dessen Farbe von den eingesetzten aktiven Materialien abhängt. Die Chemie der OLEDs Die OLED basieren auf organischen Kohlenstoffmolekülen, also Verbindungen aus mehreren Kohlenstoffteilchen mit anderen Elementen. Setzen sich mehrere gleiche Molekülketten aneinander, dann entstehen sogenannte Polymere. Diese verhalten sich wie Halbleiter, was zur Folge hat, dass sie elektrischen Strom leiten. Und mit diesem bringt man die Folien zum Leuchten. Die Lichtfarben bestehen aus Kohlenstoff-Ringstrukturen, in die ein metallisches Zentralatom integriert wird - beispielsweise Edelmetalle wie Platin oder Iridium. Der OLED-Regenbogen Die OLEDs leuchten beim Anlegen einer Spannung, ob gelb, grün, rot oder blau - alle Farben sind möglich. Die Farbe der Emission wird anders als bei den anorganischen LEDs durch die Energielücke des Halbleiters bestimmt (durch die Energie, die frei wird, wenn ein Elektron und ein "Loch" zusammentreffen und rekombinieren). Diese Energie und damit die Farbe der Emission kann durch die Wahl des organischen Materials gezielt verändert werden. Innerhalb weniger Jahre hat man bereits sämtliche Farben von Rot über Grün bis Blau realisiert. Die Entwicklung ist bereits so weit fortgeschritten, dass erste vollfarbige Bildschirmprototypen hergestellt werden konnten. LED versus OLEDs Anders als bei den anorganischen LEDs wird weißes Licht durch Mischen der Grundfarben rot, blau und gelb erzeugt. Blau ist die Achillesferse der weißen OLED - dieser Farbstoff ist am kurzlebigsten. Multitalent OLED Der größte Markt für OLEDs ist der Bereich "Display", das heißt, OLEDs werden beispielsweise für Fernseher oder Displays von Mobiltelefonen eingesetzt. Displays aus organischen Leuchtdioden benötigen keine Hintergrundbeleuchtung und ermöglichen einen geringen Stromverbrauch. Sie ermöglichen zudem einen größeren Betrachtungswinkel. Zukunftsvision leuchtende Tapeten Organische Leuchtdioden dienen sogar als Basis für Tapeten, die Licht erzeugen und sogar, je nach Stimmung, die Farbe wechseln können. Diese gedruckte Elektronik wird im Fachjargon Polytronik genannt. Die Leuchtfolie emittiert ein für das Auge angenehmes, monochromatisches Kaltlicht, das auch bei Staub, Rauch oder Nebel besser sichtbar sein soll als jede andere Lichtquelle. Die Glühwürmchen sind die OLEDs des Tierreiches. Sie können ihr gelbliches Licht, welches in der Paarungszeit werbewirksam eingesetzt wird, ein- und ausschalten. Forscherinnen und Forscher haben die dahinter stehenden Grundlagen der Lumineszenz analysiert und festgestellt, dass einige natürliche Polymere Halbleitereigenschaften haben und somit für den Transport elektrischer Ladungen geeignet sind. Solche konjugierten Polymere können mittlerweile künstlich und genau spezifiziert hergestellt werden. Halbleiter und andere elektrische Bauteile sind also bald nicht mehr auf Kristallstrukturen angewiesen, sondern können aus Kunststoffen gefertigt werden. In der medizinischen Forschung benutzt man ebenfalls Zellen oder Bakterien mit integiertem Luciferase-Gen. Injiziert man beispielsweise einer Maus Salmonellen-Erreger, die das Luciferase-Gen tragen, so breiten sich die Erreger in ihrem Körper aus. Infusiert man eine Luciferinlösung, so kann man diese Ausbreitung durch das entstehende Licht von außen verfolgen, ohne die Maus zu töten. Analog verhält es sich mit markierten Karzinomen bei denen man die Metastasenbildung und Verbreitung optisch durch das emittierte Licht verfolgen kann.

Mit einem Bildbearbeitungsprogramm und physikalischen Formeln prüfen Schülerinnen und Schüler, ob eine Filmszene der NASA von der Mondoberfläche eine Fälschung sein könnte. In diesem Beitrag stellen wir Ihnen eine motivierende Anwendung der Kenntnisse zum schrägen Wurf aus der Mechanik vor. Am 20. Juli 1969 landeten die Amerikaner Neil Armstrong und Edwin Aldrin gegen 21:17 Uhr mitteleuropäischer Zeit auf dem Mond. Doch Verschwörungstheoretiker sind der Meinung, dass die Mondlandungen der Apollo-Missionen nie stattgefunden hätten. Sie behaupten, die US-amerikanische Regierung sowie die NASA hätten die Mondlandung vorgetäuscht. Die Lernenden sollen untersuchen, ob ein NASA-Film, der eine Fahrt mit dem Mondauto der Apollo 16 Mission zeigt, tatsächlich auf der Erde entstanden sein könnte. Mechanik - Wurfgesetze und Erdbeschleunigung Nach der Behandlung der Wurfgesetze im Physikunterricht bildet der Auftrag, die Authentizität des Mondauto-Videos mithilfe des Gelernten auf die Probe zu stellen, eine anwendungsorientierte Aufgabe, die Abwechslung in den Unterrichtsstoff der Mechanik bringt. Raumfahrt Die kritische Hinterfragung der Mondlandung und der Argumente der "Skeptiker" mithilfe von NASA-Material aus dem Internet kann im Rahmen eines Projekts zum Thema Raumfahrt für Spannung sorgen. Ausgehend von ihrem physikalischen Wissen agieren die Schülerinnen und Schüler dabei als Detektive, die zur Frage "Fake oder echt?" einen eigenen Standpunkt entwickeln und begründen sollen. Die Auseinandersetzung mit den verschiedenen Argumenten der Mondlandungsskeptiker kann dabei arbeitsteilig erfolgen. Die Analyse des Mondauto-Videos ist dann nur eine Facette des Themas. Durchführung und Ergebnisse der Berechnungen Mit den Werten für die Erd- und die Mondbeschleunigung sowie der Höhenformel des schrägen Wurfs wird das "Mondvideo" analysiert. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Höhenformel des schrägen Wurfs anwenden. mithilfe ihres physikalischen Wissens die Authentizität eines NASA-Videos überprüfen. ein Bildbearbeitungsprogramm als Werkzeug der naturwissenschaftlichen Bildauswertung kennen und nutzen lernen. motiviert werden, sich mit den Argumenten der "Mondlandungs-Skeptiker" kritisch auseinanderzusetzen und dabei ihre physikalischen Kenntnisse anzuwenden. Thema Waren die Amerikaner auf dem Mond? - Anwendung der Kenntnisse zum schrägen Wurf Autoren Arif Purtul, Heinrich Kuypers Fächer Physik, Naturwissenschaften, Astronomie Zielgruppe Jahrgangsstufe 11 Zeitraum maximal 1 Stunde mit Diskussion Technische Voraussetzungen Computer für die Internetrecherche, Bildbearbeitungsprogramm Die Verschwörungstheoretiker haben zahlreiche Argumente gegen die Mondlandung gesammelt - das bekannteste bezieht sich auf die "wehende" Fahne. Filmaufnahmen vom Aufstellen der amerikanischen Flagge auf der Mondoberfläche zeigen, dass die Flagge "flattert". Da auf dem Mond aber keine Atmosphäre vorhanden ist, sehen die Verschwörungstheoretiker darin einen stichhaltigen Beweis für die Vortäuschung der Mondlandung. Die Bewegungen der Fahne wurden jedoch durch Vibrationen der Stangenkonstruktion im luftleeren Raum verursacht. Doch man muss nicht unbedingt ein großer Physiker sein, um die Richtigkeit der Filmaufnahmen und die Mondlandung zu hinterfragen zu können, wie diese Unterrichtseinheit zeigt. Während der letzten drei Apollo-Missionen (15, 16 und 17) führten die Landefähren Mondautos mit, die die Reichweite der Astronauten bei der Erkundung der Mondoberfläche erhöhen sollten. Videoaufnahmen der Mondfahrten sind im Internet zu sehen. Aber fuhr das Auto tatsächlich auf dem Mond? Oder wurden die Aufnahmen in einem Filmstudio auf der Erde gedreht, wie es die Verschwörungstheoretiker behaupten? Für die Überprüfung des NASA-Videos benötigt man lediglich ein einfaches Bildbearbeitungsprogramm (zum Beispiel Paint), einige technischen Daten des Mondautos (Lunar Roving Vehicle), die im Internet recherchiert werden können, und einen geeigneten Screenshot aus einem NASA-Video (siehe Internetadressen), der das Mondfahrzeug in Aktion zeigt. Am rechten Bildrand - und darauf kommt es bei der Analyse an - ist über dem Mondhorizont von den Rädern des fahrenden Autos hochgeworfenes Mondmaterial zu sehen. Das Mondauto dient als Maßstab für die Vermessung der Szene. Seine Länge - die Schülerinnen und Schüler können dies schnell im Internet recherchieren - beträgt 3,099 Meter. Danach wird der Mondauto-Screenshot mit einem Bildbearbeitungsprogramm, zum Beispiel Paint, geöffnet. Nun zeichnet man unmittelbar unter dem Fahrzeug sowie am rechten Bildrand Linien ein, die der Länge des Autos und der Höhe des hochgeschleuderten Staubs entsprechen. Am unteren Rand des Bildbearbeitungsfensters liest man, während man eine Linie zeichnet, ab, über wie viele Bildpunkte (Pixel) sich die Linien erstrecken. Danach wird mit einem Dreisatz die Höhe des aufgeworfenen Staubs ermittelt (Tabelle): Bildpunkte Länge 166 Bildpunkte 3,099 Meter 1 Bildpunkt ? 