Naturwissenschaftliche Tage
Naturwissenschaftliche Tage des Leistungskurses 6.–10. Januar 2014
Mo, 6. Januar: Institut für Luft- und Raum- fahrttechnik (ILR) Marchstraße 12, 10587 Berlin
von 9:30-15:30 Uhr - Thema: Gasturbinen, Satelliten und Raumfahrtmissionen, Studienberatung
Unsere erste Exkursion im Rahmen der naturwissenschaftlichen Tage 2014 führte uns zum Institut für Luft- und Raumfahrt. Die dortige Veranstaltung dauerte von 9:30h bis ca. 12:30h und setzte sich aus zwei Teilen zusammen.
Zuerst hielten uns zwei wissenschaftliche Mitarbeiter des Fachgebiets Luftfahrtantriebe ein Referat über Triebwerke, speziell über Düsentriebwerke und Gasturbinen. Dabei erklärten sie außer dem genauen inneren Aufbau auch, welche Sicherheitstests vor der großräumigen Nutzung durchgeführt werden: Es werden Blätter der Turbine abgesprengt oder es werden tote Vögel in das laufende Triebwerk geschossen, um die Gefahr im Fall von Materialversagen oder Vogelschlag einschätzen zu können. Danach wurde eine Simulation der NASA genutzt, um uns zu demonstrieren, welche Materialien für eine Gasturbine genutzt werden: Je nach Preis, Hitzebeständigkeit und Dichte kommen für verschiedene Bauteile verschiedene Materialien in Frage, wie z.B. Titan, Aluminium, Nickel usw.
Zuletzt erklärten die beiden Mitarbeiter uns ihren Anteil an der Arbeit am ILR: Sie arbeiten am Projekt Jetsdream, ein Projekt, dessen Ziel die Entwicklung einer Kleingasturbine ist. Diese Maschine wird für wissenschaftliche Unter-suchungen genutzt und soll später z. B. als Stromquelle dienen.
Im zweiten Teil der Exkursion wurden wir an zwei Mitarbeitern des Fachgebiets Raum- fahrttechnik übergeben. Sie erklärten uns die Arbeit, der sich dieser Fachbereich widmet: Satellitentechnik. Dabei liegt der Fokus auf zwei Unterthemen: Kleinsatelliten sowie modulare Satelliten.
Zuerst wurden uns verschiedene Modelle gezeigt, die demonstrierten, wie im Verlauf der
Jahre immer mehr Technik auf immer kleinerem Raum untergebracht werden konnte. Diese
Entwicklung hat auch den BEESAT hervorgebracht: Ein würfelförmiger Kleinsatellit, dessen Maße nur 10⋅10⋅10 cm betragen. Uns wurde erklärt, welche Bauteile ein Satellit enthält (z. B. Solarpaneele, Batterien, Temperatursensoren, Antennen, Reaktionsräder u.v.m.) und welche Belastungen durch (unter anderem) Strahlung und Temperatur diese Bauteile im Weltall aushalten müssen.
Direkt im Anschluss wurde uns das nächste Satellitenmodell gezeigt: Es handelt sich um einen hypothetischen Entwurf eines modularen Satelliten. Dieser würde aus verschiedenen würfelförmigen Einzelteilen zusammengesetzt sein und leicht im Orbit zusammengebaut und gewartet werden können.
Danach wurde uns der Kontrollraum des Fachbereichs gezeigt. Mehrere Informationen waren sichtbar: die Flugbahnen der Satelliten, die Bilder, die sie mit ihren Kameras aufgenommen hatten, sowie eine Unmenge an Sensordaten. Uns wurde erläutert, wie die Satelliten des Fachbereichs von hier aus gesteuert werden. Der letzte Punkt der Exkursion war die Besichtigung der Sendestation auf dem Dach des Instituts; eine Sendeanlage mit verschiedensten Antennen, über die der Datenaustausch mit den Satelliten erreicht wird – sofern diese in Reichweite sind.
