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MINT MINT Zirkel Zeitung für Mathematik | Informatik | Naturwissenschaften | Technik 2. Jahrgang Ausgabe 3 + 4 /  März / April 2013 BASF Künstliche Intelligenz EU-Projekt: Das Hirn im Computer Wissen S. 4 Physik Fusionskraft – Energiequelle von morgen? Wissen S. 5 TV-Serien MINT gegen das Verbrechen Markt S. 12 Special Laborausstattung: Bestens gewappnet fürs Experimentieren Praxis S. 10 – 11 Unterricht Einstieg in die Nanowelt Praxis S. 8 – 9 Produkte mit Ideen aus der Nanoforschung erleben einen Boom. Doch die Frage nach den Risiken ist in vielen Bereichen noch ungeklärt. D ie Zahlen sind so eindrucksvoll wie eindeutig: Auf eine Billion Dollar ist das weltweite Marktvolumen der Nanotech- nologie in den letzten Jahren gestiegen. Und bis 2015 soll es sich nach den Zahlen des Marktanalysten Cientifica noch einmal verdreifachen. Die Anwendungen der Inge- nieurskunst auf einer Größenordnung von nur wenigen Millionstel Millimetern sind in vielen Bereichen längst allgegenwärtig: Von der Kosmetikindustrie, über Autobau- er, Medizinunternehmen, Textilhersteller bis hin zur Lebensmittelindustrie – in etwa 1.000 Produkten sind künstlich manipu- lierte Strukturen zwischen 1 und 100 Nano- metern inzwischen enthalten. Vor allem als Beimischung oder Beschichtung verleihen sie Bruchsicherheit, Härte oder elektrische Leitfähigkeit. Das einstige Modewort Nano ist also längst normal geworden. Beispiel Auto: Selbstverdunkelnde Rück- spiegel, die dem Fernlicht vom Hintermann keine Chance lassen, verdanken ihre Funk- tion dem Nanodesign. Im elektrochromen Glas von Rückspiegeln bilden sich, gesteu- ert über eine elektrische Spannung, zwi- schen den einzelnen Schichten der Scheibe große Moleküle, die das Glas dunkel wer- den lassen. In den Windschutzscheiben befinden sich dagegen winzige Partikel, die Wärme und Sonnenlicht effizient re- flektieren – ein Nanoeffekt, den sich auch eine Nano-Sonnencreme zu Nutze macht. Diese schützt durch Zugabe von nur we- nigen Nanometer großen Körnchen aus Titandioxid besser als jede andere Creme. Daneben findet sich Nano in neuen Autos auch in Benzinleitungen, Filterbeschich- tungen und Motorölen, die dank der beson- deren Eigenschaften statische Aufladungen vermeiden sollen, wirksam die Luft rein- halten, die Reibung mindern und den Ver- brauch senken sollen. Generell gelten als „Nano“ alle Materia- lien, die ihre speziellen Eigenschaften ihrer Winzigkeit verdanken. So verändern zum Beispiel Goldpartikel ihre Farbe, wenn sie nur klein genug sind – ist das sonst glän- zende Metall nur fein genug zerstäubt, wird es rot anstatt golden schimmern. Diesen Effekt wussten schon die Fenster- bauer vor Jahrhunderten zu nutzen und verbauten in Rubinglasfenstern eine erste Anwendung der Nanotechnologie. Schmie- de des Mittelalters nutzen Nano im Damas- zener-Stahl und auch die Natur greift bei Schmetterlingsflügeln, der Entspiegelung von Mottenaugen oder der Haftwirkung von Gecko-Füßen, die auf unserem Titelbild ab- gebildet sind, gerne in die Nano-Trickkiste. Lesen Sie weiter auf Seite 2 Nano wird groß Termine Science on Stage-Festival 25. – 28. April 2013, Slubice/Frankfurt (Oder) Bewerbungsschluss   MINT-freundliche Schulen“ 31. Mai 2013 Klett MINT-Kongress 12. Juni 2013, Stuttgart Schülerwettbewerb   „Freestyle Physics“ 9. – 11. Juli 2013, Universität Duisburg-Essen Extrapoliert D as digitale Zeitalter stößt langsam aber sicher das Buch von seinem So- ckel – E-Books verkaufen sich prächtig. Nur im Bildungsbereich ist diese Entwick- lung noch nicht angekommen. Dort wird weiterhin auf Papier gesetzt. Zwar entwickeln Schulbuchverlage stän- dig neue digitale Angebote. Einem Artikel des Handelsblatts zufolge hält sich die Ak- zeptanz bisher aber in Grenzen. Die digita- le Infrastruktur in Form von White Boards oder Tablet PCs – eigentlich der Kronprinz des Schulbuchs – fehlt in den Schulen bis- her schlicht und ergreifend. Außerdem schauen die Lehrkräfte genau hin – digita- le Angebote werden nur angenommen, wenn sie einen didaktischen Mehrwert bieten. Dabei liegt der Zugewinn auf der Hand: Computersysteme bieten die Möglichkeit der Interaktion und sie können komplexe Zusammenhänge besser veranschaulichen – man denke an eine digitale 3-D Darstellung zueinander windschiefer Geraden. Außer- dem lässt sich auf Computern prima spei- chern, bearbeiten und teilen. Manche Leh- rer laden bereits YouTube-Videos ihres Un- terrichts hoch, damit die Schülerinnen und Schüler ausgewählte Sequenzen nochmals heranziehen können. Früher oder später müsste sich das elek- tronische Angebot folglich durchsetzen – oder etwa nicht? Neben dem bisher unge- lösten Problem der technischen Ausstat- tung liegt ein anderer Hinderungsgrund wahrscheinlich ganz banal im Vorteil eines Unterrichts, der aus Fleisch und Blut – und Papier – gemacht ist. Genauso wie Erzie- hung im Elternhaus deshalb wirkt, weil sie auf einer engen Beziehung zwischen Mama / Papa und Kind beruht, ist die Condi- tio sine qua non beim Thema Bildung die Interaktion zwischen Lehrkraft und Schü- ler. Man muss dabei nicht nur an die Lehr- kräfte aus der eigenen Schulzeit denken, die fachlich und menschlich spitze waren und als das Idealbild in der Erinnerung hängen blieben. Das gilt auch für den schrullig-peniblen Lateinlehrer von früher: Stand er nicht mit seiner ganzen Person für die alterwürdige, strukturelle Strenge der Sprache? Der gleiche „Lerneffekt“ wohnt mögli- cherweise dem klassischen Schulbuch inne: Das abgegriffene Mathebuch, be- reits durch Generationen von Schülerhän- den gegangen, ließ es sich mit diesem nicht ganz besonders gut büffeln? Wer sich gern mit Mathe beschäftigt hat, der kannte genau die Seite, auf welcher der Differenzenquotient eingeführt wurde. Dort: Umrahmt von Eselsohren und cha- rakteristischen Farbklecksen. Für so viel Individualität braucht es künftig clevere E-Book-Entwickler. bp Kräht der Hahn … … geht die Sonne auf – oder sie bleibt, wo sie ist. Das Krähen des Hahnes richtet sich nicht nach äußeren Reizen wie dem Aufgehen der Sonne. Wissenschaftler der japanischen Nagoya University fanden heraus, dass Hähne ihrer inneren Uhr vertrauen, wenn es ums Krähen geht. Zum berühmt berüchtigten Kikeriki lassen sie sich nur vom Krähen ihrer Artgenossen verlocken. Aber auch das besonders gerne in den Morgenstunden – also zu jener Zeit, in der auch ihre innere Uhr sie dazu anleitet.

Nano wird groß

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    MINTZirkelZeitung fr Mathematik | Informatik | Naturwissenschaften | Technik

    1.Jahrgang

    Ausgabe2/Mai2012

    MINTZirkelZeitung fr Mathematik | Informatik | Naturwissenschaften | Technik

    2.Jahrgang

    Ausgabe3+4/

    Mrz/April2013

    BA

    SF

    KnstlicheIntelligenz

    EU-Projekt: Das Hirn im ComputerWissen S. 4

    Physik

    Fusionskraft Energiequelle von morgen?Wissen S. 5

    TV-Serien

    MINT gegen das VerbrechenMarkt S. 12

    Special

    Laborausstattung: Bestens gewappnet frs ExperimentierenPraxis S. 10 11

    Unterricht

    Einstieg in die NanoweltPraxis S. 8 9

    Produkte mit Ideen aus der Nanoforschung erleben einen Boom. Doch die Frage nach den Risiken ist in vielen Bereichen noch ungeklrt.

    Die Zahlen sind so eindrucksvoll wie eindeutig: Auf eine Billion Dollar ist das weltweite Marktvolumen der Nanotech-nologie in den letzten Jahren gestiegen. Und bis 2015 soll es sich nach den Zahlen des Marktanalysten Cientifica noch einmal verdreifachen. Die Anwendungen der Inge-nieurskunst auf einer Grenordnung von nur wenigen Millionstel Millimetern sind in vielen Bereichen lngst allgegenwrtig: Von der Kosmetikindustrie, ber Autobau-er, Medizinunternehmen, Textilhersteller bis hin zur Lebensmittelindustrie in etwa 1.000 Produkten sind knstlich manipu-lierte Strukturen zwischen 1 und 100 Nano-metern inzwischen enthalten. Vor allem als Beimischung oder Beschichtung verleihen sie Bruchsicherheit, Hrte oder elektrische Leitfhigkeit. Das einstige Modewort Nano ist also lngst normal geworden.

    Beispiel Auto: Selbstverdunkelnde Rck-spiegel, die dem Fernlicht vom Hintermann keine Chance lassen, verdanken ihre Funk-tion dem Nanodesign. Im elektrochromen Glas von Rckspiegeln bilden sich, gesteu-ert ber eine elektrische Spannung, zwi-schen den einzelnen Schichten der Scheibe groe Molekle, die das Glas dunkel wer-den lassen. In den Windschutzscheiben befinden sich dagegen winzige Partikel, die Wrme und Sonnenlicht effizient re-flektieren ein Nanoeffekt, den sich auch eine Nano-Sonnencreme zu Nutze macht. Diese schtzt durch Zugabe von nur we-nigen Nanometer groen Krnchen aus Titandioxid besser als jede andere Creme. Daneben findet sich Nano in neuen Autos auch in Benzinleitungen, Filterbeschich-tungen und Motorlen, die dank der beson-deren Eigenschaften statische Aufladungen vermeiden sollen, wirksam die Luft rein-halten, die Reibung mindern und den Ver-brauch senken sollen.

    Generell gelten als Nano alle Materia-lien, die ihre speziellen Eigenschaften ihrer

    Winzigkeit verdanken. So verndern zum Beispiel Goldpartikel ihre Farbe, wenn sie nur klein genug sind ist das sonst gln-zende Metall nur fein genug zerstubt, wird es rot anstatt golden schimmern.

    Diesen Effekt wussten schon die Fenster-bauer vor Jahrhunderten zu nutzen und verbauten in Rubinglasfenstern eine erste Anwendung der Nanotechnologie. Schmie-de des Mittelalters nutzen Nano im Damas-zener-Stahl und auch die Natur greift bei Schmetterlingsflgeln, der Entspiegelung von Mottenaugen oder der Haftwirkung von Gecko-Fen, die auf unserem Titelbild ab-gebildet sind, gerne in die Nano-Trickkiste.

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    Nanowirdgro

    Termine

    ScienceonStage-Festival25. 28. April 2013, Slubice/Frankfurt (Oder)

    BewerbungsschlussMINT-freundlicheSchulen31. Mai 2013

    KlettMINT-Kongress12. Juni 2013, Stuttgart

    SchlerwettbewerbFreestylePhysics9. 11. Juli 2013, Universitt Duisburg-Essen

    Extrapoliert

    Das digitale Zeitalter stt langsam aber sicher das Buch von seinem So-ckel E-Books verkaufen sich prchtig. Nur im Bildungsbereich ist diese Entwick-lung noch nicht angekommen. Dort wird weiterhin auf Papier gesetzt.

    Zwar entwickeln Schulbuchverlage stn-dig neue digitale Angebote. Einem Artikel des Handelsblatts zufolge hlt sich die Ak-zeptanz bisher aber in Grenzen. Die digita-le Infrastruktur in Form von White Boards oder Tablet PCs eigentlich der Kronprinz des Schulbuchs fehlt in den Schulen bis-her schlicht und ergreifend. Auerdem schauen die Lehrkrfte genau hin digita-le Angebote werden nur angenommen, wenn sie einen didaktischen Mehrwert bieten.

    Dabei liegt der Zugewinn auf der Hand: Computersysteme bieten die Mglichkeit der Interaktion und sie knnen komplexe Zusammenhnge besser veranschaulichen man denke an eine digitale 3-D Darstellung zueinander windschiefer Geraden. Auer-dem lsst sich auf Computern prima spei-chern, bearbeiten und teilen. Manche Leh-rer laden bereits YouTube-Videos ihres Un-terrichts hoch, damit die Schlerinnen und Schler ausgewhlte Sequenzen nochmals heranziehen knnen.

    Frher oder spter msste sich das elek-tronische Angebot folglich durchsetzen oder etwa nicht? Neben dem bisher unge-lsten Problem der technischen Ausstat-tung liegt ein anderer Hinderungsgrund wahrscheinlich ganz banal im Vorteil eines Unterrichts, der aus Fleisch und Blut und Papier gemacht ist. Genauso wie Erzie-hung im Elternhaus deshalb wirkt, weil sie auf einer engen Beziehung zwischen Mama / Papa und Kind beruht, ist die Condi-tio sine qua non beim Thema Bildung die Interaktion zwischen Lehrkraft und Sch-ler. Man muss dabei nicht nur an die Lehr-krfte aus der eigenen Schulzeit denken, die fachlich und menschlich spitze waren und als das Idealbild in der Erinnerung hngen blieben. Das gilt auch fr den schrullig-peniblen Lateinlehrer von frher: Stand er nicht mit seiner ganzen Person fr die alterwrdige, strukturelle Strenge der Sprache?