0,019 Meter 115 Bildpunkte ? 2,19 Meter Durch die grafische Auswertung haben wir die Höhe der vom Mondauto hochgeschleuderten Partikel ermittelt. Für den nächsten Schritt brauchen wir folgende Informationen: die maximale Geschwindigkeit des Mondautos: 13 km/h den Wert der Erdbeschleunigung (g): 9,81 m/s² den Wert der Mondbeschleunigung: 1,62 m/s² die Höhenformel des schrägen Wurfs (alpha = Abwurfwinkel): Der Abwurfwinkel lässt sich aus dem Screenshot über das Anlegen einer Tangente an die Staubspur kurz nach dem Hinterreifen bestimmen. Er beträgt 47 Grad. Nun kann die maximal mögliche "Wurfhöhe" berechnet werden. Wir nehmen dafür an, dass das Fahrzeug im Video mit Höchstgeschwindigkeit fuhr: Berechnung der maximalen Wurfhöhe für die Erde: Auf der Erde wäre demnach eine maximale Wurfhöhe von etwa 35,5 Zentimetern möglich gewesen. Das liegt jedoch deutlich unter dem im ersten Schritt (Videoanalyse) ermittelten Wert (? 2,19 Meter). Berechnung der maximalen Wurfhöhe für den Mond: Auf dem Mond wäre bei maximaler Geschwindigkeit eine maximale Wurfhöhe von 2,15 Metern möglich. Die kleine Abweichung der bei der Videoanalyse bestimmten Wurfhöhe von diesem Wert kann durch die Lage des Fahrzeugs zustande kommen, das in dem für die Messung verwendeten Screenshot nicht exakt parallel zur Abszisse steht. Die aus der grafischen Analyse berechneten Werte zeigen, dass die im Video zu sehende Höhe des aufgeworfenen Mondmaterials auf der Erde nicht hätte erreicht werden können. Somit kann man sagen: Die Amerikaner waren auf dem Mond!

Dateien im MP3-Format sind heutzutage sehr verbreitet. Dass hinter MP3 jede Menge interessante Mathematik steht, ist vielen nicht bewusst. Wer kennt nicht MP3-Dateien? Mit ihnen ist es möglich, große Mengen von Musik auf kleinstem Raum zu speichern und wieder abzuspielen: denn mit MP3 kann man den Speicherplatz, den man benötigt, um eine Audiodatei zu speichern, auf einen Bruchteil reduzieren. Auf modernen MP3-Playern von der Größe einer Streichholzschachtel ist es möglich, bis zu 200.000 Minuten Musik (das entspricht 130 Tagen) zu speichern. Diese Unterrichtseinheit soll einige der Prinzipien, auf denen MP3 basiert, näher beleuchten und allgemein verständlich darstellen. Dies umfasst biologische, physikalische und mathematische Aspekte. Ausgehend von verschiedenen Hörbeispielen zur Einführung werden die mathematischen Grundlagen betrachtet, die hinter der Zerlegung von Frequenzen liegen. Prinzip von MP3 und Grundlagen Wie lassen sich große Datenmengen von Video- und Audiodateien im MP3-Format platzsparend speichern? Was hört das menschliche Ohr - und was nicht? Die Grenzen des menschlichen Gehörs und welche Rolle dabei der verdeckende Schall und der verdeckte Schall spielen. Prinzip der Multiskalenanalyse Zerlegt man musikalische Töne in ihre Einzelfrequenzen, müssen ganz unterschiedliche Frequenz-Skalen betrachtet werden. Multiskalenanalyse mithilfe von Rechteckschwingungen Tonsignale lassen sich auch in Rechteckschwingungen zerlegen, deren Skala zunehmend gröber wird. Huffman-Codierung Um in MP3 die verbliebenen Informationen effizient abzuspeichern, nutzt man die Huffman-Codierung. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Prinzipien, auf denen MP3 basiert, kennen lernen. ein grundlegendes Verständnis für das Hören von Tönen und Klängen entwickeln. einige Grenzen des menschlichen Gehörs kennen lernen. das Prinzip der Zerlegung eines Klanges in Einzelfrequenzen am Beispiel einer Multiskalenanalyse nachvollziehen. Thema MP3 - ein Beispiel für angewandte Mathematik im Alltag Autoren Dr. Anton Schüller, Prof. Dr. Ulrich Trottenberg, Dr. Roman Wienands Fach Mathematik, Physik, Biologie oder Differenzierungsbereich Mathematik/Naturwissenschaft Zielgruppe ab Klasse 8 oder im Rahmen eines Projektkurses in der Oberstufe Zeitraum 3 bis 4 Stunden oder im Rahmen einer Projektwoche Technische Voraussetzungen Computer mit Soundkarte, Software zur Wiedergabe von Audio- und Videodateien im avi-Format, zum Beispiel Windows Media Player oder Real Player MP3 ist eine Abkürzung von MPEG Audio Layer 3, wobei MPEG für Moving Picture Experts Group steht, die 1988 gegründet wurde, um einen Standard für die effiziente Kodierungvon Videocodes zu entwickeln. MP3 basiert auf dem Prinzip, dass nur der Anteil von einem Musikstück gespeichert werden muss, den das menschliche Ohr auch hören kann. Dies mag auf den ersten Blick ein wenig überraschend klingen. Hören wir denn nicht alles, was in einem Musikstück enthalten ist? Tatsächlich ist das menschliche Ohr nicht in der Lage, alle Details, die in einem Musikstück enthalten sind, wahrzunehmen. Zur Einführung in das Thema eignet sich das Zeigen der Audio-Video-Datei audio_video_kompression.avi. Hier wird gleichzeitig an einem visuellen und auditiven Beispiel demonstriert, wie sich die Qualität von Bildern und Musik verändert, wenn man die zugehörigen Dateien immer weiter komprimiert. Bei der Datenkompression bleibt die Qualität für die menschliche Wahrnehmung zunächst erhalten und man spart große Mengen Speicherplatz. Irgendwann werden jedoch die Qualitätsverluste bemerkbar. Komprimiert man dann immer noch weiter, so verschlechtert sich die Qualität dramatisch. Wieso können wir überhaupt das hören, was jemand sagt, der einige Meter von uns entfernt ist? Der Grund hierfür ist das physikalische Phänomen des Schalls. Schall entsteht, weil die Moleküle eines Mediums (zum Beispiel Luft) zum Schwingen gebracht werden. Dadurch stoßen sie an benachbarte Moleküle, bringen auch diese ins Schwingen und so weiter. Abb. 1 (bitte anklicken) zeigt eine Animation der Molekülbewegungen. Solch eine (mechanische) Schwingung breitet sich in festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen wellenförmig aus. Schall breitet sich als sogenannte Longitudinalwellen aus, also immer parallel zur Ausbreitungsrichtung. Die Animation in Abb. 2 (bitte anklicken) verdeutlicht dies. Entsteht ein Ton dadurch, dass eine Gruppe von Molekülen ganz regelmäßig hin und her schwingt, beispielsweise 400 mal pro Sekunde, so sagen wir auch, der Ton hat eine Frequenz von 400 Hertz, das heisst die Schwingung erfolgt 400 mal pro Sekunde. Das menschliche Ohr kann nur Töne wahrnehmen, die zwischen etwa 16 und 20.000 Hertz liegen. Ist c die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, f