Jan Kirsten und Julius Streibert
Di, 7. Januar: PhysLab (FU Berlin, Dahlem)
von 9.30-14.30 Uhr - Thema: Wellenoptik, Quantenphysik, Studienberatung
Am Dienstag besuchten wir das Schülerlabor im Fachbereich Physik an der Freien Universität Berlin, genannt PhysLab. Dort erwarteten uns zwei Physikstudenten, die einige Experimente zum Thema Lichtbeugung und Interferenz sowie Radioaktivität vorbereitet hatten. Das Labor bestand aus zwei benachbarten Räumen, also teilte sich unsere Gruppe auf. Die eine Hälfte beschäftigte sich zuerst mit Lichtbeugung, die andere mit Radioaktivität, danach tauschten wir.
Wir hatten schon im Vorfeld Informationsblätter der FU erhalten und gelesen, um uns mit den Grundlagen der behandelten Fachgebiete vertraut zu machen. Daher wurden diese Themen zunächst kurz besprochen und Fragen geklärt.
Wir wiederholten, dass Lichtbeugung dann entsteht, wenn Lichtwellen auf Hindernisse treffen. Analog zu Wellen im Wasser breiten sich die Wellen dann hinter dem Hindernis halbkreisförmig in alle Richtungen aus. Dies beruht auf dem Huygens'schen Prinzip, bei dem von jedem Punkt einer Wellenfront eine sogenannte Elementarwelle ausgeht. Wenn man nun mehrere kleine Hindernisse oder sogar ein winziges Gitter in einen Lichtstrahl stellt, überlagern sich die gebeugten Lichtwellen dahinter und es kommt zur sogenannten Interferenz. Diese kann entweder konstruktiv oder destruktiv sein, je nachdem, wie die Schwingungen der einzelnen Wellen zueinander verschoben sind. Dadurch entsteht eine Art Muster aus hellen Stellen (Maxima) und dunkleren
Stellen (Minima), das je nach Wellenlänge und Breite der Gitterlamellen unterschiedlich ist.
Das konnten wir dann selbst mit einem Laserpointer und einem solchen Gitter ausprobieren. Außerdem lernten wir, dass man mithilfe von Trigonometrie Beziehungen zwischen der Wellenlänge des Lichts und den Abständen der Maxima herstellen kann. So konnten wir dann mit einigen Messwerten die Wellenlänge des Laserlichts errechnen.
Im Umkehrschluss kann man außerdem die Breite des Hindernisses errechnen, wenn man die Wellenlänge kennt. Das nutzten wir, um die Dicke eines Haares eines Gruppenmitglieds zu bestimmen. Diese Experimente waren nicht nur im Dunkeln schön anzusehen, sie lieferten auch eindrucksvoll präzise Ergebnisse.
Zum Thema Radioaktivität beschäftigten wir uns zuerst mit den drei Arten der Strahlung: die α-Strahlung, welche aus Heliumkernen besteht, die β-Strahlung, welche aus Elektronen besteht, sowie die γ-Strahlung, welche in Form von elektromagnetischen Wellen auftritt. Diese Strahlungsarten haben unterschiedliche Effekte und durchdringen Materialien unterschiedlich gut. Das Geiger-Müller-Zählrohr, besser bekannt als Geigerzähler, kann all diese Strahlungsarten registrieren und so die Stärke der Radioaktiven Bestrahlung messen. Dies geschieht, indem die Strahlung auf ein Edelgas trifft, welches sich zwischen zwei Elektroden befindet. Die Strahlen ionisieren einige Teilchen, wodurch es zu einer Ionenlawine und so zu einem kleinen elektrischen Stromfluss kommt, der registriert wird.