    Der gleiche Lerneffekt wohnt mgli-cherweise dem klassischen Schulbuch inne: Das abgegriffene Mathebuch, be-reits durch Generationen von Schlerhn-den gegangen, lie es sich mit diesem nicht ganz besonders gut bffeln? Wer sich gern mit Mathe beschftigt hat, der kannte genau die Seite, auf welcher der Differenzenquotient eingefhrt wurde. Dort: Umrahmt von Eselsohren und cha-rakteristischen Farbklecksen. Fr so viel Individualitt braucht es knftig clevere E-Book- Entwickler. bp

    Krht der Hahn

    geht die Sonne auf oder sie bleibt, wo sie ist. Das Krhen des Hahnes richtet sich nicht nach ueren Reizen wie dem Aufgehen der Sonne. Wissenschaftler der japanischen Nagoya University fanden heraus, dass Hhne ihrer inneren Uhr vertrauen, wenn es ums Krhen geht. Zum berhmt berchtigten Kikeriki lassen sie sich nur vom Krhen ihrer Artgenossen verlocken. Aber auch das besonders gerne in den Morgenstunden also zu jener Zeit, in der auch ihre innere Uhr sie dazu anleitet.

  • 2 |Wissen Mrz/April2013 MINTZirkel

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    FortsetzungvonSeite1

    Den Siegeszug der Nanotechnik sehen aller-dings nicht alle Beteiligten mit Freude. Denn die Regulierung bei der Zulassung der Nano-Stoffe hinkt der Schnelligkeit der Produktentwickler hinterher. Nicht un-wahrscheinlich, dass einige Nanostoffe das Schicksal von Asbest ereilen knnte: hoch-wirksam aber hochgiftig.

    Beispiel: Nanosilber. Die antibakteriell wirkenden Nanopartikel waren in den ver-gangenen Jahren immer mehr in Kleidungs-stcken, Zahnpasta und Lackierungen zum Einsatz gekommen ohne dass sie als Nano-teilchen kenntlich gemacht wurden. Viele Verbraucherschtzer, Umweltverbnde und sogar Experten des Bundesinstituts fr Risi-kobewertung warnten daraufhin, dass die kleinen Metallteilchen fr empfindliche Menschen ungeeignet seien und eventuell sogar auch Leber und Lunge schdigen knnten. Erst seit dem ersten Januar dieses Jahres mssen Nanoteilchen in Kosmetik-artikeln gekennzeichnet werden.

    Kritiker befrchten zudem, dass gngige Mechanismen zur Risikobewertung beim Thema Nano nicht greifen. Denn was Nano-materialien fr die Technik interessant wer-den lsst, macht die Untersuchung des Risi-kos kompliziert. Nanoteilchen ndern ihre optischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften schlielich mit der Gre.

    Normalerweise undurchsichtige Subs-tanzen wie das Titandioxid in der Sonnen-creme werden als winzige Partikel durchsichtig. Ansonsten chemisch relativ trge Stoffe wie das Edelmetall Gold ver-wandeln sich als Nanoklumpen zum hoch-reaktiven Element.

    Bisher wird die Gefhrlichkeit von Stof-fen jedoch aufgrund ihres chemischen Auf-baus und nicht ihrer Gre eingeschtzt. Doch wenn das Aussehen auch die Eigen-schaften bestimmt, welche Gre sollen Forscher bei einer Risikobewertung unter-suchen?

    Derzeit arbeitet die EU an der Ergnzung der Reach-Verordnung. Diese Richtlinie regelt bisher die Zulassung von Chemikali-en. In der Neufassung sollen die Lcken fr Nanostoffe gestopft werden. Neben einer umfassenderen Charakterisierung fordern die deutschen Behrden dabei besondere Prf- und Informationspflichten fr Her-steller von Nanoprodukten. Auch die Frei-grenzen sollen wegfallen: Weil die bisheri-gen Zulassungsmechanismen erst ab einer Tonne pro Jahr gelten, lassen sich nmlich

    viele Zusatzsstoffe in geringer Menge ohne Zulassung vertreiben.

    Dass diese Regelungen dringend notwen-dig sind, zeigen Vorflle aus Mexiko: In den vergangenen Jahren hatten Radikale

    mehrere Anschlge auf Nanotech-Forscher verbt, weil sie die Nanotechnologie als generelle Gefahr ansahen. Inzwischen wird dort Nano hnlich negativ pauschalisiert wie die Gentechnik in Europa.

    Die Frage, ob es gelingt, diese Pauschali-sierung zu vermeiden, wird wohl ber das Schicksal der Nanotechnologie hierzulande entscheiden. Das haben auch Wissenschaft-ler und Unternehmen erkannt und arbeiten inzwischen aktiv bei der Regulierung mit.

    Die Visionen fr Nano, die in den Forschungsinstituten derzeit entwickelt werden, gehen nmlich weit ber die der-zeitige Verwendung als reine Zusatzstoffe hinaus: Auch die IT-Industrie, die mit ihren Strukturen lngst in der Nanometer-Welt angekommen ist, arbeitet an Nano-Neuhei-ten. hnlich, wie es der Natur gelingt, aus Atomen Zellen fr Lebewesen wachsen zu lassen, setzen die Wissenschaftler darauf, dass es mglich wird, winzige Teilchen zu neuen, intelligenten Strukturen selbststn-dig zusammenfinden zu lassen. So genann-te programmierbare Materie existiert als Prototyp (in recht groem und unhandli-chem Auma) bereits in den Labors von Intel. Eines Tages sollen es Nanoteilchen sein, die sich zu einem Gegenstand wie von Geisterhand arrangieren. Dann htte man nur noch einen Moleklklumpen in der Ta-sche der wahlweise Handy oder Hand-spiegel wre. Und im nchsten Moment zum Autoschlssel wrde. tb

    einenUnterrichtsvorschlagzumThemaNano-technologiefindenSieaufdenSeiten8und9

    In den nchsten Ausgaben

    Schule trifft Technik

    Technik spielend begreifen:

    Lernbaukasten ROBO TX Training Lab

    www.schule-trifft-technik.de/85880

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    Weitere Informationen

    NanoimAlltagundinderSchuleSchweizer Unternehmen, Forscher und Pdagogen haben eine Nano-Webseite zum Einsatz fr den Unterricht entwickelt. Auf www.swissnanocube.ch finden sich neben Erluterungen, Definitionen und Anwendungen der Nanotechnologie auch ausgearbeitete Unterrichtsvor-schlge fr den Chemie-Unterricht.

    Nano-SicherheitVom hessischen Ministerium fr Wirtschaft, Verkehr und Landesent-wicklung stammt die Seite www.nano- sicherheit.de. Sie informiert objektiv und umfassend ber den Stand der Risiko-Debatte.

    Nano-berblickDie Seite www.nanoportal-bw.de bietet einen guten Einstieg ins Nano-The-ma. Sie fasst die Grundlagen, Forschungsergebnisse, Rechtsfragen und Anwendungen bersichtlich zusammen.

    BA

    SF

    Nano in der Praxis: Kristallkeime lassen Betonschnellerhrten

    Chemie

    MetallemitnegativerLadungMetalle sind allgegenwrtig. Ob im Alltag etwa als Karosserieverkleidung und als Konservendose oder in Forschung und Entwicklung. Was aber nicht jeder ber Metalle wei: Sie knnen auch Polyanio-nen bilden und diese in den unterschied-lichsten Strukturen. Diese Molekle be-zeichnet man als Zintl-Ionen.

    Mathematik

    WeltretterVersiche-rungsmathematikViele Diplom-Mathematiker landen in der Finanz- und Versicherungsbranche. Mit ihren Modellen sollen sie nichts weniger als die Welt retten damit der nchste Ban-kencrash ausbleibt.

    Technik

    DasInternetderDingeIPv6 heit der neue Internetstandard mit dem die Welt von Morgen revolutioniert wird. Jedes Gert, ob Waschmaschine, Khl-schrank oder Handy, soll zuknftig per IP-Adresse vernetzt werden. Das Internet der Dinge kann helfen, das Leben nachhaltiger und effizienter zu gestalten. Doch Daten-schtzer haben ihre Bedenken.

    RubrikFachdidaktik

    UnterrichtsforschungindieSchulenDer Alltag bietet wenig Freiraum fr die Beschftigung mit neuen Anstzen der Un-terrichtsforschung. Mit dem Studium endet fr Lehrkrfte daher der Kontakt zur fach-didaktischen Forschung. Wir wollen eine Brcke bauen von der Hochschule in den Unterricht, in dem wir hochaktuelle, praxis-relevante Anstze prsentieren.

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    DasNano-GeheimnisderscharfenKlinge

    DasGeheimnisderlegendrstabilenKlin-

    gen,aufdieersteKreuzfahrerim11.Jahr-

    hundert im Orient stieen, sind Nano-

    strukturenausKohlenstoffundEisenkarbid,

    sogenanntemZementit.Denmittelalterli-

    chen Schmieden war es durch spezielle

    Verfahrengelungen,Zementit-Nanofden

    imStahlentstehenzulassenunddiesemit

    Kohlenstoff-Nanorhrchen, den sogenann-

    tenNanotubes,zuummanteln.Ohnedass

    Wort Nano je gehrt zu haben, versahen

    die Schwerthersteller ihre Waffen nicht

    nur mit der charakteristisch wellenartig

    schimmernden Oberflche, sondern auch

    mit besonders harten Nano-Sgezhnen.

    WeildieZementit-Fdenhrterwarenals

    dasumgebendeMaterial,bliebensiebei

    der Benutzung der Klingen am lngsten

    stehenundbildeten soaufderSchneide

    einenanoskopische,hchsteffektiveSge.

    berlieferungen zufolge lieen sich mit

    diesen Klingen Seidentcher in der Luft

    durchtrennen.

  • MINTZirkel Mrz/April2013 Wissen| 3

    Satzspiegel-Ende

    Seiten-Ende

    Biologie

    (Noch)nichtssehen,nichtshren,nichtssagen

    Fledermausembryos(Molossus rufus,roteSamtfledermaus)fotografiertvonDoritHockman(CambridgeUniversity),einederFinalistenderNikonSmallWorld2012PhotomicrographyCompetition

    LehrerkongressSchuleundWirtschaftgemeinsamfrmehrMINT

    Differenzierung, Sprachbildung, Umgang

    mitHeterogenitt:DieseThemensindzwar

    nichtneu, rckenaber imUnterrichtsalltag

    immermehrinsBlickfeld.WelchenBeitrag

    knnendieMINT-Fcherzueinemerfolgrei-

    chenUmgangmitVielfaltleisten?DieserFra-

    ge widmet sich der Kongress Schule und

    WirtschaftgemeinsamfrmehrMINT, der

    am12.06.2013zumviertenMal inStuttgart

    stattfindet.

    DerKongressrichtetsichanLehrkrftealler

    weiterfhrendenSchularten.UnterdemMot-

    toMitMINTVielfaltinderSchulegestalten

    erwartetdieTeilnehmereinvielseitigesund

    informatives Programm. Wie begeistert

    manMdchenundJungengleichermaen

    frMINT?WielerntunserGehirn?Wiekann

    man Sprachfrderung und MINT-Unterricht

    kombinieren?AufdieseundweitereFragen

    gibt der Kongress in Vortrgen und Work-

    shopsAntworten.BeiderbegleitendenBil-

    dungsmesse prsentierenHochschulen,Un-

    ternehmenundInitiativenProjekteundMate-

    rialien zur Berufsorientierung und fr den

    Unterricht.

    VeranstalterdesKongressessindKlettMINT,

    die baden-wrttembergischen Ministerien

    fr Kultus, Jugend und Sport, fr Finanzen

    undWirtschaftsowiefrWissenschaft,For-

    schung und Kunst, der Arbeitgeberverband

    Sdwestmetall,dieWirtschaftsfrderungRe-

    gion Stuttgart sowie der Baden-Wrttem-

    bergischeHandwerkstag.

    DieTeilnahmegebhrbetrgt49Euro.MINT

    Zirkel-Leser erhalten einen Rabatt von

    20Prozent,wennsiebeiderAnmeldungdas

    StichwortMINTZirkelangeben.

    WeitereInformationen&Anmeldungwww.klett-mint.de/kongress

    D iese bizarren Figuren sind keine Dra-cula-Variante der Drei Weisen Affen, es sind auch nicht die zuknftigen Drillinge der Twilight-Buchhelden Bella und Edward, es handelt sich um Embryonen der sdame-rikanischen Samtfledermaus Molossus rufus. Samtfledermuse sind bekannt fr ihren schnellen Flug, den sie ihren langen Fl-geln und der speziellen Anatomie ihrer Ohren verdanken. Im Laufe der Entwick-lung von Fledermaus-Embryonen wachsen die Fingerglieder zu Flgelstreben aus, die Haut dazwischen bildet die Flugmembran, die Ohrenrnder vereinigen sich zu einem aerodynamischen Helm auf dem Kopf.

    Dass uns gerade das jngste Stadium (links) so verblffend menschlich anmutet, ist keine neue Beobachtung. Schon Ernst Haeckel (1866) wusste, dass Wirbeltier-embryonen verschiedener Klassen sich in den ersten Stadien auffallend hneln. Ihre charakteristischen Merkmale entwickeln sich erst allmhlich und damit auch die Un-terschiede im Bauplan. Haeckel formulierte daraus die Biogenetische Grundregel (Re-kapitulationstheorie): Die Ontogenese ist eine kurze und schnelle Rekapitulation der Phylogenese. Oder einfacher ausgedrckt: Die individuelle Entwicklung wiederholt in etwa die stammesgeschichtliche Entwick-lung. Fledermausflgel haben sich in der Evolution aus der Vorderextremitt frher Wirbeltiere entwickelt und das kann man in der Embryogenese nachverfolgen.