die Frequenz einer Schallwelle (das heißt einer sich wellenförmig ausbreitenden Schwingung) und λ (sprich lambda) die Wellenlänge, so gilt c = λ * f Sind zwei dieser drei Größen bekannt, so kann man die dritte hiermit berechnen. Je weiter die Moleküle in der Luft hin und her schwingen, desto lauter ist der Ton. Die Lautstärke beschreibt also den Unterschied zwischen Berg und Tal der Schwingung. Geräusche haben keine exakt bestimmbare Tonhöhe mehr. Sie sind nichtperiodische Schallereignisse, die durch Überlagerungen vieler Schwingungen unterschiedlicher Frequenz mit rasch wechselnder Amplitude entstehen. Mit anderen Worten: "Der Unterschied von Ton/Klang zu Geräusch ist in der Regelmäßigkeit der Schwingung zu finden. Bei einem Geräusch ist die Schwingbewegung der Luft sehr ungleichmäßig, bei Tönen dagegen handelt es sich um immer wiederkehrende gleichförmige Luftbewegungen". Alles, was wir hören, besteht aus Überlagerungen von Schwingungen, die sich in einem Medium wie der Luft wellenförmig ausbreiten. Diese wellenförmige Ausbreitung bedeutet physikalisch gesehen, dass das menschliche Ohr Druckschwankungen wahrnimmt, die aus einer Überlagerung von Schwingungen unterschiedlichster Frequenzen resultieren. Diese Druckschwankungen führen zu einem entsprechenden Schwingen des Trommelfells. Das menschliche Ohr ist wiederum imstande, dieses Schwingen des Trommelfells über Sinneshaare im Innenohr, die auf unterschiedliche Frequenzen spezialisiert sind, in einzelne Tonfrequenzen zu zerlegen und als Nervenreize an das Gehirn weiterzuleiten. Diese werden dann vom Gehirn als Töne, Klänge und Geräusche interpretiert. Grenzen des menschlichen Gehörs: Abb. 3 zeigt Hörschwelle, Schmerzgrenze, Musik- und Sprachwahrnehmbarkeit in Abhängigkeit von der Frequenz. Nach rechts ist die Frequenz und nach oben die Lautstärke (in der Maßeinheit "Dezibel") aufgetragen. Man beachte dabei, dass "Dezibel" eine logarithmische Maßeinheit ist. Wegen log 1 = 0 bedeutet 0 Dezibel gerade nicht, dass völlige Stille herrscht. In Abb. 4 werden die Grenzen des menschlichen Gehörs deutlich: Die Hörschwelle wird angehoben durch die Anwesenheit von Tönen mit einer Frequenz von 1 kHz und verschiedenen Lautstärken (in jeweils unterschiedlichen Farben dargestellt). mp3 macht sich zunutze, dass die akustischen Informationen, die das menschliche Ohr überhaupt nicht wahrnehmen kann, auch nicht abgespeichert werden müssen. Für MP3 müssen also die Tonsignale wieder in die einzelnen Frequenzen zerlegt werden, aus denen sie zusammengesetzt sind. Anschließend werden die Anteile, die für das menschliche Gehör ohnehin nicht wahrnehmbar sind, aus der Frequenzdarstellung entfernt, denn nur die hörbaren Anteile müssen überhaupt gespeichert werden. In den Videoclips wird demonstriert, wie MP3 funktioniert. An diesen Hörbeispielen wird deutlich, dass man im MP3-Format nur einen kleinen Teil der ursprünglichen Frequenzen zu speichern braucht. Den überwiegenden Rest der Informationen kann man weglassen, ohne dass das menschliche Ohr einen Unterschied zur Originalversion wahrnimmt. Die Töne im weißen Bereich des dritten Beispiels (musikbeispiel_orig_minus_mp3.avi) werden in der Originalversion durch andere dominantere Töne überdeckt und werden somit im Gesamtzusammenhang des Musikstücks nicht wahrgenommen. Erst wenn die dominanten Töne wegfallen, werden die restlichen Töne für das menschliche Ohr hörbar. Musikalische Töne bestehen aus einer Überlagerung einer Vielzahl von Schwingungen. Wie zuvor bereits erläutert, sind nur die Schwingungen mit Frequenzen zwischen etwa 20 und 20.000 Hertz für den Menschen hörbar. Der Faktor zwischen den niedrigsten und den höchsten hörbaren Frequenzen beträgt damit immerhin 1.000 = 10³, also 3 Zehnerpotenzen. Wenn wir also musikalische Töne wieder in die darin enthaltenen Einzelfrequenzen zerlegen wollen, müssen wir ganz unterschiedliche Frequenz-Skalen betrachten. Da die Frequenzen in einem bestimmten Medium wie der Luft in direktem Zusammenhang mit den zugehörigen Wellenlängen stehen (wie in der Gleichung zu Prinzip von MP3 und Grundlagen ), können wir ganz analog auch sagen, wir müssen ganz unterschiedliche Skalen von Wellenlängen betrachten. Eine derartige Multiskalenanalyse ist durchaus nicht ungewöhnlich, wenn man die Eigenschaften von Objekten beobachten oder analysieren will. Anhand von zwei Beispielen wird das Prinzip der Multiskalenanalyse verdeutlicht. Im ersten Beispiel wird eine Multiskalenanalyse durch fortgesetzte Mittelwertbildung für eine gegebene Zahlenfolge durchgeführt. Im zweiten Beispiel betrachten wir die Zerlegung eines Tonsignals in sogenannte Wavelets, was der Zerlegung in Rechteckschwingungen entspricht. Wir betrachten als Beispiel folgende Zahlenfolge von Quadratzahlen: 0 1 4 9 16 25 36 49. Fassen wir die Zahlen in Paare zusammen und bilden die Mittelwerte dieser Paare, so erhalten wir die Folge 0,5 6,5 20,5 42,5. Fassen wir diese Zahlen ebenfalls wieder zu Paaren zusammen und bilden die Mittelwerte der Paare, so erhalten wir die Folge 3,5 31,5. Für dieses Zahlenpaar haben wir den Mittelwert 17,5. Wir haben jetzt die ursprüngliche Zahlenfolge in mehrere Skalen von Mittelwerten überführt: Um von einer Mittelwertskala wieder zur vorhergehenden zu gelangen, benötigen wir die Abweichungen der Mittelwerte von den zugehörigen Werten auf der vorigen Skala: 17,5 - 14 = 3,5 beziehungsweise 17,5 + 14 = 31,5 Entsprechend auf der nächstgröberen Skala: 3,5 - 3 = 0,5 3,5 + 3 = 6,5 31,5 - 11 = 20,5 31,5 + 11 = 42,5 Ganz analog können wir auch von der feineren Skala von Mittelwerten zu unserer ursprünglichen Folge zurückkehren: Die gröbste Skala von Mittelwerten und diese Abweichungen können wir uns wie in folgendem Schema merken. Hier ist zusätzlich die ursprüngliche Zahlenfolge nochmals mit aufgeführt: Zu den ursprünglichen Zahlen zurück kommen wir jetzt, indem wir den Mittelwert auf der gröbsten Skala und die entsprechenden gespeicherten Abweichungen auf allen feineren Skalen einfach addieren. Ein Beispiel: Annäherung an die Funktion durch Balken Um Tonsignale in Rechteckschwingungen unterschiedlicher Frequenzen zu zerlegen, können wir ganz analog vorgehen. Abb. 9 zeigt links eine Funktion, die wir in Rechteckschwingungen zerlegen wollen. Da wir den Funktionsverlauf in der Praxis oft nicht genau kennen, sondern nur an bestimmten Werten messen, nähern wir die Funktion durch die einzelnen Messwerte an. Diese Messwerte werden durch die gefärbten Balken wiedergegeben. Multiskalenanalyse in beide Richtungen möglich Auf der rechten Seite der Abbildung 9 ist der umkreiste Ausschnitt der Funktion vergrößert dargestellt. Wir erläutern das Prinzip unserer Multiskalenanalyse im Folgenden anhand dieses Ausschnitts. Vergröberung der Skalen Die linke Skizze in Abb. 10 zeigt, dass wir wie im vorangegangenen Abschnitt bei der Prinzip der Multiskalenanalyse wieder Mittelwerte der gemessenen Funktionswerte bilden, um auf die nächstgröbere Skala zu kommen. Dieses Vorgehen können wir fortsetzen, um auf gröbere Skalen zu kommen. Die mittlere Grafik von Abb. 10 zeigt den Mittelwert auf der entsprechenden nächstgröberen Skala. Verfeinerung der Skalen Aber auch die andere Richtung ist denkbar: Zurück zur feinen Skala der Funktion können wir wieder kommen, indem wir wieder die Abweichungen zum Mittelwert hinzu addieren. So erhalten wir wieder die ursprünglichen Messwerte der