Für die Experimente bekamen wir ein Geiger-Müller-Zählrohr und ein Zählgerät, um radioaktive Strahlung zu messen. Zu Beginn haben wir zunächst die so genannte Nullrate gemessen, d.h. die radioaktive Strahlung im Alltag, welche durch einen ständigen Zerfall von Elementen in unserer Umgebung entsteht. Diese Nullrate benötigten wir, um sie von den späteren Messergebnissen zu subtrahieren. Nun bekamen wir einige Objekte, welche wir mit dem Zählrohr auf Radioaktivität überprüfen sollten: eine Armbanduhr, ein Keramiktopf, ein Glühstrumpf, sowie ein Stein aus dem Erzgebirge. In dieser Reihenfolge aufsteigend wiesen die Gegenstände stärker werdende Radioaktivität auf. Nun bekamen wir einen Strahler, welchen wir auf das Zählrohr richteten. Wir versuchten, mit den Materialien Papier, Aluminium und Blei in verschieden dicken Schichten diese Strahlung abzuschirmen und somit einen Eindruck über die Stärke der Strahlung zu bekommen. Schlussendlich untersuchten wir die Ablenkung der Strahlen durch die Lorentzkraft im Magnetfeld und fanden über diesen Weg heraus, dass unser Strahler vor allem β- Strahlung emittierte. Nach den Experimenten wuschen wir uns aus Sicherheitsgründen die Hände und machten uns wieder auf den Weg.
Zu guter Letzt wurden wir von Prof. Dr. Paul Fumagalli durch einige Labors der FU geführt. Er und seine Studenten beschäftigen sich mit Festkörperphysik, sie entwickeln v.a. neue Materialien aus Schichten verschiedener anderer und untersuchen diese auf Eigenschaften wie Magnetismus, Temperaturbeständigkeit usw. In einem der Räume zeigte er uns eine Apparatur zur Herstellung solcher Materialien, die zur Wärmeabschirmung mit haushaltsüblicher Alufolie umwickelt war. So wurde uns vor Augen geführt, dass auch hochklassige Forschungen nicht immer in perfekt sterilen Labors stattfinden, sondern dass dabei auch oft Improvisation gefragt ist.
Florian Brüders und Samuel Bien
Download: Radioaktivität – die natürlichste Sache der Welt
Mi, 8. Januar - Albert-Einstein-Institut Am Mühlenberg 1, 14476 Golm
9.30-12.30 Uhr - Thema: Photonen, Gravitonen und Strings, Schwarze Löcher und Neutronensterne, Rechner-Cluster
Nach unserer Ankunft bekamen wir zunächst einen Überblick über die Strukturierung des Instituts. Das Max- Planck-Institut für Gravitationsphysik beschäftigt sich mit der Zusammenführung der Relativitätstheorie mit der String-Theorie und ist mit ca. 360 Mitarbeitern, aufgeteilt auf Golm und Hannover, das größte seiner Art weltweit. Nachdem wir einige einzelne Abteilungen kurz im Überblick vorgestellt bekommen haben, versammelten wir uns in einem Seminarraum, um dort zwei Referate über die Arbeit der Einrichtung zu hören.
Das erste dieser Referate bezog sich auf die Rolle der Gravitation im physikalischen Weltbild und die Besonderheit, die sie in der allgemeinen Relativitätstheorie darstellt. Stefan Fredenhagen erläuterte die Unterschiede, die zwischen der Teilchen-Theorie, nach der die Welt auf kleinen Teilchen besteht, und der String-Theorie bestehen.
Nach Einstein ist die Gravitation eine geometrische Kraft, weil sie den Raum und auch die Zeit, die von Einstein zur Raumzeit zusammengefügt waren, beugt. Ähnlich wie ein Photon eine räumlich begrenzte Änderung im Elektromagnetfeld ist, ist das sog. Graviton eine Änderung im geometrischen Feld der Gravitation. Dabei ruft die Gravitationswelle eine Verzerrung in Raum und Zeit hervor, die in der Stärke von der Masse des felderzeugenden Körpers abhängig ist. Man will diesen Effekt mit Lasern messen. Außerdem wird die Energie des Körpers theoretisch immer geringer, da diese ständig in Form von gravitativer Strahlung abgestrahlt wird. Dieser Effekt ist jedoch in der Praxis fast unmessbar gering. Theoretisch werden die Orbits jedoch immer kleiner.
