PORTEFEUILLE

Um die international gesetzten Energieziele zu erreichen und den Ausstieg aus der Atomenergie zu schaffen, braucht es neben erneuerbaren Energien und effizienterer Energienutzung auch ein Umdenken der breiten Bevölkerung. Nach wie vor geht ein Grossteil der verbrauchten Energie in privaten Haushalten in Form von Wärme mehr oder weniger ungenutzt verloren. Durch bewussteres Verhalten im Alltag könnte ein beträchtlicher Anteil der verbrauchten Energie eingespart werden.

Das vorliegende Projekt soll Schülerinnen und Schülern der Mittelschule mit Hilfe von Unterrichtseinheiten kombiniert mit fortschrittlichen Experimenten ein vertieftes Verständnis für die Wärme als entscheidende Energieform des täglichen Lebens anschaulich vermitteln. Sensibilisierung und bewussterer, nachhaltigerer Umgang mit Wärmeenergie im Alltag sind erhoffte Ziele des Projekts.

Die von der greenTEG AG hergestellten thermoelektrischen Wärmeflusssensoren (WFS) ermöglichen die Messung von allen drei Formen des physikalischen Wärmetransports; Leitung, Konvektion und Strahlung. Sie eignen sich daher bestens für unterschiedlichste Experimente. Für den Einsatz im Unterricht wurde die mechanische Stabilität der bestehenden Sensoren verbessert und eine elektronische Schnittstelle zu Datenerfassungssystemen der Firma Vernier entwickelt. Letztere sind an zahlreichen Schulen bereits vorhanden, weshalb viele Lehrpersonen mit deren Umgang vertraut sind.

Eine Unterrichtseinheit mit Versuchsanleitung zur Bestimmung der Wärmekapazität verschiedener Metallwürfel wurde erarbeitet und exemplarisch mit einer Schulklasse durchgeführt. Das Versuchskit - bestehend aus WFS und Verstärkerschaltung, sowie der erarbeiteten Unterrichtsdokumente - sind voraussichtlich ab Mai 2016 bei der MINT-Institution EducaTec AG erhältlich.

Die vielfältige Einsetzbarkeit der Wärmeflusssensoren (WFS) ermöglicht es, die ansonsten relativ «trockene» Materie der Wärmelehre anhand von neuartigen, interessanten und einleuchtenden Experimenten zu veranschaulichen. Erfahrungen im Umgang mit den WFS sollen Lehrpersonen und Schüler anregen, weitere Experimente und praktische Untersuchungen in ihrem persönlichen Umfeld durchzuführen. Dies fördert die Kreativität der Schülerinnen und Schüler und könnte zu interessanten neuen Ergebnissen und aufschlussreichen Erkenntnissen führen.

Das Hauptziel des Projekts ist ein besseres Verständnis der abstrakten physikalischen Grösse Wärmeenergie, deren Umwandlung und Transportmechanismen zu fördern. Es wird erwartet, dass die Schüler durch die Veranschaulichung der thermodynamischen Prozesse mithilfe von Wärmeflussmessungen die Materie besser nachvollziehen können und dadurch mehr Information und praktisches Wissen verankert wird. Durch das bessere Verständnis erhoffen wir uns auch einen nachhaltigeren Umgang mit der Wärmeenergie im täglichen Leben.

Die thermoelektrischen Wärmeflusssensoren der greenTEG AG wurden für den Einsatz im Schulunterricht optimiert. Die Sensoren sind nun etwas grösser und dicker als die herkömmlichen Modelle, was deren Handhabung vereinfacht und sie gleichzeitig wesentlich robuster macht. Zudem wurde der elektrische Anschluss verstärkt, damit die Sensoren auch strapazierenden Experimenten standhalten.

Weiter wurde eine elektrische Schnittstelle und Verstärkerschaltung entwickelt, welche es erlaubt die Sensordaten mit Datenerfassungssystemen der Firma Vernier aufzuzeichnen. Diese Verstärkerschaltung ist auch mit gewissen Systemen der Firmen National Instruments und Texas Instruments kompatibel. Mit der Verstärkerschaltung können fünf abgestufte Verstärkungen eingestellt werden, was sowohl Experimente mit hohen als auch sehr kleinen Wärmeflüssen ermöglicht. So kann der Sensor bei der höchsten Verstärkungsstufe beispielsweise die Wärmestrahlung des menschlichen Körpers detektieren.

In Zusammenarbeit mit Herrn Hans Kammer wurden mehrere Dokumente zum Thema Wärmelehre erstellt, die für den Schulunterricht eingesetzt werden können. Darunter ein Dokument zum Funktionsprinzip der Wärmeflusssensoren, allgemeine Grundlagen der Wärmelehre, Übungsaufgaben und eine Liste mit möglichen Experimenten. Zusätzlich wurde eine Unterrichtslektion kombiniert mit einer detaillierten Versuchsanleitung zur Messung der spezifischen Wärmekapazität erarbeitet. Diese wurde von Irma Mgeladze mit einer PAM Schulklasse im Abschlussjahr des Gymnasiums Köniz-Lerbermatt in Bern durchgeführt. Die elf Schüler arbeiteten je in Zweier- und Dreiergruppen zusammen und bestimmten die Wärmekapazität unterschiedlicher Metallwürfel. Genauere Details zum Experiment und die erarbeiteten Unterlagen sind auf der Firmenwebseite der greenTEG AG beschrieben (vgl. Links unten).

Die für den Unterricht spezialisierten Wärmeflusssensoren, die Verstärkerschaltungen und ergänzendes Unterrichtsmaterial werden voraussichtlich ab Mai bei der MINT-Institution EducaTec AG erhältlich sein.

Wärmestromsensoren: Neue Messmöglichkeiten für den Physikunterricht, VSMP Bulletin Nr. 131, (Publikation voraussichtlich im Mai 2016).