    Fr Haeckel htten sich solche Fotos ideal geeignet, seine Theorie zu untermauern. Die berspitzte Vorstellung, dass auch der

    Mensch in seiner Embryonalentwicklung das Stadium eines Einzellers, Wurmes, Fi-sches, Lurches oder Affen durchmacht, stie auf wissenschaftlichen und ideologi-schen Widerstand. Tatsache ist, dass aus einer einzelligen Zygote ein lnglicher, gegliederter Keim mit Vorder- und Hin-terende entsteht, der schlielich Kiemen-darm und Chorda bildet und vor der Ge-burt noch eine Lanugobehaarung aufweist. Tatsache ist aber auch, dass es in der Onto-genese Merkmale gibt, die sich in der Phy-

    logenese nicht wiederfinden lassen: Man denke nur an Nabelschnur, Dottersack oder Fruchtblase. Diese embryonalen Spezial-merkmale lie Haeckel in seinen Abbildun-gen weg und auch bei den Fledermausfo-tos fehlen sie.

    Heute gibt es eine eigene Wissenschafts-richtung, die sich mit dem Zusammen-hang zwischen Ontogenese und Phyloge-nese beschftigt: die evolutionre Entwick-lungsbiologie (kurz Evo-Devo, von englisch: evolutionary developmental biology). Die Ent-wicklung eines Embryos erfolgt nach ei-nem genetisch kontrollierten Muster der Teilung, Faltung, Wanderung, Differenzie-rung und Wechselwirkung von Zellen. Jede aus der Zygote hervorgegangene Zelle hat zwar die gleichen Gene, aber es sind nicht die gleichen Gene aktiv. Erst die Regulation dieser Genexpression fhrt schrittweise zu einem komplex aufgebauten Organis-mus wie der Fledermaus.

    Mutationen, die strend in die Embryo-genese eingreifen, wurden im Laufe der Evolution schnell ausgemerzt. Dieser starke Selektionsdruck fhrte zu hoch konservier-ten, bewhrten Genmustern vor allem fr die frhen Entwicklungsschritte. Die ersten Entwicklungsgene haben daher nicht nur alle Wirbeltiere, sondern sogar alle bilateralsymmetrischen Tiere, unter anderem auch Insekten, gemeinsam. Die abgestuften Konzentrationen ihrer Gen-produkte entlang der Lngsachse entschei-den ber die abschnittsweise Aktivierung weiterer regulatorischer Gene und fhren so zur Variation des Grundtyps.

    Ob sich aus der Vorderextremitt eines Wirbeltieres eine Hand oder ein Fleder-mausflgel entwickelt, entscheidet ein Gen, das die Teilung von Knorpelzellen an-regt. Es ist in der embryonalen Fledermaus-Vorderextremitt besonders aktiv und lsst die Fingerglieder lang werden. ik

    SteckbriefeberhmterMolekle

    Oxytocin:DerStoffausdemdieLiebeistunddieGewalt

    Name:altgriechisch,,kys=schnellGeburt;tokos=leichtgebrendPrimrstrukturdesPolypeptids:CYIQNCPLGchemischeFormel:C43H66N12O12S2

    In Flschchen abgefllte Treue Oxytocin

    machtsmglich.HabenMnner,diebereits

    liiert sind, eine Dosis des Oxytocin-Nasen-

    sprayserhalten,bleibensielautaktuellerFor-

    schungsergebnisse der Universitt Bonn

    beimGesprchmiteinerfremdenDameauf

    Distanz.

    SeitseinerEntdeckungimJahre1906hatOxy-

    tocineinefreinHormonerstaunlicheKarri-

    erehingelegt.1955verhalfesdemBiochemi-

    kerVincentduVigneaudzumNobelpreisfr

    Chemie. Der US-Amerikaner war der erste,

    dereinPolypeptidnmlichOxytociner-

    folgreichknstlichsequenzierenkonnte.Wie

    diegriechischeWurzelseinesNamens(siehe

    oben)schonverrt,wurdeOxytocinanfangs

    vorallemfrseineBedeutungbeiProzessen

    rundumdieGeburtbekannt.Krpereigenes

    Oxytocin lstdieWehenaus, sorgt frden

    Milchflussundnichtzuletzt freinestabile

    Mutter-KindBindung.MitderZeit konnten

    dem Hormon jedoch immer weitere fr

    Schlagzeilen sorgendeEigenschaftennach-

    gewiesen werden. Versuche an monogam

    lebendenPrriewhlmusenzeigen,dasses

    auchbeiderPaarbildungeinewichtigeRolle

    spielt,wasihmdenSpitznamenLiebes-Hor-

    moneinbrachte. ZudemstrktesdasVer-

    traueninandereMenschensowiediesoziale

    Wahrnehmungsfhigkeit.Attribute,dieOxy-

    tocingeradezualsHeilmittelfrpsychische

    LeidenwieAutismusprdestinieren.ImFrh-

    jahrdiesenJahreswerdenanderUniversity

    ofNorthCarolinainChapelHillForschungen

    an 300 autistischen Kindern und Jugendli-

    chenvon3bis17Jahrenaufgenommen,um

    dasHormonaufseineTauglichkeitzuber-

    prfen.DamitwreesdasersteMittel,das

    Defizite imSozialverhaltenvonAutistendi-

    rektbehandelt.

    Neuere Forschungen zeigen jedoch, dass

    auchdasLiebeshormonseineSchattenseiten

    hat.SoerhhteszwardasZugehrigkeitsge-

    fhlzureigenenGruppe,imGegenzugerhht

    esjedochauchfeindlichesVerhaltengegen-

    berFremden.Bleibtabzuwarten,frwelche

    Schlagzeilen Oxytocin bei solch komplexer

    WirkungsweiseinZukunftnochsorgenwird.

    ph

    O

    O

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    Leu

    Gly

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  • 4 |Wissen Mrz/April2013 MINTZirkel

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    KnstlicheIntelligenzforschung

    DasvirtuelleSuperhirnWie funktioniert das Gehirn? Mit einem gi-gantischen Hirnsimulator wollen Forscher aus ganz Europa diese Frage beantworten. Eine Milliarde Euro zahlt die EU fr das am-bitionierte Human Brain Project, sein Erfolg ist ungewiss.

    Das muss man Henry Markram schon lassen: Er ist ein guter Verkufer sei-ner khnen Forschertrume. In seinen Pr-sentationen gibt er den unerschrockenen Visionr, der eines der ganz groen Rtsel der Wissenschaft lsen will: das menschli-che Gehirn. Kein Wunder, dass das von ihm geleitete Human Brain Project den Wissenschaftsjackpot der EU geknackt hat. Eine Milliarde Euro bekommen Markram und seine Kollegen aus 23 Lndern nun, um binnen zehn Jahren einen Gehirnsimu-lator zu bauen.

    Um die Forschungsmilliarden aus Brs-sel hatten sich sechs Wissenschaftsprojek-te beworben. Am Ende triumphierten Mar-krams Gehirnsimulation und Materialfor-scher, die dem Wundermaterial Graphen zum Durchbruch verhelfen wollen. Auch das Graphen-Projekt wird mit einer Milliar-de Euro gefrdert.

    Vor allem die Entscheidung fr das Hu-man Brain Project sorgte fr Diskussionen. Es gibt Hirnforscher und Informatiker, die das Vorhaben fr unrealistisch halten. Viel PR, wenig Substanz, lautet der Vorwurf. Der Zricher Neuroinformatiker Richard Hahnloser nannte es ungeheuerlich,

    dass fr ein Projekt mit derart ungewissem Ausgang Hunderte von Millionen ausgege-ben werden sollen.

    Hirnforscher stehen vor dem Problem, dass an einem Gehirn im lebenden Orga-nismus nur eingeschrnkt Messungen mglich sind. Entsprechend beschrnkt ist auch das Wissen ber die Ablufe darin. Markram und seine Kollegen hoffen, dass man dieses Problem letztlich mit Reverse Engineering lsen kann. Sie wollen das menschliche Gehirn so detailliert wie mg-lich mit einem Supercomputer nachbauen und damit die Ablufe in den Nervenzellen simulieren. So hoffen sie endlich zu verste-hen, wie Intelligenz entsteht und welche Ursachen Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson haben.

    Seit 25 Jahren erforscht Markram Ner-venzellen inzwischen hinunter bis zur Ebene der Gene. An der cole Polytech-nique Fdrale in Lausanne leitet er das Blue Brain Project, in dem das Gehirn einer Ratte virtuell nachgebaut wird wenn man so will, ein Vorlufer fr das Human Brain Project. Bereits 2007 gelang es dem Lausanner Team, mithilfe ihres eigenen Supercomputers einen kleinen Teil des Rattenhirns, die sogenannte neokortikale Sule mit ihren 10.000 Neuronen, auf zel-lulrer Ebene zu simulieren.

    Um die Sule zu modellieren, haben die Forscher die Ablufe in den Nervenzellen in ein ganzes Set von Differenzialgleichun-gen bersetzt. Botenstoffe und Proteine

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    Wissenschaftsgeschichte

    Rastertunnelmikroskop:DasFensterindieNanowelt

    Mit einem Lichtmikroskop knnen wir aufgrund der Wellenlnge des sichtbaren Lichts nur Strukturen bis zu einer Gre von etwa 300 nm auflsen was der Gre eines Tabakmosaikvirus entspricht. Dieses ist damit zwar schon ca. 3.000 Mal kleiner als der Punkt am Ende dieses Satzes, aber auch immer noch um etwa genauso viel grer, als ein Atom.

    Das Rastertunnelmikroskop ermglicht viel tiefere Einblicke in die faszinierende Welt nanoskopischer Strukturen; in Gr-enordnungen von einem millionstel Mil-limeter und kleiner lassen sich hiermit sogar einzelne Atome sichtbar machen.

    Die IBM-Forscher Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickelten dieses Ins-trument im Jahr 1981. Fnf Jahre spter wurden sie fr diese Erfindung mit dem Nobelpreis der Physik geehrt. 1989 ge-lang es dem Amerikaner Don Eigler vom IBM Forschungszentrum Almaden in Ka-lifornien, Atome gezielt zu manipulieren. Er bildete unter Zuhilfenahme des Ras-tertunnelmikroskops aus 35 Xenon-Ato-men den berhmt gewordenen Schrift-zug IBM auf einer Nickel-Oberflche. Damit war ein wichtiger Schritt in Rich-tung Nanotechnologie getan, denn jetzt konnten sogar einzelne Atome nach Be-lieben angeordnet werden.

    Das Spannende dabei ist, dass in dieser fr uns so kleinen Welt ganz andere phy-sikalische Gesetze gelten, als in den Gr-enordnungen, in denen wir leben. Ein

    Effekt, ohne den das Rastertunnelmikro-skop nicht funktionieren wrde, ist der sogenannte Tunneleffekt. Die Nadel des Mikroskops, welche idealerweise in ei-nem einzigen Atom mndet, bewegt sich rasterfrmig in einem Abstand von weni-gen Nanometern ber die zu untersu-chende Oberflche. Bei angelegter Span-nung knnen Elektronen von der Ober-flche des Materials zur Spitze gelangen, sprich tunneln, obwohl beide Materia-lien nicht leitend verbunden sind. Das ist in etwa so, als knnte ein Mensch sich von einem Ort zum anderen beamen. Stck fr Stck wird das Material abge-fahren, wodurch man ein Bild der elekt-ronischen Struktur der Oberflche erhlt.

    Das Rastertunnelmikroskop kann in Vakuum, an der Luft und sogar in Flssig-keiten arbeiten. Diese Flexibilitt ermg-licht seinen Einsatz in zahlreichen Gebie-ten wie der Elektrochemie, Molekularbio-logie oder Metallurgie. ph

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    EinenEntwurfdesmenschlichenGehirnserstelltdasHumanBrainProject

    werden dabei ebenso modelliert wie die elektrische Signalbertragung von Nerven-zelle zu Nervenzelle.

    Das geplante Gehirnmodell muss auch die Vielfalt der Nervenzellen abbilden. Laut Markram gibt es 16 verschiedene Typen von Neuronen in der Kolumne. Jede Nervenzel-le hat 20.000 bis 30.000 Gene, davon sind nur 3.000 bis 4.000 wirksam, erklrt er. Wenn man diese Gene kenne, knne man die Zelltypen im Computer nachbauen.

    Jede Nervenzelle ist mit bis zu 20.000 an-deren Neuronen ber Synapsen verknpft. Die meisten Verbindungen bestehen zu Neuronen im unmittelbaren Umfeld aber es gibt auch Synapsen zwischen weiter ent-fernten Zellen. Wenn das Gehirn lernt, wer-den Synapsen neu geknpft oder bestehen-de Verbindungen verstrkt. Im Design die-ser Verknpfungen stecke eines der groen Geheimnisse des Gehirns, sagt Markram.

    Die Herausforderungen fr das Human Brain Project sind enorm. So ist unklar, ob das verwendete Nervenzellmodell alle erforderlichen Details enthlt, um die Ab-lufe im Gehirn adquat abbilden zu kn-nen. Der Berliner Informatiker Ral Rojas frchtet, dass die Forscher die Komplexi-tt des Gehirns schlicht unterschtzen: Markram und seine Kollegen versuchen zum Mond zu fliegen, dabei ist gerade eben erst das Rad erfunden worden. Man wisse nicht, wie viel man immer noch nicht wisse.

    Die Gehirnsimulation erfordert zudem einen Supercomputer, den es in dieser Gr-e weltweit noch nicht gibt. Die Modellie-rung eines einzelnen Neuronen erfordert etwa die Rechenpower eines modernen

    Laptops. Doch das menschliche Gehirn hat bis zu eine Milliarde Neuronen! Die dafr ntigen Supercomputer wren somit hun-derte Male grer als die derzeit schnells-ten Grorechner der Welt.

    Womglich brauchen wir dafr eine spe-zielle Hardware, sagt Thomas Lippert vom Forschungszentrum Jlich, beim Human Brain Project verantwortlich fr Supercom-puting. Neuromorphe Chips knnten hel-fen, dieses Problem zu lsen. Sie bilden die Hirnstrukturen direkt in Hardware ab und arbeiten deshalb viel effizienter.