In der anschließend erläuterten String-Theorie werden die Teilchen durch Strings ausgetauscht. Dabei braucht man, je nach Auslegung, anstelle der normalen vier, zehn oder 26 Dimensionen, was ein Problem darstellt. Dieses wird dadurch gelöst, dass angenommen wird, dass die übrigen Dimensionen aufgerollt sind. Hierbei gibt es allerdings für 6 Dimensionen etwa 10500 Möglichkeiten und es ist quasi unmöglich, die richtige davon herauszufinden.
Nach einer kurzen Kaffeepause hörten wir das zweite Referat, in dem es um die Rolle von Neutronensternen und schwarzen Löchern in Zusammenhang mit der Arbeit des Instituts geht. Wolfgang Kastaun erläuterte, wie die Erforschung der Relativitätstheorie, auch und vor allem mit Hilfe von Computersimulationen, neue Erkenntnisse über den Urknall und das Verhalten von Stoffen mit extrem hoher Dichte liefern soll.
Bei der Simulation stellt die Tatsache, dass mit sehr extremen Größen gearbeitet werden muss, eine Herausforderung dar. So ist die Raumzeitkrümmung in der Nähe von schwarzen Löchern sehr stark, während der Effekt auf der Erde, dass Zeit für schnell bewegende Körper langsamer vergeht, kaum messbar ist, jedoch einen Einfluss auf das GPS-System hat. Für den indirekten Nachweis einer solchen Raumzeitkrümmung durch die Verschmelzung zweier extrem dichter Neutronensterne
wurde bereits ein Nobelpreis vergeben.
Des Weiteren wurde auf das Projekt Einstein@Home aufmerksam gemacht, bei dem man ungenutzte Rechenkapazität von seinem Privatcomputer zur Verfügung stellen kann, sodass in einer Sandbox eine solche Simulation ablaufen kann.
Am Ende der Besichtigung sahen wir das Computercluster des Instituts, mit dem Simulationen berechnet werden. Datura ist eine Rechenfarm mit 4,8 TB Hauptspeicher und 400 Prozessoren. Die durchschnittliche Rechenzeit für eine Simulation beträgt ca. eine Woche.
Theo Barker und Jonas Lehnberger
Do, 9. Januar - Wilhelm-Conrad-Röntgen Campus BESSY II Albert-Einstein-Str. 15, 12489 Berlin
von 9:00-11:30 Uhr - Thema: Materialforschung
Ferdinand-Braun-Institut, Gustav-Kirchhoff-Str. 4, 12489 Berlin
12:30-14:30 Uhr - Thema: Institutsbesichtigung
Als wir dort angekommen sind, wurde uns mit Freuden ein Modell vom Teilchenbeschleuniger gezeigt, der dort steht, und uns erklärt, wie er funktioniert:
Die Elektronen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, werden durch Magneten, die einen Dipol besitzen, abgelenkt. Dadurch bleiben die Elektronen auf ihrer Bahn. Sie strahlen ein besonderes Licht ab: die Synchronstrahlung. Diese Synchronstrahlung ist stark gebündelt, sehr intensiv und exakt berechenbar. Neben dem Dipol wird auch noch Quadrupol verwendet, um zu fokussieren und ein Sextupol, um zu korrigieren.
Mit der Synchronstrahlung lassen sich Artefakte untersuchen, ohne dass sie zerstört werden, wie uns am Beispiel der Himmelsscheibe von Nebra erklärt wurde. Auf der Scheibe wurden verschiedene Herstellungsphasen durch Analyse der Goldzusammensetzung nachgewiesen. Damit ist klar, dass manche Sterne später auf die Scheibe gesetzt wurden.
Als nächstes haben wir uns mit einem intelligenten Material beschäftigt. Es handelt sich hierbei um Nitinol eine Nickel Titan Legierung. Nitinol kann sich pseudo-plastisch verformen. Erwärmt man nun das Nitinol auf eine bestimmte Temperatur, gelingt es dem Nitionol sich an seine ursprüngliche Form zu erinnern und in diese zurückzukehren. Kühlt das Nitinol ab, bleibt es erst mal in seiner Form. Dazu haben wir dann auch Versuche gemacht. Wir haben Wasser erhitzt und eine Probe Nitinol in einer willkürlichen Form hineingelegt. Durch messen der Temperatur konnten wir erkennen, dass sich die willkürliche bie 55 grad Celsius in eine Büroklammer verformt hat. Doch wie funktioniert diese superschlaue Legierung?