Funktion zurück. Betrachten wir jetzt die rechte Seite in dieser Abbildung genauer, so stellen wir fest, dass wir tatsächlich unseren Funktionsausschnitt in eine Folge von Rechteckschwingungen zerlegt haben. Abweichungen entsprechen der Rechteckschwingung Dabei sind wir ganz genauso vorgegangen wie bei der Multiskalenanalyse unserer Zahlenfolge im vorangegangenen Abschnitt ( Prinzip der Multiskalenanalyse ). Die Zahlenfolge dort können wir auch auffassen als Messwerte für die Funktion f(x) = x 2 . Daher haben wir auch dort bereits eine Zerlegung dieser Funktion in Rechteckschwingungen durchgeführt. Dies wird deutlich, wenn wir die Abweichungen auf den einzelnen Skalen nochmals genauer betrachten. Wir stellen dabei fest, dass je zwei dieser Abweichungen den gleichen Betrag haben, sich aber im Vorzeichen unterscheiden; so können z.B. die Werte ?3 und +3 auf der zweitfeinsten Skala von Abweichungen als eine Rechteckschwingung (der Höhe 3) aufgefasst werden. Prinzip der Codierung Wie bereits zu Beginn dieser Unterrichtseinheit erwähnt wurde, kann das menschliche Ohr insbesondere in polyphoner Musik (wenn viele Töne gleichzeitig erklingen und sich überlagern) viele Informationen nicht wahrnehmen. Daher werden die unhörbaren Anteile in MP3 nur ungenau gespeichert. Zusätzlich wird eine weitere Reduktion des zu speichernden Datenvolumens dadurch erreicht, dass man eine sogenannte Huffman-Codierung verwendet. Die Idee der Huffman-Codierung lässt sich am Beispiel der Codierung eines Textes einfach beschreiben: In einem Text kommen Buchstaben unterschiedlich häufig vor, in der deutschen Sprache beispielsweise das "e" viel häufiger als das "y". Deshalb verwendet man einen sehr kurzen Code für häufig vorkommende Buchstaben, längeren Code hingegen für Buchstaben, die nur selten vorkommen. Gleichzeitig ist aus einer Huffman-Codierung die ursprüngliche Information schnell, eindeutig und exakt reproduzierbar. Beispiele für Codierungen Ein Beispiel für eine derartige Codierung ist das Morsealphabet. Ein negatives Beispiel ist hingegen das Tippen einer SMS. Hier muss für häufig verwendete Buchstaben wie zum Beispiel "e" oder "n" zweimal gedrückt werden. Übertragen auf die Musik bedeutet dies: Meist besteht das ungenau zu speichernde Frequenzspektrum aus wenigen großen und vielen (also häufiger vorkommenden) kleinen Werten (Quantisierungswerte). Die Huffman-Codierung sorgt dann dafür, dass die digitalisierte Darstellung dieses Tons nur sehr wenig Speicherplatz einnimmt. Im Zusammenhang mit mp3 reduziert die Huffman-Codierung den Speicherplatz spürbar. Helmut Neunzert Einführungsvortrag auf dem Kongress Mathematik in der Praxis, Berlin, März 2009.

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

In dieser Unterrichtseinheit zu Raumnutzungskonflikten bei Windenergieanlagen schlüpfen die Lernenden in die Rolle einer Raumplanungsbehörde und schlagen einen "optimalen" Standort für Windkraftanlagen in der Gemarkung Simmersfeld–Seewald/Besenfeld im Nordschwarzwald vor.Der Ausbau erneuerbarer Energien stößt bei den Bundesbürgerinnen und -bürgern auf breites Interesse. Etwa 80 Prozent der Bevölkerung sehen es als sehr wichtig oder sogar außerordentlich wichtig an, die erneuerbaren Energien stärker zu nutzen und auszubauen. Allerdings stellt es sich häufig als herausfordernde Aufgabe dar, geeignete Standorte für die Produktion regenerativer Energien zu finden, da viele unterschiedliche Interessen und Anforderungen zu berücksichtigen sind. Diesen Prozess einer Standortwahl können die Schülerinnen und Schüler mithilfe eines WebGIS nachvollziehen und die Ergebnisse anhand der gewählten Kriterien begründen.Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten den Standortfindungsprozess für einen Windpark mithilfe eines Geographischen Informationssystems und analysieren die raumwirksamen Ausschlusskriterien. Das beigefügte Arbeitsblatt gibt detaillierte Hinweise zur Vorgehensweise. "Raumnutzung bei Windenergieanlagen": technische Hinweise Auf dieser Seite erhalten Sie wissenswerte Hinweise, bevor Sie und Ihre Schülerinnen und Schüler im Unterricht mit dem WebGIS-Modul starten. Unterrichtsverlauf "Raumnutzung bei Windenergieanlagen" Hier finden Sie Informationen zum Ablauf der Unterrichtseinheit "Raumnutzung bei Windenergieanlagen". Die Arbeitsschritte bei der Standortplanung werden zunächst an der Tafel und anschließend am Computer mithilfe des WebGIS durchgeführt. Die Schülerinnen und Schüler analysieren und bewerten Möglichkeiten der Energienutzung. verstehen und bewerten Perspektiven der Energieversorgung der Zukunft. analysieren bedingende und auslösende Faktoren eines raumwirksamen Problems in ihrer Wechselwirkung erarbeiten und Lösungsansätze für ein konkretes Planungsbeispiel. übertragen auf kommunaler Ebene die Leitideen der Agenda 21 auf ein konkretes Planungsbeispiel. Dieses WebGIS-Projekt läuft nicht mit dem Internet-Explorer! Verwenden Sie einen der folgenden Browser: Mozilla FireFox, Google Chrome, Apple Safari oder Opera. GeoPortal des LMZ Baden-Württemberg: Windparkprojekt Über diesen Link wird das Projekt "Windpark" auf der Oberfläche des GeoPortals des Landesmedienzentrums Baden-Württemberg gestartet. Symbolleiste Es wird empfohlen, dass die Schülerinnen und Schüler sich mit den Buttons in der Symbolleiste in den ersten fünf Minuten des Unterrichts vertraut machen. Von Bedeutung sind vor allem die sichere Handhabung des Zeichnens und des Löschens von Polygonen sowie des Speicherns des Projekts, wenn der Unterrichtsverlauf eine Unterbrechung verlangt. In der oberen Leiste über dem Kartenfenster stehen Werkzeuge zur Verfügung. Digitalisieren von Polygonen Zeichnen mit der Maus nennt man Digitalisieren. Es entstehen hierbei Vektorgrafiken. Dazu muss man das Werkzeug zum Zeichnen eines Polygons anklicken. Per linkem Mausklick werden die jeweiligen Eckpunkte des Polygons festgelegt. Per Doppelklick wird das Polygon fertiggestellt beziehungsweise die Zeichnung beendet und das Polygon geschlossen. Korrektur von Polygonen Wurde ein Eckpunkt falsch gesetzt, kann nachträglich das fertige Polygon bearbeitet werden, auch einzelne Korrekturen sind möglich: Dazu einfach den "Verändern"-Button anklicken, und einmal auf das zu verändernde Polygon klicken. Nun sind alle Eckpunkte durch Punktsymbole hervorgehoben, und die nachfolgend aufgeführten Funktionen können durchgeführt werden: Eckpunkt verschieben, löschen oder hinzufügen. Eckpunkt verschieben Ein einzelner Eckpunkt lässt sich mit gedrückter linker Maustaste an die gewünschte Position verschieben. Eckpunkt löschen Mit dem Mauszeiger über einen Eckpunkt fahren, bis über ihm gekreuzte Pfeile erscheinen und die Taste drücken. Eckpunkt hinzufügen Man fährt mit dem Mauszeiger auf die gewünschte Position des neuen Eckpunkts auf einer Linie, bis gekreuzte Pfeile erscheinen. Durch einen Linksklick wird einer neuer Punkt erzeugt. Der neue Eckpunkt kann verschoben werden, siehe oben. Alle Polygone zugleich löschen Durch Anklicken des Buttons, der an ein "Einfahrt verboten"-Verkehrsschild erinnert (roter Kreis mit waagerechtem weißen Balken) lassen sich alle Objekte auf einmal löschen. Projekt speichern Wenn der Unterrichtsverlauf die Unterbrechung der Arbeit verlangt, kann das Projekt gespeichert werden. Dazu den "Speichern"-Button anklicken (Diskettensymbol) und das Verzeichnis wählen, auf das die Lernenden in der nächsten