    Der Pariser Hirnforscher Stanislas De-haene sieht die grte Herausforderung des Projekts jedoch lngst ganz woanders: Am Schwierigsten wird es wohl, die Wis-senschaftler aus den verschiedenen Fach-gebieten zur Zusammenarbeit zu bringen. hd

  • MINTZirkel Mrz/April2013 Wissen| 5

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    Physik

    DieSonneaufErden:FusionskraftfrsaubereEnergieDie Kernspaltung bekommt Gesellschaft. Wissenschaftler arbeiten daran, auch die Fusion von Kernen fr die Energieversorgung von morgen zu nutzen. Die Realisierung dieses Projekts birgt groes Potenzial und viele Probleme.

    A chtung es wird hei! Nicht 40 Grad, nicht 50, nein mehr als 100 Millionen Grad herrschen in einem Fusionsreaktor, in dem Wasserstoffisotope zum Verschmel-zen gebracht werden. Die Kerne schtteln ihre Elektronen ab, das Gemisch liegt als Plasma, dem sogenannten vierten Aggre-gatzustand vor nicht einmal im Inneren der Sonne ist es so hei. Die Notwendigkeit fr solch hohe Energien ergibt sich aus ei-nem scheinbar schlichten Phnomen: Glei-ches gesellt sich in der Physik nicht gern zu Gleichem zumindest wenn es um La-dungen geht. Positive Atomkerne struben sich dagegen, sich mit anderen Vertretern ihrer Spezies zu vereinen. Da hilft nur Ein-heizen bis die elektrostatische Absto-ungskraft berwunden ist, die starke Wechselwirkung greift und die Kerne ver-schmelzen und dabei Energie frei setzen.

    Diese Energie ist es, auf die es die For-scher abgesehen haben. Sie knnte helfen, unser Energieproblem zu lsen. Beate Kem-nitz vom Max Planck Institut fr Plasmaphy-

    sik prognostiziert: Ein Gramm Brennstoff knnte in einem Kraftwerk 90.000 Kilowatt-stunden Energie freisetzen die Verbren-nungswrme von 11 Tonnen Kohle. Klima-schdliche Emissionen treten dabei keine auf.

    Einerfralle,allefreinenFusions-forschungisteinGemeinschaftsprojektBis dahin ist es jedoch noch ein weiter Weg. Ein Fusionsreaktor ist ein Ort der Ex-treme, extrem hohe Temperaturen gehen einher mit extrem niedrigen Drcken die Lufthlle der Erde ist 250.000 Mal dichter als das Plasma. Um diese Krfte bndigen zu knnen, bentigt es die Schaffenskraft einer Vielzahl an Forschern.

    Am Testreaktor ITER (International Ther-monuclear Experimental Reactor) im sd-franzsischen Kernforschungszentrum Ca-drache arbeiten Forschungsverbunde aus der EU darunter das Max Planck Institut fr Plasmaphysik in Garching und Greifs-wald sowie Teams aus China, Indien, Japan, USA, Sdkorea und Russland. ITER befindet sich derzeit noch im Bau, sobald er fertig gestellt ist soll er zeigen, dass ein Energie lieferndes Fusionsfeuer mglich ist, so Kemnitz. Erste Experimente mit dem ei-gentlichen Fusionsbrennstoff sind fr 2026 geplant. ITER steht in einer Reihe zahlrei-cher Fusionsexperimente, an deren Ende der Bau des Demonstrationskraftwerks DEMO stehen soll. Dieses wird voraussicht-lich Mitte des Jahrhunderts seine Arbeit aufnehmen und unter Beweis stellen, dass mithilfe der Fusionskraft kontinuierlich Energie bereitgestellt werden kann.

    DieSonnealsVorbildNeu ist das Prinzip der Energiegewinnung mittels Kernfusion nicht. Schlielich be-ruht unser Leben auf der Funktion eines einzigen riesigen Fusionskraftwerks: der Sonne.

    Dieser gigantische Feuerball ist schon seit Milliarden von Jahren Schauplatz eines sich stndig wiederholenden Vorgangs: Wasser-stoff-Kerne (Protonen) verschmelzen ber Zwischenschritte zu schwererem Helium und setzen dabei die Energie frei, die Leben auf unserem Planeten ermglicht.

    Um die Fusionsreaktion auf die Erde zu holen, kann die stellare Reaktion jedoch nicht einfach kopiert werden sie verluft viel zu langsam, um im Labor effizient ge-nutzt werden zu knnen. Fr terrestrische Funktionskraftwerke ist vor allem die Re-aktion zwischen den schwereren Wasser-stoffisotopen Deuterium und Tritium von

    Interesse. Verschmelzen diese, entsteht ein Heliumkern und ein Neutron. Letztere sind leichter als die Ausgansstoffe, aus de-nen sie entstanden sind. Dieses als Massen-defekt bekannte Phnomen ist die Ursache fr den Energiegewinn, der aus der Kern-fusion wie auch aus der Kernspaltung (siehe Infokasten) gezogen wird. ber Einsteins berhmte Formel E = m c2, die die quivalenz von Masse und Energie aus-drckt, lsst sich berechnen, wie viel Ener-gie durch den Massenverlust frei wird. Die-se steckt als kinetische Energie in den Re-aktionsprodukten, welche als Wrme ber Dampfturbinen in Elektrizitt umgewan-delt wird.

    Radioaktivitt:ja,Gefahr:bedingtDamit das heie Plasma durch den Kontakt zu den Auenwnden nicht abkhlt und die Fusionsreaktion zum Erliegen kommt, wird das Plasma in dem zum Typen Toka-mak zhlenden Reaktor ITER in einer Art magnetischem Kfig gefangen gehalten. Einzig die bei der Fusionsreaktion entste-henden Neutronen knnen diesen passie-ren mit unliebsamen Folgen: Die Neutro-nen sind so hochenergetisch, dass sie Ato-me aus dem umgebenden Wandmaterial schlagen und dieses in der Folge brchig machen knnen. Zudem werden die umge-benden Stahlwnde aktiviert, also radioak-tiv. Kemnitz betont, dass dieses Material nach Betriebsende zwar zwischengelagert

    werden muss, die Aktivitt des Abfalls je-doch rasch abnimmt, sodass eine Wieder-verwendung nach etwa 100 Jahren erfol-gen kann.

    Auch vom radioaktiven Betastrahler Tri-tium (Halbwertszeit: 12,3 Jahre) gehe keine Gefahr aus. Die fr die Kernreaktion ben-tigten Mengen werden laut Kemnitz in ei-nem geschlossenen Brennstoffkreislauf aus Lithium erzeugt und dann unmittelbar im Reaktor verbraucht.

    Ein Unfall, vergleichbar mit einer Kern-schmelze bei der Kernspaltung, ist schon aus physikalischen Grnden ausgeschlos-sen, da keine Kettenreaktion ausgelst werden kann. Ohne die ntige Temperatur bricht die Reaktion ab.

    Ob sich die Menschen die Kraft der Son-ne auf die Erde holen knnen, kann nur die Zeit zeigen. Welches Ausma an Her-ausforderungen dazu noch zu meistern ist ebenfalls. ph

    Weitere Informationen

    Das Max Planck Institut fr Plasma-forschung in Greifswald und Garching bietet Besucherfhrungen und Besichtigungen an.

    Anmeldung unter: www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/veranstaltungen/index.html

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    IPP,

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    ker

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    er

    PlasmagefineinemFusionsreaktor

    KernreaktionimFusionskraftwerk

    Massendefekt

    DieKernfusionsowiedieKernspaltungzie-

    henihrenEnergiegewinnausdemMassen-

    defekt. InderAbbildungistdieAnzahlder

    Nukleonen gegen die mittlere Bindungs-

    energieproNukleonaufgetragen.AlleEle-

    mentedesPeriodensystemsfindensichauf

    der x-Achse mit ansteigender Massenzahl

    wieder.

    Eisen(Fe-58)undNickel(Ni-62)gehrenzu

    denstabilstenKernendesPeriodensystems.

    SiestehenamMaximumderKurve,d.h.ihre

    KerneweisendiehchsteBindungsenergie

    proNukleonauf.BeiderenBildungwirdfolg-

    lichammeistenBindungsenergiefrei.Solan-

    gedurchKernfusionKernemithhererBin-

    dungsenergieproNukleongebildetwerden,

    lohntsichdieFusion.BeiderKernspaltung

    hingegen nutzt man den Effekt, dass die

    SpaltprodukteeinehhereBindungsenergie

    besitzenalsdaszerstrteAtom,weswegen

    beiderSpaltungEnergiefreiwird.

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    Kernfusion

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    Kernspaltung

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  • 6 |Wissen Mrz/April2013 MINTZirkel

    Chemie

    BekommtdasPeriodensystemZuwachs?Wissenschaftler wetteifern um die Herstellung des Ele-ments 119. Sollte ihnen der Durchbruch gelingen, wrde sich nicht nur das Periodensystem um eine neue Zeile er-weitern.

    Das Periodensystem ist ein erstaunliches Konstrukt: Mit seiner Hilfe bekommen die Elemente, aus denen unsere Welt aufgebaut ist, eine Ordnung. Schon zu Beginn des 19. Jahrhunderts erkannte der deutsche Chemiker D-bereiner, dass gewisse Elemente hnliche Eigenschaften aufweisen: So fasste er z. B. die Alkalimetalle Lithium, Na-trium und Kalium zu einer Gruppe zusammen. berlegun-gen wie diese dienten als Leitfaden fr die Erstellung des heutigen Periodensystems, in dem die Elemente nach auf-steigender Kernladungszahl bzw. Ordnungszahl der An-zahl der Protonen im Kern gem ihren chemischen Ei-genschaften angeordnet sind.

    Die Lcken im Periodensystem sind lngst geschlossen. Erweitert werden kann es jetzt nur noch in Richtung der schweren Nuklide und damit begeben sich die Forscher

    auf unsicheres Terrain, denn den Bereich der stabilen Ato-me haben sie mit dem Element Nr. 82, Blei, schon lngst hinter sich gelassen. Alle weiteren Elemente haben keine stabilen Isotope mehr und sind damit radioaktiv. Von die-sen sind nur die wenigsten Atome aufgrund ihrer Halb-wertszeit in der Natur vorzufinden.

    Das bisher letzte Element des Periodensystems, Element Nummer 118, hat eine Halbwertszeit von 0,8 Millisekun-den. Atome wie diese knnen nur noch mithilfe ausgefeilter tech-nologischer Hilfsmittel, wie hochleistungsfhigen Beschleu-nigern und Detektiersystemen, erzeugt werden. Drei Forschungs-einrichtungen in den USA, Russ-land und Deutschland tragen den freundschaftlichen Wettstreit um die Herstellung dieses Ele-ments untereinander aus. Dazu schieen die Forscher Titanium-

    Atome (Nr. 22) auf Atome von Berkelium (Nr. 97) in der Hoffnung, dass einige von ihnen verschmelzen und lange genug bestehen, um erkannt werden zu knnen. Fr die Wissenschaftler wre mit der Entdeckung des neuen Ele-ments ein Schritt in die richtige Richtung getan. Im Bereich der superschweren Atome werden nmlich sogenannte In-seln der Stabilitt erwartet Atome mit halbwegs langen Lebensdauern die erforscht werden wollen. ph

    1 1HKein stabiles Isotop

    Kein natrlich vorkommendes Isotop*

    2He

    2 3Li4

    Be5B

    6C

    7N

    8O

    9F

    10Ne

    3 11Na12

    Mg13Al

    14Si

    15P

    16S

    17Cl

    18Ar

    4 19K20Ca

    21Sc

    22Ti

    23V

    24Cr

    25Mn

    26Fe

    27Co

    28Ni

    29Cu

    30Zn

    31Ga

    32Ge

    33As

    34Se

    35Br

    36Kr

    5 37Rb38Sr

    39Y

    40Zr

    41Nb

    42Mo

    43Tc

    44Ru

    45Rh

    46Pd

    47Ag

    48Cd

    49In

    50Sn

    51Sb

    52Te

    53I

    54Xe

    6 55Cs56Ba

    57La

    58Ce

    59Pr

    60Nd

    61Pm

    62Sm

    63Eu

    64Gd

    65Tb

    66Dy

    67Ho

    68Er

    69Tm

    70Yb

    71Lu

    72Hf

    73Ta

    74W

    75Re

    76Os

    77Ir

    78Pt

    79Au

    80Hg

    81Tl

    82Pb

    83Bi

    84Po

    85At

    86Rn

    7 87Fr88Ra

    89Ac

    90Th

    91Pa

    92U

    93Np

    94Pu

    95Am

    96Cm

    97Bk

    98Cf

    99Es

    100Fm

    101Md

    102No

    103Lr

    104Rf

    105Db

    106Sg

    107Bh

    108Hs

    109Mt

    110Ds

    111Rg

    112Cn

    113Uut

    114Uug

    115Uup

    116Uuh

    117Uus

    118Uuo

    8 119?? *Bis auf die Produkte natrlicher Radioaktivitt

    Mathematik

    Schnapszahltheoreme

    V iele Menschen haben zu Schnaps zahlen eine besonde-re Beziehung. Schnapszahlen tummeln sich berpro-portional hug auf Nummernschildern ber deutschen Au-tobahnen, und wie am 9. 9. 99 waren auch am 11. Novem-ber 2011 die Standesmter restlos ausgebucht. Aber vielleicht ist dies ein deutsches Phnomen. Die Angelsach-sen nennen unsere Schnapszahlen nmlich ganz prosaisch numbers with identical digits, also Zahlen mit identischen Ziffern, oder auch: numbers with repeated digits, und auch in den romanischen und slawischen Sprachen scheint es kein eigenes knappes Wort fr Schnapszahlen zu geben. Die Mathematik behandelt sie ebenfalls stiefmtterlich, denn Schnaps zahlen sind auf den ersten Blick zugegebener-maen ein wenig banal. Dabei existieren einige leicht zu zeigende, ganz reizvolle Beziehungen, welche Schnapszah-len involvieren. Davon sollen in dieser Kolumne einige vor-gestellt werden.