Bei einer Temperatur, die größer ist als 500 Grad Celsius ist das Nitinol ein Austenit und kann sich eine erinnernde Form einprägen(Entzwillingt). Verringert man die Temperatur <500 Grad Celsius > 54 Grad Celsius so wird der Austenit bei Verformung superelastisch und geht in den Martensit über. Im Martensit (<55 Grad Celsius) ist das Nitinol nur noch plastisch verformbar(Zwilling).
Joshua Posin
Fr, 10. Januar - Deutsches Geoforschungszentrum Telegrafenberg, 14473 Potsdam
9.00-14.30 Uhr Thema: Erdmagnetfeld
Am fünften und letzten Tag unserer Projektwoche haben wir das Deutsche Geoforschungszentrum (GFZ) auf dem Telegraphenberg besucht. Als Einstieg erzählte uns Herr Dr. Webers etwas über die genannte Einrichtung. Demnach hatte alles mit der optischen Telegraphenlinie begonnen, deren vierte Station Potsdam war und über die Nachrichten an andere Stationen bis nach Koblenz übermittelt wurden. 1874 wurde dann dort das weltweit erste astrophysikalische Observatorium errichtet und 1893 folgte ein magnetisch-meteorologisches Observatorium. Hier fand die erste systematische Wetterbeobachtung statt und die erhaltenen Daten bieten die längste überlieferte Datenreihe. Außerdem wurde das geodätische Institut auch an denselben Standort gelegt. Somit entstand nach und nach ein großer und bedeutender Wissenschaftscampus. Erwähnenswert ist, dass hier am 17.04.1889 die erste Aufzeichnung eines Erdbebens erfolgte. Momentan finden auf dem Campus, aufgrund der Störsignale der Bewohner Potsdams, nicht mehr alle Messungen statt, sondern viele wurden in ruhige Gebiete verlagert.
Im GFZ beschäftigt man sich auch mit der Untersuchung des Erdmagnetfeldes. Mithilfe der Untersuchung von diesem kann man interessante Strukturen der Erde, die man weder mit Bohrungen noch mit anderen Methoden untersuchen kann, betrachten und Schlüsse über das Verhalten der Erde in der Raum-Zeit ziehen, wie wir in einem weiteren Vortrag erfuhren. Denn das Verhalten des Magnetfeldes der Erde hängt nicht nur von der geologischen Zusammensetzung der Erde, sondern auch von den vom Menschen erzeugten industriellen „Störfeldern“ und dem „Weltraumwetter“, ab. Das Weltraumwetter kann erheblich unsere drahtlose Kommunikation beeinflussen. Die Untersuchung des Verhaltens des Magnetfeldes hilft uns nicht nur den Aufbau der Erde besser zu verstehen, sondern auch Probleme der modernen Zivilisation lösen zu können.
Hierzu haben wir ein kleineres Experiment durchgeführt. Zuerst haben wir die magnetische Flussdichte in unserer Umgebung gemessen und sie anschließend mit dem Soll-Wert verglichen. Danach sind wir auf ein Gelände gegangen, bei dem Herr Webers mehrere Gegenstände vergraben hatte. Mithilfe zweier Messgeräte konnten wir bei diesen Stellen Abweichungen feststellen, was sehr interessant war, da man dort das theoretische Fachwissen anwenden konnte.
Der spannendste Teil des Tages war die Besichtigung des großen Doppelrefraktors, der uns mit seiner imposanten Größe alle beeindruckte. Dieser 1899 fertiggestellte Refraktor gehört zu den größten Refraktoren der Welt. Seine Aufgabe war die Aufspaltung des Lichtes der mit dem Refraktor sichtbaren Gestirne in das Farbspektrum, um damit Aussagen über diese treffen zu können.
Eleonore Bach und Theresa Dünnebeil