Stunde Zugriff haben. Es wird empfohlen, den vom System gewählten Namen der Projektdatei "Project.gbw" umzubenennen. Projekt öffnen WebGIS starten im Browser Mozilla FireFox oder Google Chrome, Safari, Opera mit der URL gis.lmz-bw.de/windpark/ . "Öffnen"-Button anklicken, die Einstellungen und Verortung des Projekts werden entsprechend wieder hergestellt. An einem realen Beispiel erarbeiten die Schülerinnen und Schüler in aufeinander folgenden Schritten, welche Kriterien bei der Standortwahl zu berücksichtigen sind. Sie beschäftigen sich mit den Wechselwirkungen, die mit den verschiedenen Ansprüchen an bestimmte Flächen verbunden sind, und entwickeln Lösungsansätze. Einstieg: Raumnutzungskonflikte Als Einstieg in die Thematik können Nachrichtenmeldungen dienen. Anhand dieser Meldungen sammeln die Lernenden, welche Raumnutzungskonflikte bei der Planung des Windparks aufgetreten sind. Problematisierung Nun sollen die Schülerinnen und Schüler in die Rolle einer Planungsbehörde schlüpfen und nach Abwägen der Anforderungen an den Standort einen Vorschlag für einen Windpark für die Gemarkung Simmersfeld-Seewald/Besenfeld erarbeiten. Erarbeitung an der Tafel An der Tafel werden zunächst die Standortanforderungen für Windkraftanlagen gesammelt. Anschließend werden die Flächen gesucht, die nicht geeignet für die Errichtung von Windrädern sind und daher ausscheiden (beispielsweise Siedlungen, Schutzgebiete). Im nächsten Schritt nutzen die Lernenden den Computer als Entscheidungshilfe, um geeignete Flächen für die Standortplanung zu visualisieren. Erarbeitung am Computer Standortplanung Mithilfe des WebGIS führen die Schülerinnen und Schüler nun eine Standortplanung für den Untersuchungsraum durch. Orientieren Zunächst starten die Schülerinnen und Schüler das WebGIS-Modul "Ein Standort für einen Windpark". Als erstes erscheint im Kartenfenster eine topographische Karte und links die Legende, in der einzelne Themen sichtbar oder unsichtbar geschaltet werden können. Mithilfe der Ortssuche (Suchfenster unterhalb der Legende) ist die Eingabe des gewünschten Ortsnamens möglich, auf den die Karte dann zentriert wird. In diesem Unterrichtsbeispiel wird der Ortsname "Simmersfeld" eingegeben. Ausschlusskriterien bearbeiten Hierbei wird der Kartenausschnitt schrittweise eingegrenzt, indem Flächen, die für Windkraftanlagen ungeeignet sind, farbig hervorgehoben werden. Als erstes wird in der Legende das Feld "Schutzgebiete" durch ein Häkchen aktiviert und damit sichtbar. Weitere Einschränkungen ergeben sich durch Siedlungen und rundherum erforderliche Pufferzonen als Abstandsflächen. Die Siedlungsflächen werden per Mausklick mit der Polygonfunktion eingezeichnet. Anschließend kann mit dem Pufferwerkzeug experimentiert werden, indem verschieden breite Pufferzonen um die Siedlungen gelegt werden. Bei einer 1000m-Pufferzone ist die verbleibende Fläche für einen Windpark schon erheblich reduziert. Anforderungen bearbeiten Die noch übrigen Flächen müssen nun hinsichtlich der Standortanforderungen, die ein Windpark stellt, genauer betrachtet werden. Dazu analysieren die Schülerinnen und Schüler die Relief-Situation zunächst durch Anklicken des Themas "Schummerung" in der Legende. Hierbei werden Höhenrücken als geeignete Flächen bereits gut erkennbar. Mithilfe des Werkzeugs "Profil zeichnen" können die Lernenden einen Geländeschnitt anzeigen lassen, um so geeignete Flächen zu identifizieren. Schließlich sollen noch die Windgeschwindigkeiten berücksichtigt werden, indem die dargestellten Windrosen untersucht werden (dazu das Häkchen beim Thema "Windrose" aktivieren).

Im Rahmen eines BlogQuests - ein WebQuest, der mit einem Blog erstellt wurde - informieren sich Schülerinnen und Schüler aus verschiedenen Blickwinkeln über Vor- und Nachteile der Kraftstoffalternative zu herkömmlichen Diesel oder Benzin.Das Biodiesel-BlogQuest beschäftigt sich mit dem Problem, dass die Preise für Benzin und Diesel stetig steigen. Es handelt von einem berufstätigen Mann namens Karl, der eines Morgens aus dem Radio die Information erhält, dass die Erdölpreise wieder einmal gestiegen sind und somit die Benzin- und Dieselpreise einen neuen Höhepunkt erreichen werden. In dem BlogQuest nehmen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Interessensstandpunkte ein und nehmen als Experten an einem Symposium zum Thema Biodiesel teil. Abschließend wird die ganzheitliche Betrachtung des Themas in Form von Zeitungsartikeln zu Papier gebracht. Relevanz des Themas im Unterricht Um auch weiterhin mobil zu bleiben, ist es wichtig, alternative Treibstoffe für Kraftfahrzeuge zu finden. Eine Möglichkeit bietet hier der Biodiesel. Ein Vorteil stellt der Bezug zur aktuellen Forschung dar. Derzeit gibt es in der EU mehrere wissenschaftliche Arbeitsgruppen, welche an der Optimierung des regenerativen Kraftstoffs arbeiten. Dies zeigt, dass Biodiesel in den Augen vieler Wissenschaftler eine Zukunft hat. Auch politisch ist das Thema Biodiesel aktuell, da zum Beispiel die obligatorische Beimischung von Biodiesel zu fossilem Diesel gesetzlich geregelt ist. Die wirtschaftliche und politische Aktualität wie auch die Verknüpfung zum Alltag der Schülerinnen und Schüler können die Motivation steigern. Ansätze zum unterrichtlichen Einsatz Zur Durchführung des BlogQuests gibt es zwei mögliche Ansätze: als Gruppenpuzzle oder als Einzelarbeit innerhalb der Gruppe. Beide Varianten werden in den Hinweisen zum Ablauf erläutert. Lehrplanbezug und Voraussetzungen Die Einordnung des WebQuests in die Lehrpläne von Hauptschule und Realschule sowie in die Typologie des WebQuest-Erfinders Bernie Dodge wird dargestellt. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Zeiteinteilung und Ablauf der Unterrichtseinheit werden skizziert. Selbst gesteuertes, problemlösendes und (quellen-)kritisches Arbeiten stehen dabei im Mittelpunkt. Die Schülerinnen und Schüler sollen gemäß der Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Schulabschluss am Beispiel des Themas Biodiesel Verknüpfungen zwischen gesellschaftlichen Entwicklungen und Erkenntnissen der Chemie aufzeigen. (E8) zum Thema Biodiesel unterschiedliche Internetquellen für ihre Recherchen nutzen. (K1) die Ergebnisse ihrer Internetrecherche situationsgerecht und adressatenbezogen präsentieren. (K7) fachlich korrekt und folgerichtig argumentieren. (K8) ihre Arbeit als Team planen, strukturieren, reflektieren und präsentieren. (K10) einen Zweig der Automobilindustrie darstellen, in denen chemische Kenntnisse zum Thema Wasser und Wasserstoff bedeutsam sind. (B1) gesellschaftsrelevante Aussagen aus unterschiedlichen Perspektiven diskutieren und bewerten. (B5) Thema Ist Biodiesel eine Alternative zu fossilen Kraftstoffen? Autoren Melina Hermsen, Silke Weiß; überarbeitet von Stephen Amann, Sven-Heiko Bubel, Rolf Goldstein Fach Chemie Zielgruppe 9. Klasse Gymnasium, 10. Klasse Realschule, 9. Klasse Hauptschule Zeitraum 5 Stunden Technische Voraussetzungen Computer, Internetzugang, Schreibprogramm, Mindmap-Programm (beispielsweise Freemind oder MindManager) 8.6 Wasser und Wasserstoff (Wasserstoff als möglicher Energieträger) Als Arbeitsmethode wird das eigenständige Informieren zum Thema "Wasserstoff als möglicher Energieträger" empfohlen. 8.6 Ohne Wasser kein Leben (Eigenschaften von Wasserstoff ) Als Arbeitsmethode wird die Internetrecherche zum Thema Energiequellen der Zukunft empfohlen. Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Bildungsgang Hauptschule, Jahrgangsstufen 5 bis 9/10. 2002 Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Bildungsgang Realschule, Jahrgangsstufen 5 bis 10. 2002 Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Gymnasialer Bildungsgang, Jahrgangsstufen 8 bis 13. Sekretariat der Ständigen Konferenz der Länder in der Bundesrepublik Deutschland (Herausgeber): Beschlüsse der Kultusministerkonferenz. Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Schulabschluss. München/Neuwied: Luchterhand, 2005 Technische Voraussetzungen Die BlogQuest-Materialien dieser Unterrichtseinheit sind HTML-Seiten, die mit jedem gängigen Browser betrachtet werden können. Pro Kleingruppe sollte mindestens ein Computer mit Internetzugang vorhanden sein. Sollte ein Programm zur Erstellung von Mindmaps genutzt werden, ist vor Beginn des BlogQuests eine Einführung in den Umgang mit dem Programm für die Schülerinnen und Schüler notwendig. Beispielsweise kann das kostenfrei zu beziehende Programm FreeMind Verwendung finden. Fachliche Voraussetzungen Wasser mit seiner chemischen Zusammensetzung wird direkt zuvor im Unterricht behandelt. Dabei wird Wasserstoff als Zersetzungsprodukt des Wassers eingeführt. Aufgabentyp "Informationen zusammenstellen" und "Sachverhalte analysieren" WebQuests können nach ihrem Erfinder Bernie Dodge unterschiedlichen Aufgabentypen zugeteilt werden (WebQuest: A Taxonomy of Tasks, 2002). Der hier vorgestellte WebQuest lässt sich dem Aufgabentyp "Entscheidungen treffen" (Judgement Tasks) zuordnen. Dieser Aufgabentyp beinhaltet Kompetenzen aus anderen Aufgabentypen wie "Informationen zusammenstellen" (Compilation Tasks) und "Sachverhalte analysieren" (Analytical Tasks). Auch der Journalistic Task wird in diesem WebQuest mit einbezogen. Die Schülerinnen und Schüler sollen als eine Teilaufgabe den Beruf eines Journalisten annehmen und Fakten über die Diskussion des Symposiums in einem Zeitungsartikel darstellen. Darüber hinaus ist aber eine Entscheidung zu treffen, die nachvollziehbar begründet werden muss. Hierbei wird nicht nur reproduziert, sondern problemlösend und (quellen-)kritisch gearbeitet. Gerade dieser Aufgabentyp ist sehr praxisnah und bereitet die Schülerinnen und Schüler auf das spätere Berufsleben oder Studium vor. Das für die Durchführung dieser Unterrichtseinheit erforderliche Tool, der ArcExplorer der ESRI Geoinformatik GmbH, können Sie sich kostenlos aus dem Internet herunterladen. Allgemeine Informationen zum Einsatz des Tools, zum Beispiel zu seiner Funktionalität oder eine Anleitung zur Installation sowie die Internetadresse für den Download finden Sie in dem Lehrer-Online-Artikel "GIS-Projekte mit dem ArcExplorer". Auch in der Unterrichtseinheit "Wasser im Nahen Osten", mit der Lernende (und Lehrende!) an die Arbeit mit dem GIS-Tool herangeführt werden, finden Sie wichtige Informationen, die Sie sich nicht entgehen lassen sollten, wenn Sie noch nicht ganz "GIS-sattelfest" sind (zum Beispiel zur Pfadberichtigung, die erforderlich wird, wenn Projektdateien auf einem Datenträger verschoben werden). Wasser im Nahen Osten - Einführung in ein GIS-Tool Diese Unterrichtseinheit führt Lernende und Lehrende an die Arbeit mit GIS heran. Die Schülerinnen und Schüler sollen gemäß ihrer Rolle eine Recherche zu dem Thema Biodiesel durchführen und anschließend in einer Gruppendiskussion ihren Interessensstandpunkt vertreten. Anschließend wird pro Gruppe ein Zeitungsartikel erstellt. Bei den Arbeitsphasen wird im Folgenden eine Unterteilung in Gruppenpuzzle (gekennzeichnet mit a) und klassische Gruppenarbeit (gekennzeichnet mit b) vorgenommen. Gruppenpuzzle (a) In dieser Phase werden fünf Stammgruppen gebildet und die unterschiedlichen Interessensgruppen an die Schülerinnen und Schüler vergeben. Nach der Bildung der Stammgruppe gehen die Schülerinnen und Schüler bei der Erarbeitungs-Phase in Expertengruppen (siehe Abb. 2). Klassische Gruppenarbeit (b) Es werden in dieser Phase Gruppen gebildet, sodass jedes Interessengebiet einmal vertreten ist. Hier bleiben die Schülerinnen und Schüler, anders als beim Gruppenpuzzle, bis zum Ende der Unterrichtseinheit in der gleichen Gruppe zusammen. Expertengruppen (a) In dieser Phase bilden sich die Expertengruppen (bei Anwendung des Gruppenpuzzles), in denen die Schülerinnen und Schüler zu dem Thema Biodiesel aus dem Blick ihrer Interessensgruppe recherchieren. Dabei können die Schülerinnen und Schüler ergänzend auf aktuelle Themen aus der Tageszeitung oder Artikel aus Zeitschriften zurückgreifen. Die Ergebnisse der Recherche können beispielsweise In einer Mindmap gesammelt und festgehalten werden. Bei der Erstellung der Mindmap sollte darauf geachtet werden, dass die Lernenden nur die Informationen notieren, die für ihre Interessensgruppe interessant sind. Bei dem Gruppenpuzzle ist es von Vorteil, wenn die einzelnen Expertengruppen sich noch innerhalb der Expertengruppe austauschen, sodass jede Schülerin beziehungsweise jeder Schüler mit den gleichen Ergebnissen zurück in die Stammgruppe gehen kann. Klassische Gruppenarbeit (b) In der Erarbeitungs-Phase sollen die Lernenden in Einzelarbeit nach ihrem Interessensgebiet wie auch Allgemein eine Recherche durchführen. Auch hier können die Schülerinnen und Schüler ergänzend auf aktuelle Themen aus der Tageszeitung oder Artikel aus Zeitschriften zurückgreifen. Die Ergebnisse der Recherche können die Schülerinnen und Schüler zum Beispiel in einer Mindmap sichern. Bei der Erstellung der Mindmap sollte darauf geachtet werden, dass die Schülerinnen und Schüler nur die Informationen notieren, die für ihre Interessensgruppe interessant sind. Selbst gesteuertes Arbeiten Die Arbeit mit dem BlogQuest erfolgt in den Schülergruppen eigenständig und überwiegend selbst gesteuert. Der Lehrkraft kommt die Rolle eines Lerncoaches zu. Ergänzende Materialien Für ihre jeweiligen Forschungsgebiete stehen den Schülerinnen und Schülern im Quellenbereich des BlogQuests ausgewählte Links (siehe oben) zur Verfügung. Darüber hinaus ist es wünschenswert, wenn die Lernenden selbstständig in der Schul- oder Stadtbibliothek weitere Materialien beschaffen. Stammgruppen (a) Zurück in den Stammgruppen sollen die Schülerinnen und Schülern eine Diskussion führen, in der jeder Experte seinen Standpunkt vertritt. Gemeinsam sollen sie nun über den Nutzen von Biodiesel entscheiden. Dabei können die Mindmaps zur Diskussionsgrundlage herangezogen werden. Klassische Gruppenarbeit (b) In Ihrer Gruppe sollen die Schülerinnen und Schüler eine Diskussion führen, in der jeder Experte seinen Standpunkt vertritt. Ziel der Diskussion ist es eine gemeinsame Lösung zum Thema "Nutzen von Biodiesel" zu finden. Dabei können die Mindmaps als Diskussionsgrundlage dienen. Stammgruppen (a) Die Schülerinnen und Schüler sollen nun einen Zeitungsartikel aus eigener Sicht erstellen, indem sie die vorausgegangene Diskussion mit einbinden. Die einzelnen Zeitungsartikel können nun zusammengefasst werden und in einer Gruppenzeitung publiziert werden. Klassische Gruppenarbeit (b) Die Schülerinnen und Schüler sollen nun in der Gruppe einen gemeinsamen Zeitungsartikel erstellen, der die Ergebnisse der Diskussion zusammenfasst. Auch eigene Meinungen können mit einbezogen werden. Aus den Gruppenartikeln kann anschließend eine Klassenzeitung verfasst werden.