    Meist wird die Mathematik gepriesen, indem auf ihre allgegenwrtige Ntzlichkeit verwiesen wird: Unsere Fort-bewegung im Auto, Zug oder Flugzeug, unsere Kommuni-kation per Telefon und Computer, die ganze elektronische Unterhaltung, all dies gbe es nicht ohne Mathematik. Wohl wahr. Wenn man so fr Mathe wirbt, schwingt un-terschwellig manchmal aber mit, dass das Betreiben von Mathe ein bisschen langweilig, mhsam oder gar tzend sei, nach dem Motto: Ohne Flei und Schwei kein Preis. Ich will nicht behaupten, Mathematik sei leicht. Bekannt ist die Antwort Albert Einsteins an eine Studentin, die ber ihre Schwchen in Mathe geklagt hatte: Machen Sie sich keine Sorgen ber Ihre Schwierigkeiten in Mathematik; ich kann Ihnen versichern, meine sind noch grer. Aber ich mchte betonen, dass man mit spielerischer Leichtig-keit auch und gerade in Mathe ganz schn weit kommen kann. Schlielich kann jeder von uns zhlen. Und Mathe kann Freude machen, nur dass manche dies auf der Schule versumen zu entdecken.

    Palindrom-GeneratorenAls Palindrom bezeichnet man ein Wort, das rckwrts gelesen dieselbe Bedeutung hat wie von vorn. Besonders schlichte Beispiele sind Anna und Otto, schon etwas reizvoller ist der Rentner. Weil das Chinesische keine Buchstabensprache ist, kann es keine solchen Wortpalin-drome haben. Daher werden Stze, die von hinten gelesen dieselbe Bedeutung haben wie von vorn, mitunter als chi-nesische Palindrome bezeichnet. Mit dem amerikanischen Wort fall fr Herbst erhlt man beispielsweise fall leaves after leaves fall.

    Auch die Mathematik kennt Palindrome. Das sind Zah-len, die sich bei einer Umkehrung der Ziffernfolge nicht ndern: 121 oder 8.338. Die einfachsten Zahlenpalindrome nennen wir Schnapszahlen: 11 oder 666 oder 9.999. Be-trachten wir sozusagen als normierte Schnapszahlen jene, die aus der Ziffer 1 bestehen. Zwei solche Einser-Schnaps-zahlen nennen wir aufeinander folgend, wenn sich ihre Anzahlen von Ziffern nur um Eins unterscheiden, z. B. 111 und 1.111. Dann gilt folgende Eigenschaft:

    Satz 1 Die Multiplikation zweier aufeinander folgender Einser-Schnapszahlen sowie das Quadrieren zweier Einser-Schnapszahlen resultieren in Palindromen.

    Die Gestalt der so erzeugten Palindrome lsst sich bri-gens explizit angeben. Auf diese Weise wird eine unendli-che Folge von Palindromen generiert, wie folgender Zah-lenturm illustriert. Auf dem Taschenrechner lassen sich diese Gleichungen nicht mehr nachprfen. Aber im Netz erhalten Sie Zugang zu einem sogenannten big number calculator unter der Adresse http://world.std.com/reinhold/BigNumCalc.html. 1 1 = 1 1 11 = 11 11 11 = 121 11 111 = 1.221 111 111 = 12.321 111 1.111 = 123.321 1.111 1.111 = 1.234.321 1.111 11.111 = 12.344.321 11.111 11.111 = 123.454.321 11.111 111.111 = 1.234.554.321 111.111 111.111 = 12.345.654.321 111.111 1.111.111 = 123.456.654.321 1.111.111 1.111.111 = 1.234.567.654.321 1.111.111 11.111.111 = 12.345.677.654.321 11.111.111 11.111.111 = 123.456.787.654.321 11.111.111 111.111.111 = 1.234.567.887.654.321 111.111.111 111.111.111 = 12.345.678.987.654.321 1.111.111.111 111.111.111 = 123.456.789.987.654.321 11.111.111.111 111.111.111 = 1.234.567.899.987.654.321 111.111.111.111 111.111.111 = 12.345.678.999.987.654.321

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    Hinweis

    IndernchstenAusgabeerscheinteinweitererBeitragausderSchnapszahl-KolumnevonProf.Hassler.

    Uwe Hassler studierteMathematikundVolks-

    wirtschaftslehreanderFreienUniversittBer-

    lin, wo er 1993 promoviert wurde und 1998

    nachseinerHabilitationdieLehrbefugnisfr

    das Fach Statistik und konometrie erhielt.

    NachTtigkeitenanUniversitten inMadrid,

    Mnster, Mnchen und Darmstadt nahm er

    2003denRufaufdieProfessurfrStatistikundMethodender

    konometrieanderGoethe-UniversittFrankfurtan.Einessei-

    nerHobbiesistdieElementareZahlentheorie.

    WelcheSchulewirdBundessiegerimEnergiesparen?

    Die Kampagne Klima sucht Schutz hat im Rahmen des Energiesparmeister-Wettbewerbs die besten Klima-schutzprojekte an Schulen ausgezeichnet. Welche Schule Bundessieger wird, entscheiden die Internetnutzer ab 15. April bei einem Online-Voting.

    In Schulen wird bis zu 70 Prozent mehr Energie ver-braucht als in anderen ffentlichen Gebuden. Das muss jedoch nicht sein: Oftmals kann der Energiever-brauch in Schulen bereits durch einfache Verhaltensnde-rungen im Alltag deutlich gesenkt werden. Hier setzt der Energiesparmeister-Wettbewerb an. Ziel des Wettbewerbs ist es, Schulen, Lehrkrfte, Schler und deren Eltern fr das Thema Energiesparen zu sensibilisieren und tolle Kli-maschutz-Projekte an Schulen bekannt zu machen. Jedes Jahr knnen sich Schler und Lehrer mit ihren Energie-sparprojekten bewerben und tolle Preise gewinnen.

    DasbesteSchulprojektinjedemBundeslandErstmals zeichnete die vom Bundesumweltministerium gefrderte Kampagne Klima sucht Schutz in diesem Jahr das beste Schulprojekt in jedem Bundesland aus. Die Vielfalt der eingereichten Projekte war gro: Von Energiespardetektiven ber Mlltrennungskampagnen bis hin zu Mobilittsprojekten ist dieses Jahr alles da-bei, sagt Steffi Saueracker, Projektleiterin des Schul-wettbewerbs. Jeder der 16 Gewinner darf sich nun auf ein Preisgeld in Hhe von 2.500 Euro sowie auf eine Videokamera mit Schnittprogramm freuen. Die feierli-che Preisverleihung zu der alle Gewinner eingeladen werden, findet am 31. Mai 2013 auf der YOU, der Leit-messe fr Jugendkultur, in Berlin statt.

    StimmenSiefrIhrenFavoritenDoch damit nicht genug: Die Energiesparmeister-Schu-len haben zudem die Chance, Energiesparmeister Gold zu werden und ein zustzliches Preisgeld zu ge-winnen. Vom 15. April bis 5. Mai 2013 knnen die Inter-netnutzer auf www.energiesparmeister.de abstimmen, welche der 16 Energiesparmeister-Schulen Bundessie-ger wird. Wer fr seinen Favoriten votiert, hat die Chan-ce, viele Energiesparpreise zu gewinnen. Die Hauptprei-se: Zwei Giant-Talon-Bikes sowie Festivaltickets fr das Melt! und das Splash!.

  • MINTZirkel Mrz/April2013 Wissen| 7

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    Biochemie

    AuswievielMetallbestehtderMensch?Wir tragen kleine Schtze in uns, von deren Gegenwert man zwar kein Millionr werden wrde, die fr unseren Krper jedoch unent-behrlich und lebenswichtig sind. Der gesun-de Mensch besteht zu 0,53 Massenprozent aus Metallen.

    Dass Metalle einem Roboter innewohnen, ist bekannt aber was haben sie im Men-schen zu suchen? Eine ganze Menge ohne Metalle wre der menschliche Krper nicht betriebsfhig. Eine buchstblich tragende Rolle spielt hierbei insbesondere ein Metall: das Calcium. Es ist ein wichtiger Bestand-teil unseres Skeletts und ist der am hufigs-ten vertretene Mineralstoff unseres Kr-pers. Zentrale Funktionen wie Muskelkon-traktion und Zellteilung knnen ohne Calcium nicht ablaufen.

    Zuvielistzuviel:ToddurchKaliumchloridUndenkbar wre auch das Fehlen des Alka-limetalls Natrium,zusammen mit seinem

    Gegenspieler Kalium spielt es eine Schls-selrolle bei der Weiterleitung der Nerven-impulse. Natrium ist ein wichtiges extra-zellulres Elektrolyt im menschlichen Kr-per und wesentlich an der Regulation des Wasserhaushaltes und des Sure-Basen Gleichgewichtes im Krper beteiligt.

    Kalium ist das wichtigste intrazellulre Kation und essentiell fr die physiologi-schen Prozesse jeder Zelle des Krpers. Es wird bentigt zur Aufrechterhaltung eines gesunden Blutdrucks und zur Regulation des Zellwachstums. Zudem spielt es eine wichtige Rolle bei der Kohlenhydratverwer-tung und Eiweisynthese.

    Doch auch hier gilt: Die Menge macht den Stoff zum Nahrungsmittel oder zum Gift. In den USA werden Kaliumchlorid-In-jektionen zur Vollstreckung der Todesstra-fe verwendet. Da bei dieser Art der Ttung keine Schden am Organ entstehen, kn-nen diese fr Transplantationszwecke wei-terverwendet werden.

    In aller Munde einer mden Gesellschaft ist Eisen. Ein Mangel wird fr Schlappheit und Ener-gielosigkeit verantwortlich gemacht und vor allem Frauen achten auf ihren Ei-senspiegel. Kaum ein Lebe-wesen kommt ohne dieses Spurenelement aus. Im menschlichen Krper sind 67 Prozent des Eisens an das Hmoglobin gebunden, welche den Hauptbestand-teil der roten Blutkrper-chen bilden. Die Eisenio-nen sind mageblich fr die Bindung des Sauerstoffs verantwortlich, damit die-ser durch den Krper trans-portiert werden kann. Ei-sen ist weiterhin Bestand-teil von Enzymen der Atmungskette und wird so-mit zur Energiegewinnung aus Glucose bentigt. Bei der Synthese von DNA und dem Abbau reaktiver Sauer-stoffradikale spielt es eben-falls eine Rolle.

    ZinkgegendenInfekt,MagnesiumgegendenKaterWas Eisen fr die Frau ist, ist Zinkfr den Mann. Vor allem bei Kinderwunsch wird Mnnern empfohlen, vermehrt Zink zu sich zu nehmen. Der wohl bekannteste Vertreter, der seine Manneskraft aus den Zinkvorrten der Auster schpfte, war der fr seine zahlreichen Liebschaften bekann-te Casanova. Zink wird auerdem einge-setzt zur Bekmpfung von Infekten laut einiger Studien soll es die Dauer einer Er-kltung um die Hlfte reduzieren. Zink ist in ber 300 Enzymen nachgewiesen wor-den, in allen sechs Enzymklassen ist es als Bestandteil vertreten.hnlich steht es um das Magnesium: Zahl-reiche Enzyme zehren davon, erst durch Magnesium werden sie wirksam. Als Zent-ralion des Chlorophylls spielt es fr die Photosynthese der Pflanzen eine promi-nente Rolle.

    Der menschliche Krper enthlt fast zehn Mal so viel Magnesium wie Eisen. Es wird vor allem in den Knochen und den Skelettmuskeln gespeichert. Der Genuss von Alkohol fhrt dazu, dass vermehrt Ma-gnesium ber die Nieren ausgeschieden wird. Werden Magnesium und Wasser vor einer rauschenden Party eingenommen, sollte der Kater am Morgen danach nicht allzu schlimm ausfallen.

    KupferfrblauesBlutEine 70 Kilogramm schwere Person besteht zu ca. 72 Milligramm aus Kupfer. Im menschlichen Organismus ist es Bestand-teil vieler Enzyme, von denen einige fr den Eisenstoffwechsel und damit fr die Synthese von Hmoglobin den roten Blutkrperchen verantwortlich sind. Eine viel zentralere Rolle spielt Kupfer jedoch beim Sauerstofftransport der Spinnen, Skorpione, Tintenfische und der meisten Schnecken. Das zum Hmoglobin funktio-nal quivalente Hmocyanin enthlt Kup-fer, anstatt wie bei uns Eisen, und beschert diesen Lebewesen tatschlich blaues Blut.

    All diese Metalle mssen dem Krper ber die Nahrung zugefhrt werden. Viele Metalle (siehe Tabelle enthlt der Mensch nur in Spuren), ihre Funktion fr den Or-ganismus ist nicht immer bekannt. Einen Mangel zu erleiden, ist hierzulande auf-

    grund der Lebensmittelversorgung aber hchst unwahrscheinlich.Unser Krper nimmt jedoch nicht nur die fr ihn essentielle Metalle auf. Neben Alu-minium, Barium, Cadmium, Csium,BleiundStrontiumenthalten wir auer-dem Spuren von Silber,GoldundUran. Fr die winzigen Mengen Gold wrde sich jedoch kein Suchtrupp ins Innere lohnen es besitzt einen Gegenwert von ein paar Cent. Abgesehen davon sind diese Metalle toxisch und sollten besser wirklich in einer Schatztruhe begraben, als im Krper ver-wahrt werden. ph

    Metall MengeimKrpereiner70kgschwerenPerson

    Calcium 1.000g

    Kalium 140g

    Natrium 100g

    Magnesium 25g

    Eisen 4,2g

    Zink 2,3g

    Kupfer 72mg

    Zinn 20mg

    Vanadium 20mg

    Chrom 14mg

    Mangan 12mg

    Molybdn 5mg

    Cobalt 3mg

    Nickel 1mg

    Quelle: John Emsley

    Weitere Informationen

    Emsley, John (2003): Sonne, Sex und Schokolade Mehr Chemie im Alltag. Wiley-VCH Verlag

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    Pia

    Hub

    er

  • 8 |Praxis Mrz/April2013 MINTZirkel

    Satzspiegel-Ende

    Seiten-Ende

    Unterrichtsvorschlag

    KleineWrfel,groeOberflchenEinModellexperimentvonTimmWilke,SebastianGerkeundThomasWaitz

    Wie klein ist eigentlich nano? Auch wenn Schlerinnen und Schler mathematisch die Gre eines Nanometers als 10 9 beschrei-ben knnen, bleibt diese Dimension dennoch schwer vorstellbar. Anhand eines Modell-experimentes soll ber Vergleiche mit be-kannten Objekten ein fassbarer Zugang zur Gre der Oberflche eines Wrfels ermg-licht werden, die sich durch mehrfache Teilung dieses Objekts ergibt.