Wie die Erklärung zur Entstehung von Verkehrsstaus mit mathematischen Mitteln möglich ist, zeigt diese Unterrichtseinheit. Mobilität spielt insbesondere in der modernen Gesellschaft eine wichtige Rolle. Im Alltag sind damit jedoch häufig Verkehrsstaus verbunden. Aber Staus kosten Nerven, verschlingen Zeit und Energie und produzieren zudem überflüssige Schadstoffe. Häufig entstehen bei dichtem Verkehr sogenannte "Staus aus dem Nichts". Wie sie entstehen und was jeder einzelne Verkehrsteilnehmer dazu beitragen kann, sie zu verhindern, zeigen einfache algorithmische Modelle und entsprechende Experimente. Um Verkehr im Detail zu simulieren und zu erklären, wie Stau entsteht, wird das Modell der zellulären Automaten herangezogen. Die Idee wird zunächst am "Spiel des Lebens" eingeführt und anschließend auf ein einfaches Modell zur Verkehrssimulation übertragen. Durch den Alltagsbezug werden auch Lernende angesprochen, die der Mathematik eher skeptisch gegenüberstehen. Die beigefügten Computerprogramme wurden in Python erstellt und können optional zum eigenen Experimentieren und Beobachten eingesetzt werden. Das "Spiel des Lebens": Einführung in zelluläre Automaten Das Modell stammt aus der Biologie und simuliert über Generationen das Entstehen und Vergehen von Zellen. Zelluläre Automaten zur Verkehrssimulation Mit zellulären Automaten lässt sich auch der Straßenverkehr recht einfach und gut simulieren. Einführung eines Trödelfaktors Mehr Realitätsbezug durch die Einführung des "Trödelfaktors" in das Modell, denn der Verkehr bewegt sich nicht absolut gleichmäßig. Die Schülerinnen und Schüler lernen am Beispiel von zellulären Automaten, einfache Algorithmen zu verstehen, anzuwenden und einige ihrer Eigenschaften zu analysieren. lernen Möglichkeiten und Grenzen von einfachen Modellen zur Verkehrssimulation kennen. variieren Eingabedaten für vorgegebene Programme zur Verkehrssimulation systematisch (Verkehrsdichte) und erkennen dabei grundlegende Eigenschaften des Verkehrsflusses in Abhängigkeit von den Eingabedaten. erkennen, dass die durch den Trödelfaktor eingeführte Individualisierung des Verkehrs die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Staus erhöht. Modell aus der Biologie Um in das Prinzip der zellulären Automaten einzuführen, hat sich ein Einstieg über das sogenannte "Spiel des Lebens" bewährt, das 1970 von dem Mathematiker Conway entwickelt wurde. Dieses Modell hat einen völlig anderen Anwendungshintergrund (Biologie) als die Verkehrssimulation, benutzt aber ebenso wie diese einen zellulären Automaten. Zellentwicklung über Generationen Hier geht man aus von einem aus kleinen Quadraten (Zellen) bestehenden Gitter. Die Größe des Gitters kann frei gewählt werden (zum Beispiel 20 × 30 Zellen). Jede Zelle kann leben oder tot sein. Zu Beginn wird eine Anfangsgeneration lebender Zellen auf dem Spielfeld platziert. Die nächste Generation ergibt sich aus einigen einfachen Regeln. Auch diese Regeln entsprechen einem Algorithmus. Mathematisch entspricht das Entstehen jeder neuen Generation einem Iterationsschritt des durch die Regeln definierten Verfahrens. Populationen, die sich nicht (mehr) ändern, sind mathematisch gesehen Fixpunkte des Algorithmus. Bei Vorliegen einfacher Programmierkenntnisse können die (oder einige interessierte) Schülerinnen und Schüler das "Spiel des Lebens" auch selbst programmieren. Für diesen Fall empfiehlt sich der Hinweis, dass die Programmierung wesentlich einfacher ist, wenn man im Programm eine weitere (immer leere, hier gestrichelt dargestellte) Zellschicht rings um das eigentliche Spielfeld vorsieht, um eine Vielzahl sonst erforderlicher Fallunterscheidungen in Randnähe zu umgehen, wenn man die Anzahl der lebenden Nachbarzellen ermittelt. (Die Zellen am Rand oder in der Ecke des Spielfelds haben sonst im Programm weniger Nachbarn). Rahmenbedingungen Dazu wird eine Straße in einzelne Abschnitte einer festen Länge (zum Beispiel 7,50 m, was der Länge eines Autos plus einem Mindestabstand zu anderen Autos entspricht) aufgeteilt. Jeder solche Abschnitt ist eine Zelle. In unserem Modell können diese Abschnitte (oder Zellen) zu einem festen Zeitpunkt entweder genau ein Auto mit einer bestimmten momentanen Geschwindigkeit enthalten, oder sie sind leer. Jedes Auto hat eine individuelle Eigengeschwindigkeit, kann bei freier Strecke beschleunigen und hält bestimmte einfache Abstandsregeln zu dem vorausfahrenden Fahrzeug ein. (Mathematisch gesehen entsprechen diese Regeln bereits einem Algorithmus!) Wann kommt es zum Stau? Fahren jetzt alle Autos mit exakt der gleichen Geschwindigkeit und ist der Verkehr so dünn, dass genügend Abstand zu den jeweils vorausfahrenden Fahrzeugen besteht, entsteht kein Stau. Dies ändert sich jedoch, wenn man individuelle Abweichungen der Geschwindigkeiten zulässt, zum Beispiel durch die Einführung eines (zufallsgesteuerten) "Trödelfaktors" oder durch "Drängler", die beim Abbremsen des vorausfahrenden Fahrzeugs schärfer bremsen müssen, was sich zu einer Kettenreaktion mit anschließendem Stau aufschaukeln kann. Einspurige Ringstraße Wir betrachten eine einfache einspurige Ringstraße, auf der sich Autos nur in eine Richtung fortbewegen. Überholvorgänge und Gegenverkehr sind in dem Modell nicht enthalten. Diese Straße teilen wir in Zellen von 7,50 m Länge ein. Autos können sich in einem Zeitschritt nur um eine ganze Zahl von Zellen vorwärts bewegen. Geht man von einer Zeitschrittdauer von einer Sekunde aus, so entspricht eine Vorwärtsbewegung von einer Zelle pro Zeitschritt einer Geschwindigkeit von 7,5 m / 1s = 27 km/h. Einer Vorwärtsbewegung von 5 Zellen pro Sekunde entspricht dann einer Geschwindigkeit von 5 · 27 km/h = 135 km/h. Da dies in etwa der Richtgeschwindigkeit auf den deutschen Autobahnen entspricht, werden wir dies als Höchstgeschwindigkeit vmax ansetzen. Die Autos können sich also in jedem Zeitschritt um 0 bis 5 Zellen vorwärts bewegen. Ferner muss Kollisionsfreiheit garantiert sein, das heißt auf einer Zelle darf sich immer nur höchstens ein Fahrzeug befinden. Ablauf in drei Schritten Das einfachste Modell, das wir hier betrachten wollen, besteht in jedem Zeitschritt aus drei Teilschritten. In den ersten beiden Teilschritten wird die neue Geschwindigkeit des Fahrzeugs so ermittelt, dass Kollisionen verhindert werden. Erst im dritten Teilschritt bewegen sich die Fahrzeuge vorwärts: 1. Beschleunigen Jedes Fahrzeug erhöht seine Geschwindigkeit um 1 Zelle pro Zeiteinheit, bis es die Maximalgeschwindigkeit erreicht hat. 2. Bremsen Jedes Fahrzeug prüft, ob es mit der gerade berechneten Geschwindigkeit auf ein anderes Fahrzeug auffahren oder dieses überholen würde. Ist dies der Fall, so reduziert es seine Geschwindigkeit sofort so weit, dass eine Kollision vermieden wird. 3. Bewegen Jedes Fahrzeug bewegt sich einen Zeitschritt mit der aktuellen Geschwindigkeit vorwärts. Dies können wir in einem einfachen Algorithmus präzisieren. Wir haben i = 1,...,n Fahrzeuge. Jedes Fahrzeug hat eine individuelle Eigengeschwindigkeit v i . Die Höchstgeschwindigkeit ist v max = 5. Jeder der folgenden drei Teilschritte wird dann gleichzeitig für alle Fahrzeuge durchgeführt: 1. Beschleunigen v i = min {v i+1 ,v max } 2. Bremsen Falls v i > d(i, i+1), so reduziere v i auf v i = d(i, i+1). Hierbei ist d(i, i+1) die Anzahl der leeren Zellen zwischen Fahrzeug i und Fahrzeug i + 1. 