    V ielen Schlerinnen und Schlern ist der Begriff Nano bereits aus den Medien bekannt, ohne dass sie jedoch eine klare Vorstellung ber die konkrete Gre dieser Dimension besitzen. In einer krz-lich durchgefhrten Untersuchung in den Sekundarstufen I und II wurde zudem deutlich, dass in allen Jahrgngen viele Fehlvorstellungen und Unsicherheiten zu dieser Grenangabe verbreitet sind. So wurde auf die Frage, was unter Nanoparti-keln zu verstehen sei, beispielsweise geant-wortet, es handle sich um winzig kleine Partikel, kleiner als Atome oder um kleinste Teilchen, die etwas mit Elektrizitt zu tun haben. Konkrete Grenangaben, wie etwa 10 9 m, konnten nur wenige Teilnehmer in der Oberstufe nennen. Um Schlerinnen und Schlern eine Vorstel-

    lung von den Dimensionen des Nanokos-mos zu vermitteln, bietet es sich an, mit-hilfe der Teilung eines Wrfels in einem Modellexperiment diese Dimension zu-nchst mathematisch zu beschreiben und das Ergebnis anschlieend in Relation mit bekannten Gren zu setzen.

    Auf den ersten Blick erscheint es schwie-rig, die Oberflche so vieler Nanowrfel mathematisch zu beschreiben; wir versu-chen hier allerdings zu zeigen, dass dies jedoch mit ein wenig strukturierter Hilfe-stellung von Schlerinnen und Schlern zu bewltigen ist.

    Dabei ist es besonders hilfreich, den Vorgang der Teilung zunchst an echten Wrfeln zu demonstrieren. Aus der Auf-gabenstellung 1 kann entnommen werden, dass die gesuchte Formel aus zwei Elemen-

    ten besteht: der Wrfelanzahl und deren jeweiliger Oberflche, wobei die Teilformeln aus einfachen Zahlenfolgen hergeleitet wer-den knnen. Die Tabelle verfolgt dabei das Ziel, den Schlerinnen und Schlern die Ergebnisse zu visualisieren und somit das Herleiten der Formeln zu erleichtern; mit der vorgegebenen Zeile fr 12 Teilungen knnen dabei Hypothesen selbststndig durch die Schlerinnen und Schler auf Richtigkeit berprft werden.

    Nachdem die Formel erfolgreich aufge-stellt wurde, kann sie in den folgenden Aufgaben einen ersten Zugang zur Veran-schaulichung nanoskopischer Gren-verhltnisse ermglichen. Aufgrund des exponentiellen Zusammenhanges erhlt man schon nach 17 Teilungen Wrfel, die mit einer Kantenlnge von weniger als 100 nm als nanoskalig definiert werden. Nach 21 Teilungen ist die gesuchte Gre von etwa 5 nm erreicht. Die Oberflche steigt dabei im hnlichen Mae, wie die Kantenlnge sinkt; im Vergleich zu einem Handballfeld mit einer Oberflche von 800 m betrgt die des geteilten Wrfels nun 1.258 m2. Eine gute greifbare Alter-native bietet an dieser Stelle auch der Ver-gleich mit einem Klassenraum, dessen Oberflche die Schlerinnen und Schler selbst schtzen oder einfach messen kn-

    nen. Die abschlieende Aufgabe 3b zielt ebenfalls darauf ab, die groe Oberflche mit der Flche bekannter Objekte zu ver-gleichen. Allerdings muss hier bercksich-tigt werden, dass eine Angabe wie Lu-xemburg oder 2.600 km 2 ebenfalls nur schwer greifbar ist an dieser Stelle wird vielmehr die Intention verfolgt, die Sch-lerinnen und Schler ein eindrucksvolles Rechenbeispiel mit groen Zahlen durch-fhren zu lassen.

    Zusammenfassend bietet dieses Modell-experiment zum Oberflchen-zu-Volumen-Verhltnis die Mglichkeit, den Schlerin-nen und Schlern mittels anschaulicher Beispiele einen Eindruck dessen zu geben, was durch Zahlen allein kaum beschrieben werden kann. berdies entspricht die Er-zeugung kleinerer Strukturen durch die Teilung grerer dem Top-Down-Prinzip zur Herstellung vieler Nanomaterialien, welches im Anschluss behandelt werden kann. Fcherbergreifend werden einige grundlegende Inhalte der Mathematik wie-derholt und angewendet. Weitere methodi-sche Mglichkeiten oder Differenzierungen durch Verwendung von Regressionen zur Formelbestimmung oder den Einsatz von Taschenrechnern und / oder Excel stehen der Lehrkraft dabei ebenfalls zur Verfgung.

    Foto

    lia

    KompetenzorientiertesSpielen

    HandelnbekommtdurchWisseneineneueQualitt!

    W ir knnten in unserem Unterricht weiter machen wie bisher. Unsere Sammlungen haben sich in den letzten Jahrzehnten wenig verndert. Wenn nicht die Verpackungen der Materialien immer moderner geworden wren, knnte man daraus ein Museum machen. Auerhalb der Schule aber tobt der technische Fort-schritt. Immer neue Gerte, immer neue Erkenntnisse, immer neue Anforderun-gen an die Kompetenzen der Menschen, von denen intelligentes Handeln verlangt wird. Kompetenzorientiertes Spielen kann da eine wichtige Rolle in der Moder-nisierung von Schler-Versuchen ber-nehmen.

    Mein letzter Beitrag ging um tanzende Weintrauben in Mineralwasser, mit dem die zentrale Rolle der freien Beobach-tung herausgestellt und ihre Einbung im Unterricht gezeigt wurde (vgl. MINT Zirkel 5 +6 / 2012). Diesmal geht es um die Kompetenz Probleme lsen.

    Nach vielen Versuchen haben die Sch-lerinnen und Schler gelernt, ihre eige-nen Beobachtungen ernst zu nehmen und beginnen, diese mit der Fachsprache zu beschreiben. Darauf aufbauend kann man eine andere wichtige Funktion von Spielsachen im Unterricht zum Einsatz bringen: Wissen nutzen, um Probleme zu lsen.

    WisseninintelligentesHandelnumsetzenIhre Schler haben im Unterricht die Grundlagen eines Elektromotors aus-

    reichend kennengelernt: Im Feld eines Feldmagneten erzeugt ein elektrischer Strom eine Kraftwirkung / Drehmoment, senkrecht zur Stromrichtung und zum Magnetfeld. Durch die Bewegung des Ro-tors muss ein Kommutator jeweils die richtige Spule mit Strom versorgen, damit ein maximales Drehmoment entstehen kann. Ihre Schlerinnen und Schler ha-ben praktische Beispiele von Motoren kennengelernt und knnen grundlegende Strukturen in diesen Beispielen wiederer-kennen.

    Dann kann diese Kompetenz durch fol-gendes Experiment spielerisch gezeigt werden. Hierzu braucht man Neodym Magnete mit ca. 10 mm Durchmesser (z. B. bei ebay 1 Euro / Stck), Schrauben 3 cm 5 mm aus ausreichend gut leiten-dem Material am besten vorher auspro-bieren, 1,5 V Batterien und ein ca. 10 cm lange Kabel (siehe Abbildung).

    DasExperimentFragestellung: Wie lsst sich aus den 4 Tei-len (Batterie, Magnet, Kabel, Schraube) ein Elektromotor bauen?

    Durchfhrung: Probiere anhand deines Wissens ber die Funktion eines Elektro-motors, aus den vier Teilen einen schnell drehenden Elektromotor zu bauen. Nutze dabei deine Kenntnisse aus dem Unter-richt. Achte darauf, die Batterie nicht zu lange kurzzuschlieen!

    1. Beschreibe dein Vorgehen, wie du zu einer Lsung gekommen bist. Welche Kenntnisse hast du beim Bau genutzt?

    2. Erstelle mit deinem Motor mindes-tens 8 einzelne Beobachtungen, von denen du 3 mit Fachbegriffen auswer-ten sollst.

    3. Bereite ein Kurzreferat ber die Funk-tion deines Motors vor (z. B. wo ist der Kommutator?).

    Kar

    l-Wol

    f H

    offm

    ann

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    Dr. Karl-Wolf Hoffmann ist

    LehrerinderSekundarstufeI

    undFortbildnerfrNaturwis-

    senschaften und Mathema-

    tikinFrankfurtamMain.Er

    lehrtzukompetenzorientier-

    terLernorganisationmithe-

    terogenenLerngruppenundgingfrdenMINT

    ZirkelaufEntdeckungstournachSpielsachen

    frdenUnterricht.

  • MINTZirkel Mrz/April2013 Praxis| 9

    Satzspiegel-Ende

    Seiten-Ende

    Arbeitsblatt: Nanotechnologie

    KleineWrfelgroeOberflchen:einModellexperiment

    DiebesonderenEigenschaftenvielerNanomaterialienberuhendarauf,dassdiesiebildendenTeilchenbereingre-resOberflchen-zu-Volumen-Verhltnisverfgenalsnicht-nanoskaligeMaterialien.DurchdiesevergrerteOberflcheknnenNanoteilchenbeispielsweisebesondersgutmitanderenSubstanzeninihrerUmgebungwechselwirkenundwerdendaheretwaalsKatalysatoreningrotechnischenProzessenwiederTreibstoffherstellungeingesetzt.Umzuermitteln,wiegrodieOberflcheeinesKrperswird,wennmanihninnanoskaligeTeilchenzerkleinert,betrachtenwirimFolgendeneinModellexperiment.ZieldiesesExperimentsistes,mathematischzubeschreiben,wiesichdieOberfl-cheeinesWrfelsdurchvielfacheTeilungverndert.

    Vorgehen: TeilenwireinenWrfelmiteinerKantenlngevona=1cmingleichgroeTeile,soerhaltenwirachtneueWrfel,derenKantenlngehalbsogroist,wiediedesursprnglichenWrfels.DiesichdurchdieseTeilungergeben-denWrfelwerdenfolgendebenfallsgeteilt,undzwarsohufig,bisdieresultierendenWrfelnanoskaligeKantenln-generreichen(ca.100nm).

    1. UmdieOberflcheAallerdurchdieTeilungenerzeugtenWrfelzuberechnen,kannstDuselbsteinegeeigneteFormelentwickeln.ErgnzedazudiefolgendeTabelleundleiteanschlieendfrdieeinzelnenSpaltenjeweilseineFormelher.

    Tipp: DieFormelfrdieGesamtoberflchesetztsichausderAnzahlunddenjeweiligenOberflchenderWrfelzusammen.DukannstdeineFormelmitdemErgebnisfrn=12berprfen.

    Teilungen AnzahlderWrfel Kantenlngea[cm] OberflcheA

    0 1 1 6cm

    1

    2

    3

    4

    5

    12 68.719.476.736 1/4.096 24.576cm

    n

    2. Berechneggfs.mithilfedersolve-FunktiondeinesTaschenrechnersodereinemTabellenkalkulationsprogramm(Excel, Calc),wieoftmaneinenWrfelmiteinerKantenlngevon1cmteilenmuss,bisereineKantenlngevonetwa5nmerreicht.

    3. a) EinHandballfeldist40mlangund20mbreitvergleichedessenOberflchemitderdesWrfels,wenndieser21Malgeteiltwurde.

    b) WieoftmussmaneinenWrfelmiteinerKantenlngevon1mteilen,bismindestensdieOberflchevonLuxem-burg(ca.2.600km)erreichtwird?WelcheKantenlngebesitzendieWrfeldann?

    Musterlsungen

    1.Teilungen AnzahlderWrfel Kantenlngea[cm] OberflcheA

    0 1 1 6cm

    1 8 1_2 12cm

    2 64 1_4 24cm

    3 512 1_8 48cm

    4 4.096 1__16 96cm

    5 32.768 1__32 192cm

    12 68.719.476.736 1____4.096 24.576cm

    n 8n 1__2n 8n6(a__2n)

    2

    Klassenstufe:SekundarstufeII

    Fachbereiche:Chemie,Physik,Mathematik

    Lerninhalte:Nanotechnologie,Oberflchen-

    zu-Volumen-VerhltnisvonNanomaterialien

    Kompetenzen:MathematischesModellieren,

    BerechnungderOberflchenvonNanomate-

    rialien,funktionalerZusammenhang

    Download

    www.mint-zirkel.de

    Thomas Waitz studierte dieFcher Chemie und Sport an

    der Justus-Liebig-Universitt

    Gieen.NachdemReferenda-

    riatpromovierteer inderAn-

    organischen Chemie und ar-

    beitetedreiJahrealsStudienratamLandgraf-

    Ludwigs-GymnasiuminGieen.Seit2010ister

    Leiter der Abteilung Chemiedidaktik an der

    Georg-August-UniversittGttingen

    Sebastian Gerke studiert Ma-thematik und Chemie an der

    Georg-August-Universitt Gt-

    tingen.Aktuellschreibterseine

    Masterarbeit inderAbteilung

    fr Chemiedidaktik in Gttin-

    genzumThemaPhotokatalytischeExperimen-

    temitTitandioxidimChemieunterricht.

    TimmWilkestudierteChemieundFranzsischanderGeorg-

    August-Universitt Gttingen

    von 2007 bis 2012. Im An-

    schlussanseineMasterarbeit

    begann er eine Dissertation

    ber die Konzeptualisierung

    von Nanotechnologie fr den Chemieunter-

    richt in der Abteilung fr Chemiedidaktik in

    Gttingen.

    Wilk

    e, G

    erke

    , Wai

    tz

    2. MithilfederFormellsstsichermitteln,dassdieKantenlngederWrfel

    nach21Teilungen4,76109mbetrgt,wasetwadengesuchten5nm

    entspricht.1/221=4,76107cm=4,76109m

    3. a) MitdemErgebnisdervorherigenAufgabeundderFormelfrdie

    GesamtoberflchelsstsichauchdieseAufgabeleichtlsen.Durch

    Einsetzenerhltman:8216(1cm/221)2=12.582.912cm2=1.258m2.Im

    VergleichzueinemHandballfeldmiteinerOberflchevon2040

    =800m2besitztder21MalgeteilteWrfeldemnachmehrals50%

    mehrOberflche.

    b) FrdieTeilungeinesWrfelsmiteinerKantenlngevon1mwird

    ebenfallsdieFormelfrdieGesamtoberflcheverwendet.Elegantlsst

    sichdieseAufgabemiteinemTabellenkalkulationsprogrammlsen,

    dochistdieskeinesfallsVoraussetzung.Nach29Teilungenerhltman

    berdieFormeleineGesamtoberflchevon3.221.225.472mbzw.

    3.221km.DieKantenlngebetrgtdabei1,86nm.Graphische Lsung:

    AlternativknnendieAufgabenauchgraphischgelstwerden.

  • 10 |Praxis Mrz/April2013 MINTZirkel

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    Laborausstattungen

    DerTrendgehtzumComputerExperimentieren gehrt zur Naturwissen-schaft wie die Luft zum Atmen, ohne das Experiment fehlt es der Naturwissenschaft an ihrem Bezug zur Realitt. Gleichzeitig gilt: Kein Experiment ohne die dazu gehri-ge Laborausstattung. Ein berblick ber die Vielfalt an Mglichkeiten, mit denen das Experimentieren im Unterricht gelingen kann.

    MitdemComputerzumerfolgreichenExperimentDie Naturwissenschaften verfgen ber einen groen Fundus an Experimenten, die sich mit der Zeit nicht ndern, da sie die grundstzlichen Methoden und Er-kenntnisse der Wissenschaft vermitteln. Doch auch wenn sich das Repertoire der Schulexperimente im Kern nicht wandelt, so beobachtet man auf Seiten ihrer Umset-zungsmglichkeiten einen stetigen Trans-formationsprozess. In den letzten Jahren werden den Lehrkrften immer mehr an-schauliche Materialien an die Hand gege-ben, die bei der Umsetzung von Versuchen im Schulunterricht behilflich sind. Klassi-sche Ausstatter von Labormaterialien wie Leybold und PHYWE werden dabei durch amerikanische Hersteller wie Vernia und Pasco ergnzt. Dabei haben uns die Ameri-kaner eines voraus: Sie wissen um die effi-ziente Nutzung der sozialen Medien. In der heutigen Zeit werden Laborgerte nicht mehr nur von konventionellen Bedie-nungsanleitungen begleitet. Stattdessen wird neben dem Gert auch der Zugriff auf zahlreiche Unterrichtsvorschlge erwor-ben. So finden die Lehrkrfte auf den Inter-netseiten von Vernia und Pasco kostenlose, ausfhrliche Videos vor, in denen die ein-zelnen Versuche vorgefhrt und erlutert werden. Auch die Internetseite des K12Lab (www.k12lab.com) bietet zahlreiche Inspi-rationen fr einen praxisnahen Unterricht. Jede Lehrkraft hat die Mglichkeit, erfolg-reich durchgefhrte Unterrichtseinheiten ins Netz zu stellen und mit anderen Pda-gogen zu teilen.

    Die digitalen Mglichkeiten beeinflus-sen jedoch nicht nur die Vorbereitung des

    Unterrichts positiv. Auch bei der elektroni-schen Datenerfassung und -verarbeitung hat sich einiges getan. Das Experiment wird um die Schnittstelle Messgert-Computer erweitert, was eine schnelle und einfache Auswertung der Versuche ermglicht. Mit-hilfe des Lab Quest 2, eines Angebotes von Vernier, knnen die von Sensoren erfassten Daten direkt per Computer aufgezeichnet und ausgewertet werden. Der Temperatur-abfall beim Gefrieren von Wasser kann so in Echtzeit auf dem Bildschirm verfolgt werden das Aufnehmen einzelner Mess-punkte per Hand ist nicht mehr ntig. Auch das mathematische Auswerten der Daten wird durch die Software zum Kinderspiel.

    LEGOfrNachwuchsforscherWhrend Experimentieren in der Regel erst in den weiterfhrenden Schulen zum Bestandteil des Unterrichts wird, ermg-licht LEGO Education auch Grundsch-lern einen Hands-on-Approach. Bei diesem Konzept dienen LEGO-Steine als Grundele-mente fr naturwissenschaftlich-techni-sche Experimente. Durch das Bauen von realittsgetreuen Maschinen wie Windr-dern und deren energetischer Vermessung wird den Kindern ein intuitiver Zugang zu

    naturwissenschaftlichen Phnomenen ver-mittelt. Dabei spricht ein entscheidender Faktor fr die Verwendung von LEGO Edu-cation: die Meinung der Lehrerinnen und Lehrer, bei denen sich LEGO Education gro-er Beliebtheit erfreut. Selbst weniger technikbegeisterte Pdagogen finden mit einem angemessenen Zeitaufwand einen leichten Zugang zur Materie. LEGO Educa-tion bietet jedoch auch Programme fr Schlerinnen und Schler hherer Klas-senstufen. Die Jungforscher werden an je-dem Schritt des Experiments beteiligt vom Programmieren der Software bis zur Auswertung des Versuchs. Dadurch bietet sich ihnen ein groer Handlungsspiel-raum, der verschiedene Disziplinen ver-eint. Mit LEGO Mindstorms kann zum Beispiel ein fahrender und mit Sensoren ausgestatteter Roboter konstruiert wer-den, der die Temperaturverteilung eines Klassenzimmers vermisst.

    WennGeldundZeitfrsExperimen-tierenfehltInwiefern die neuen Lehrmittel genutzt werden knnen, hngt jedoch immer von der jeweiligen Schule und ihrem Budget ab. Einen weiteren Stolperstein stellt der

    Zeitaufwand dar, den Lehrkrfte zur selbst-stndigen Einarbeitung in neue Techniken und Gerte bentigen. Fr den direkten Einsatz gedacht sind daher sogenannte Ex-perimentierkoffer. Diese beinhalten alle fr ein Experiment bentigten Materialien und werden meist in Verbindung mit einer Fortbildung angeboten. Fehlt das ntige Kleingeld fr Gerte stehen zudem auer-schulische Lernorte und Schlerlabore zur Verfgung. Diese bieten ein groes Spekt-rum an Angeboten (vgl. Seite 11). Findet man kein solches Angebot in der nheren Umgebung, bleibt noch der Rckgriff auf Interaktive Bildschirmexperimente (IBE). Inwiefern die Schler aus diesen Experi-menten aus der Dose Gewinn ziehen, liegt ganz an der Vor- und Nachbereitung der Lehrkraft. Auch Computersimulatio-nen, an denen die Schler schrauben drfen, knnen ihren Zweck erfllen.

    Was die Laborausstattung in Laboren ob an Schulen oder in auerschulischen Lern-orten angeht, zeichnet sich ein Trend hin zu computerbasierten Methoden ab. Letzt-endlich ist es aber weniger die Ausstattung als vielmehr das Knnen der Lehrkraft, welche zum Lernerfolg fhrt. ph

    DasSchlerlabor:ZweiModelleDer Mitmach-Charakter von Schlerlaboren unterscheidet sich mitunter stark. Whrend in manchen Laboren das eigenstndige Er-forschen im Mittelpunkt steht, ist es in an-deren den Schlern sogar untersagt, mit bestimmten Experimentiergerten zu han-tieren. Zwei Beispiele aus Mnchen zeigen die gegenstzlichen Positionen.

    ForschenimMuseumDas TUMlab, das Experimentierlabor der Technischen Universitt Mnchen, befin-det sich im deutschen Museum. Alle Inter-essierten ab 10 Jahren knnen hier ihrem Forscherdrang nachgehen und Roboter bauen, Sterne finden oder eine Fertigungs-strae steuern. Diese Einrichtung ist ein Beispiel fr Labore, die Wert darauf legen, dass wirklich jeder Schler Hand anlegen kann und die Versuche selbst durchfhrt. Betritt man den Raum dieses Labors sind

    alle Schlerinnen und Schler fleiig am Tfteln. Zur Philosophie gehrt hierbei, dass die Versuche und die Versuchsaufbau-ten mglichst durchsichtig und fr die Schler verstndlich angelegt sind, denn es sollen so viele Kinder und Jugendliche wie mglich durch die Experimente er-reicht werden.

    StaunenimLaserlaborIm Gegensatz dazu steht das PhotonLab des Excellenzclusters MAP (Munich-Centre for Advanced Photonics). Das Labor ist momen-tan am Max Planck Institut fr Quantenop-tik auf dem Forschungscampus in Garching untergebracht d. h. am Puls der Forschung. Die Einrichtung mchte vor allem Schle-rinnen und Schler der Jahrgangsstufen 10 bis 13 sowie Hochbegabte frdern. Dement-sprechend exquisit sind die Laborgerte. Es hat einen besonderen Reiz fr die Schler, mithilfe professioneller Laborausstattung selbst experimentieren zu drfen. Die Sch-lergruppen knnen sich zudem auf ein De-monstrationsexperiment mit einem Femto-sekundenlaser freuen. Die Komplexitt ei-nes solchen Gertes ist ungefhr so hoch wie seine Kosten, die sich bis auf 100.000 Euro belaufen klar, dass die Besu-cher bei solchen Experimenten nur zuse-

    hen drfen. Die Schler verstehen meist nur einen Bruchteil dessen, was sie da se-hen. Das tut dem Lernerfolg jedoch keinen Abbruch. Ganz im Gegenteil. Den Erfahrun-gen von Lehrkrften zufolge ist gerade das Komplizierte und Undurchschaubare ein Erlebnis, welches die Schler fasziniert und nachhaltig im Unterricht motiviert. ph

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    0

    TUM

    lab P

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    nLab

    Zwei Schler bei der Durchfhrung des Optik-experimentsMusikbertragungmitLicht.

  • MINTZirkel Mrz/April2013 Praxis| 11

    Satzspiegel-Ende

    Seiten-Ende

    WALDNER Labor- und Schuleinrichtungen GmbHAnton-Waldner-Strae 10-1688239 Wangen im Allgu Telefon +49 7522 986-504 Telefax +49 7522 [email protected] www.waldner-schule.de

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    WieSchlerlaboreundExperimentedenUnterrichtergnzenFnfFragenanDr.AndreasKratzer,VorstandsmitglieddesBundesverbandsderSchlerlaboree.V.:LernortLabor

    Inwiefern haben sich Schlerlabore als Er-gnzung zum Unterricht etabliert?

    Hierzu ist zunchst zu sagen, dass Schlerlabore ja leider nicht flchende-ckend zur Verfgung stehen. Deshalb ist es nicht fr alle Schulen mglich, sie in den Schulalltag fest aufzunehmen. Im b-rigen zeigt die intensive Nutzung, dass Schlerlabore fr einige Schulen fester und wichtiger Bestandteil der Ausbildung geworden sind.

    Warum wrden Sie Lehrkrften empfehlen, mit ihren Schlern ein Schlerlabor zu be-suchen?

    Die Motivation fr den Besuch eines Schlerlabors ist wohl individuell ver-schieden. Fr mich wre die authentische Umgebung im Schlerlabor und die Be-treuung durch wissenschaftliches Perso-nal das wichtigste Argument fr ein Sch-lerlabor und wrde auch meine Wahl be-einflussen. Dazu kommt natrlich die Mglichkeit, dass sich die Schlerinnen und Schler lnger selbstndig mit einem Thema beschftigen. Der Besuch ist ja aus dem Stundenablauf in der Schule heraus-gelst.

    Besonders wichtig sind Schlerlabore in jedem Fall aber fr Lehrkrfte, die selbst nicht die Mglichkeit haben, mit ihren Schlerinnen und Schlern zu experi-mentieren. Das gilt fr alle Schularten. Auch das Interesse an MINT-Berufen im nicht-akademischen Bereich kann durch das Hands-On-Experimentieren im Sch-lerlabor geweckt oder verstrkt werden.

    Warum ist Experimentieren fr Schlerin-nen und Schler so wichtig? Schon der Mehrwert des Schlerexperi-ments, also des Experimentierens in der Schule, ist unbestritten. Neugier und For-scherdrang sind ja etwas Natrliches. Hier bietet das Schlerlabor mehr Mg-lichkeiten. Durch das praktische Arbei-ten beschftigen sich Schlerinnen und Schler intensiver mit dem Thema und sie knnen im Schlerlabor i. a. eigene Hypothesen auch selbst testen. Das eige-ne Ausprobieren und der haptische Um-gang mit den Materialien verstrken den Lernprozess sehr deutlich. Und es macht einfach auch Spa.

    Was macht ein gelungenes Experiment aus? Da wrde ich sagen: Das Erfolgserlebnis des Experimentators.

    Welche Art von Experiment kommt bei Schlern besonders gut an?

    Ich verstehe gut ankommen als mo-tivierend, sich intensiv damit zu beschf-tigen. Das lsst sich so einfach nicht be-

    antworten. Es spielen sehr viele Faktoren eine Rolle. Insbesondere die Motivation fr das Thema, die Erfahrung mit Experi-menten und auch das fachliche Vorwis-sen. Auch die Art und Arbeitsweise der Betreuerin oder des Betreuers hat einen erheblichen Einfluss.