3. Bewegen Jedes Fahrzeug i bewegt sich v i Zellen vorwärts. Das bisher dargestellte Modell kann bei einem höheren Verkehrsaufkommen Staus erzeugen. Auch das gleichzeitige Auftreten von Teilstrecken, auf denen mit hohen Geschwindigkeiten gefahren werden kann, und Teilstrecken, auf denen ein Stau entstanden ist, werden vom Modell dargestellt. Das völlig stationäre Verkehrsverhalten (Staus bewegen sich völlig gleichmäßig entgegen der Fahrtrichtung nach hinten fort) und das völlig gleichförmige Verhalten aller Fahrzeuge sind jedoch weit von der Realität entfernt. Herzu wird das Modell im nächsten Schritt noch erweitert. Das gleichförmige Verhalten im Modell entspricht nicht dem Verhalten, wie man es im realen Verkehr beobachten kann: Die Fahrzeuge bewegen sich in der Regel nicht alle mit der gleichen Geschwindigkeit und völlig gleichförmig vorwärts. Es gibt Überreaktionen beim Bremsen, welche die nachfolgenden Fahrzeuge ebenfalls zum heftigen Bremsen zwingen. Oft ist auch, gerade nach Staus oder bei auf Grün schaltenden Ampeln, ein verzögertes Beschleunigen zu beobachten. Ein derartiges Verhalten kann in unserem einfachen Modell durch die Einführung eines sogenannten Trödelfaktors nachgebildet werden. Der Algorithmus sieht dann folgendermaßen aus: 1. Beschleunigen vi = min {vi+1,vmax} 2. Bremsen Falls vi > d(i, i+1), so reduziere vi auf vi= d(i, i+1). Hierbei ist d(i, i+1) die Anzahl der leeren Zellen zwischen Fahrzeug i und Fahrzeug i + 1. 3. Trödeln Mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit p wird die Geschwindigkeit vi um 1 reduziert: vi= max {vi-1,0} mit Wahrscheinlichkeit p 4. Bewegen Jedes Fahrzeug i bewegt sich vi Zellen vorwärts. Für p=0 erhalten wir wieder das ursprüngliche Modell. H.-J. Bungartz, S. Zimmer, M. Buchholz und D. Pflüger Modellbildung und Simulation. Springer-Verlag, 2009. K. Nagel und M. Schreckenberg A cellular automaton model for freeway traffic. Journal de Physique I, 2:2221-2229, Dezember 1992.

In dieser Unterrichtseinheit zu Naturkatastrophen interpretieren die Lernenden Satellitenbilder zu den Folgen des Erdbebens in Haiti im Januar 2010. Dabei wenden sie mithilfe des virtuellen Globus Google Earth Methoden der Fernerkundung zur Beurteilung der Schäden an. Die Materialien sind auf Deutsch und auf Englisch verfügbar und somit auch im englisch-bilingualen Unterricht einsetzbar.Anfang des Jahres 2010 hat sich mit dem Erdbeben in Haiti die verheerendste Naturkatastrophe seit dem Tsunami im Indischen Ozean 2004 ereignet. Eine Vielzahl an ortsfremden Rettungskräften und Hilfsorganisationen waren bei der Bewältigung der Katastrophe im Einsatz. Um Aussagen über die Folgen des Ereignisses machen zu können und den Hilfskräften möglichst aktuelle und präzise Informationen in Form von Karten und Koordinaten geben zu können, bietet sich der Einsatz von Fernerkundungsdaten an. Indem die Schülerinnen und Schüler mit Google Earth Pro die Lage vor Ort analysieren, können sie Schäden kartieren und geeignete Schadenskategorien erstellen. Die Unterrichtseinheit ist im Rahmen des Projekts "Fernerkundung in Schulen" (FIS) am Geographischen Institut der Universität Bonn entstanden. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II.Ziel der Unterrichtseinheit "Haiti – Katastrophenhilfe aus dem All" ist es, mithilfe des virtuellen Globus Google Earth eine Kartierung der Erdbebenfolgen in einem kleinen Gebiet der Hauptstadt Haitis, Port-au-Prince durchzuführen. Dabei sollen Veränderungen, die sich in dem Gebiet zwischen zwei Zeitpunkten ergeben haben, analysiert werden. Dieses Vorgehen simuliert auf kleiner Ebene und mit ähnlichen Werkzeugen die Arbeitsweise von Zivil- und Katastrophenschutzeinrichtungen. Darüber hinaus ist die Gewinnung von Informationen aus Multimedia-Angeboten und aus internetbasierten Geoinformationsdiensten ein wichtiger Aspekt. Technische Hinweise und Unterrichtsverlauf Mithilfe der Anwendung Google Earth Pro führen die Lernenden eine Kartierung der Erdbebenfolgen in einem kleinen Gebiet der Hauptstadt Haitis durch. Die Schülerinnen und Schüler können die Schäden der Erdbeben in Haiti ermitteln und einschätzen. können durch einen visuellen Vergleich Unterschiede zwischen Bildern benennen. nehmen eine Kartierung der Schäden vor. machen eigene gestalterische Vorschläge zur Klassifizierung von Schadenskategorien. beherrschen die Grundfunktionen von Google Earth. Einweisung in Google Earth (Pro) Zunächst machen sich die Schülerinnen und Schüler ein Bild von der geographischen Lage, der Größe und der Umgebung Haitis. Dies können sie, indem sie erste Erfahrungen mit den Grundfunktionen des Programms sammeln. Die wichtigsten Funktionen sind intuitiv verständlich und darüber hinaus im Tutorial anschaulich erklärt. In einem Gruppengespräch setzen sich die Schülerinnen und Schüler in die Lage eines Helferteams hinein und machen sich gemeinsam Gedanken zur Erstellung einer Karte. Die Lehrkraft stellt daraufhin die Aufgabe vor und teilt den Teams jeweils ein Untersuchungsgebiet mit vier Teilgebieten zu. Dabei kann ein Untersuchungsgebiet auch mehrmals vergeben werden. Haben sich die Lernenden orientiert und sich ein Bild über die Schäden im Untersuchungsgebiet gemacht, kann mit der Kartierung der Schäden begonnen werden. Hierzu sollen die vorgegebenen vier Teilgebiete von jeder Gruppe sinnvoll in Kategorien unterschiedlichen Schadensausmaßes eingeteilt werden. Eine sinnvolle Kategorisierung und deren Darstellung soll durch die Schülerinnen und Schüler entwickelt und umgesetzt werden. Besprechung und Ergebnissicherung In der Sicherungsphase sollen Beobachtungen, Vorgehensweisen und Probleme der einzelnen Gruppen vorgestellt und besprochen werden. Es bietet sich an, über den Nutzen der Fernerkundung, das Vorgehen beim Erstellen einer kartographischen Darstellung und Kategorisierung zu diskutieren. Eine weitergehende Frage ist, was mit den Kategorien passiert, wenn man das Untersuchungsgebiet auf alle Gebiete erweitert. Straßen Analog zur Kategorisierung der Gebäudeschäden kann auch der Zustand der Straßen des jeweiligen Untersuchungsgebietes analysiert und bewertet werden. Dabei ist es sinnvoll, mithilfe der Zeitfunktion auf den Zeitpunkt unmittelbar nach dem Erdbeben zu wechseln (13. Januar 2010). Zu diesem Zeitpunkt sind die Schäden und Blockaden der Straßen noch stärker vorhanden. Klickt man auf das Uhrsymbol, wird ein Schieberegler mit einer Zeitskala eingeblendet. Bei dieser Aufgabe erstellen die Schülerinnen und Schüler selbst Vektordaten, indem sie mit der Funktion "Pfad" die Straßen selbst kartieren. Erdbebensicherheit Um die Anfälligkeit verschiedener Gebäude für Erdbeben zu untersuchen, können beispielsweise die Hafengebäude im Nord-Westen der Stadt zu verschiedenen Zeitpunkten (04. März 2008 / 27.07.2010) betrachtet werden. Diese Vorgehensweise erlaubt Spekulationen über das Alter der Gebäude und deren Bauweise.

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