    Der selbstndige Aufbau eines Experi-ments scheint immer gut anzukommen. Das zeigt auch die Beliebtheit von Kursen, bei denen der Bau im Mittelpunkt steht. Das beinhaltet auch, dass verschiedene Wege mglich sind und im Idealfall indi-viduelle Theorien entwickelt und verifi-ziert bzw. verworfen werden knnen.

    Thema, Alltagsbezug und Umgebung spielen auch eine Rolle. Schlerlabore ha-ben hier aber unterschiedliche Ausrichtun-gen. LernortLabor hat neuerdings eine Kate-gorisierung vorgenommen, die es hoffent-lich erlaubt, auch auf die Klasse abgestimmt, das Richtige zu finden. Ich denke allerdings, dass Schlerlabore aufgrund ihrer Flexibili-tt, wo immer mglich, die Experimente anbieten, die gut ankommen. ph

    Dr. Andreas Kratzer hat

    Physik an der TU Mn-

    chenstudiert.Unteran-

    deremwarermageb-

    lich an der Einfhrung

    des Astrophysik-Projek-

    tesHands-OnUniverse

    inDeutschlandbeteiligt.

    Seit vielen Jahren fhlt

    er sich auch LernortLa-

    borverbundenundistseitderGrndungdes

    BundesverbandesimVereinsvorstandttig.

    Pri

    vat

  • 12 |Markt Mrz/April2013 MINTZirkel

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    Rtsel

    DerFlugderTaubevon Prof. Dr. Heinrich Hemme

    In der Bibliothek der Columbia Univer-sity in New York wird ein italienisches Manuskript aus dem 14. Jahrhundert auf-bewahrt, das unter dem Titel Columbia-Algorismus bekannt ist. Es enthlt 142 Re-chenprobleme, darunter auch etliche Denksportaufgaben, die zum Teil auch heute noch bekannt sind. Die Aufgaben sind vielfach und zum Teil sogar farbig il-lustriert. Einige Bltter des Manuskripts scheinen im Laufe der Jahrhunderte verlo-ren gegangen zu sein, da bei manchen

    Aufgaben der Anfang oder der Schluss fehlt. Der Autor des Manuskripts ist unbe-kannt. Da aber bei vielen Problemen Br-ger der Stadt Cortona, die in der Toskana ein paar Kilometer nrdlich des Trasime-nischen Sees liegt, als Protagonisten auf-treten, darf man wohl annehmen, dass ein Rechenmeister dieser Stadt den Co-lumbia-Algorismus fr seine Schler ge-schrieben hat. Viele berflssige Wieder-holungen in dem Manuskript deuten dar-auf hin, dass der Lehrer redselig und umstndlich war. Das in New York aufbe-wahrte Manuskript ist nicht das Original, sondern nur eine Abschrift, da zahlreiche

    Auslassungen und Fehler auf einen flch-tigen und gedankenlosen Kopisten hin-weisen. Im Columbia-Algorismus taucht zum ersten Mal ein Rtsel auf, dass in zahlreichen Varianten ber die Jahrhun-derte immer wieder verffentlicht wurde und auch heute noch in vielen Rtselb-chern zu finden ist.

    Eines Tages bei Sonnenaufgang fliegt eine Taube von der Spitze eines zehn Klaf-ter hohen Turmes ab. Tagsber fliegt sie 2 __ 3 Klafter abwrts und in jeder Nacht steigt sie wieder um 7 ___ 12 Klafter auf. Wann erreicht die Taube den Erdboden?

    Die Lsung erfahren Sie auf Seite 13.

    TV-Serien

    KpfchenstattBizeps:MINT-DetektiveaufdemVormarsch

    Numbers, Bones, Navy CIS , Crossing Jordan, CSI New York, Las Vegas und Miami: Schier endlos scheint die Zahl der erfolgreichen Krimiserien, bei denen naturwissenschaft-lich versierte Ermittler im Zentrum der Handlung stehen.

    Wissenschaft ist wieder cool (und ver-dankt alles CSI), titelt die walisische Wes-tern Mail und weist darauf hin, dass seit dem Siegeszug der smarten MINT-Ermitt-ler die Anmeldungen fr Studiengnge in chemischen, medizinischen oder biologi-schen Fchern um vier Prozent gestiegen sind. Doch seit wann gibt es eigentlich die-sen scheinbar neuen Typus des Detektivs? Und haben die einsamen Wlfe wie Philip Marlowe oder Horst Schimanski, die zwar auch mit kombinatorischem Verstand, aber vor allem mit Faust und Feuerwaffe agieren, ausgedient?

    HardBoiledalsCodewortfrdasFaustrechtWenn man genau hinschaut, stellt man fest, dass der MINT-Detektiv gar keine so neue Erscheinung ist. Schon der berhm-teste aller Detektive, Sherlock Holmes, war ein Student der Chemie, der auch in Biolo-gie, Botanik und Physik profunde Fach-kenntnisse besa. Seine forensischen Me-thoden und Ermittlungstechniken, darun-ter ballistische Untersuchungen, Sicherung von Fingerabdrcken und der Einsatz ei-nes Mikroskops, steckten zu Holmes Zei-ten, Ende des 19. Jahrhunderts, noch in

    den Kinderschuhen. Auch dank des Ein-flusses der literarischen Figur Sherlock Holmes, der diese Methoden bekannt machte, sind sie heute zu Standardtechni-ken der Kriminalistik geworden. hnliche Ermittlungstechniken wendeten auch an-dere groe Detektivfiguren an, die in der viktorianischen ra oder kurz danach be-rhmt wurden, zum Beispiel Dorothy Say-ers Lord Peter Wimsey oder Agatha Chris-ties Hercule Poirot.

    Doch solche Fertigkeiten traten in den Hintergrund, als ab den 1920er Jahren der Hard-Boiled-Detektiv die literarische Bh-ne betrat. 1919 wird in den Vereinigten Staaten die Prohibition eingefhrt, die Kri-minalitt in den USA steigt im Folgenden rasant an. Der eher intellektuelle Zwei-kampf, den der viktorianische Detektiv mit dem gewieften Verbrecher zu beste-hen hat, wird abgelst durch handfeste Auseinandersetzungen auf der Strae. Po-lizisten, die oft Veteranen der amerikani-schen Kriege waren, kmpften raubeinig gegen Gangsterbanden und das organisier-te Verbrechen. Aber auch im europischen Krimi tummelte sich der einsame Wolf: Ob Nestor Burma in Paris, Kemal Kayankayar in Frankfurt oder Horst Schimanski in Duisburg.

    DieNerdsbernehmendasRuderAnfang dieses Jahrtausends gert der Hard-Boiled-Detektiv ins Hintertreffen. Ermitt-lerteams, wissenschaftliche Spezialisten, Forensiker pltzlich dominiert wieder

    ein intellektueller Typus. Regelrechte Nerds wie der Mathematik-Professor Charlie Epps aus Numbers zum Beispiel. Epps, ein mathematisches Genie, assistiert seinem Bruder Don, der ein FBI-Agent ist. Mithilfe komplexer mathematischer Be-rechnungen versucht Charlie, Verbrechen von Serienttern vorauszusagen und so zu verhindern. Dabei kommen Numerik, Spieltheorie und Fluiddynamik genauso zum Einsatz wie Physik und Informatik. Bei CSI Den Ttern auf der Spur untersucht ein Kriminalisten-Team die Tatorte mithil-fe modernster wissenschaftlicher Metho-den. Unter anderem sind ein in Stanford promovierter Chemiker sowie Genetik-Spezialisten Mitglieder des Ermittlerteams.

    Auffllig zudem, dass bei CSI zwei Foren-sikerinnen im Mittelpunkt stehen. Erschei-nen weibliche Ermittler heutzutage nor-mal, war das vor zehn Jahren noch ein Bruch der Sehgewohnheiten, der den aus-strahlenden Sender CBS lange zgern lie, die Serie auf den Schirm zu bringen. Der Erfolg war jedoch phnomenal und die Wirkung auf die Zuschauer und vor allem Zuschauerinnen ebenso. Die beiden Ermitt-lerinnen und ihr Fachgebiet wurden derart populr, dass inzwischen sogar High Schools Forensik-Kurse anbieten. Laut Co-rinne Marrinan, die die CSI-Serien als Pro-duzentin und Autorin mit aus der Taufe gehoben hat, sind es in den USA heute zu 75 Prozent Frauen, die die forensischen Studiengnge an den Universitten absol-vieren. Seit dem Jahr 2000 bedeutet das ei-nen Zuwachs von 64 Prozent. Frauen haben aktuell mehr als 60 Prozent der Arbeitsplt-ze in den forensischen Laboren inne.

    PolitischesKalklfrdieTV-SerienAuch die Politik hat inzwischen erkannt, welches Potenzial in solchen medialen Rol-lenvorbildern liegt. Die National Academy of Sciences, eines der wichtigsten Bera-tungsgremien der amerikanischen Regie-rung in Wissenschaftsfragen, betreibt mit dem Science & Entertainment Exchange (SEE) in Hollywood ein Programm, das un-ter anderem Kontakte zwischen Vertretern der Entertainmentbranche, Wissenschaft-lern und Ingenieuren herstellt. Ein Ange-bot, das die Unterhaltungsindustrie dank-bar aufnimmt, denn darin liegt die Chan-ce, wissenschaftliche Inhalte fundiert und authentisch zu prsentieren. Prominente Hollywood-Legenden wie Dustin Hoff-

    mann oder Lawrence Kasdan (Autor von Star Wars und Indiana Jones) zhlen bei-spielsweise zu den Untersttzern. Sean Gesell, Hollywood-Produzent und Mitglied des Beirats der SEE, erlutert: Ein Groteil der Macher in der Hollywood-Industrie fhlt sich der Gesellschaft verpflichtet und ist an einer korrekten Darstellung wissen-schaftlicher Zusammenhnge ebenso inte-ressiert wie die Wissenschaftler selbst. Doch nicht nur die Wissenschaftler beleh-ren die Filmemacher, sondern es entsteht ein gegenseitiger Austausch. Das zeigen reale Entwicklungen wie etwa medizini-sche Nanobots, die durch Filme inspiriert wurden.

    Bleibt trotzdem die Frage, wie es zu der Renaissance des wissenschaftlichen, intel-lektuellen Ermittlers kommen konnte, nachdem die Rolle des Detektivs fast acht-zig Jahre von mnnlichen Raubeinen domi-niert wurde. Auffllig ist, dass der Boom der MINT-Detektive nach dem 11. September 2001 einsetzt und zunchst vor allem die amerikanische Fernsehlandschaft prgt. Ne-ben der organisierten Kriminalitt beunru-higt ein neues Trauma, ein neuer Verbre-chertypus die USA. Was soll man einem Selbstmordattentter entgegensetzen, der keine Angst hat, sein Leben zu verlieren und sich im Kampf selbst zu opfern? Pistole und Muskeln sind hier die falschen Mittel. Wir werden trotzdem siegen weil wir mehr Wissen und die bessere Technik ha-ben, so fasst der Medienwissenschaftler Professor Hans-Otto Hgel von der Univer-sitt Hildesheim die Kernbotschaft der MINT-Krimis zusammen.

    Rationalismus, Wissensvorsprung und berlegene Technik sind die Waffen, die eingesetzt werden mssen, wenn die Nati-on in Gefahr gert. Auffllig oft stammen die Antagonisten aus anderen Kulturkrei-sen: Arabische Fanatiker, europische Gangsterbanden, chinesische Triaden. Der Hard-Boiled Detective der alten Schule ver-liert seine Bedeutung, wie man im Vor-spann von Navy CIS deutlich erkennen kann. Gibbs, Leiter des CIS-Teams, Haude-gen und Irak-Veteran, reit in einer ebenso grimmigen wie verzweifelten Geste den Kopf hoch, bevor Schsse fallen und da-nach die amerikanische Flagge und das Capitol eingeblendet werden. Wenn Nati-on und Land bedroht sind, so scheinen die Bilder zu sagen, knnen uns die alten Hel-den nicht mehr helfen. jf

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    HerausgeberDr. Dierk Suhr

    ChefredaktionDr. Benny Pock (V.i.S.d.P.) Tel.: 07 11 / 66 72 - 18 41, [email protected]

    RedaktionPia Huber (ph)

    AutorendieserAusgabeTobias Beck (tb), Holger Dambeck (hd), Joachim Friedmann (jf ), Sebastian Gerke, Prof. Dr. Uwe Hassler, Prof. Dr. Heinrich Hemme, Dr. Karl-Wolf Hoffmann, Dr. Inge Kronberg (ik), David Spitzl (ds), Jun.-Prof. Dr. Thomas Waitz, Timm Wilke

    WissenschaftlicherBeiratJrgen Bhm (Verband deutscher Realschullehrer), Prof. Dr. Helmut von Eiff (Hochschule Esslingen), Petra Evanschitzky (Transferzentrum fr Neuro- wissenschaften und Lernen Ulm), Prof. Dr.-Ing. Peter Eyerer (TheoPrax-Zentrum), Elisabeth Frank (Otto-Hahn-Gymnasium Ostfildern), Prof. Dr. Johanna Heitzer (RWTH Aachen), Prof. Franz Kranzinger (Staatliches Seminar fr Didaktik Stuttgart), Dr. Stefan Kruse (Pdagogische Hoch- schule Schwbisch Gmnd), Prof. Dr. Martin Lindner (Universitt Halle-Wittenberg), Prof. Dr. Peter Menzel (Universitt Hohenheim), Dr. Niki Sarantidou (MINT-EC), Prof. Dr. Roland Stalder (Universitt Innsbruck), Dr. Marco Spurk (Uni- versitt Stuttgart/Fehling-Lab), Klaus Trimborn (Innovationszentrum Schule-Technik.Bochum.NRW.)

    VerlagKlett MINT GmbHRotebhlstrae 77, 70178 StuttgartTel: 07 11 / 66 72 - 0, Fax: 07 11 / 66 72 - 20 04

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