Ein P-Seminar erbaut in den Schuljahren 2013/15 ein Forschungsgewächshaus

Gewinn des Preises „Energie für Bildung“ (--> Mai 2015)

unter dem Titel „Wirklichkeitsnäher kann Unterricht nicht sein“.

Gegenstand des Projektes

Neben unserer Schule untersucht ein Institut für Werkstoffanalytik (ZWL) Oberflächen mit Hilfe eines Elektronenmikroskops und eines Röntgengeräts. Dabei entstehen laufend 2 kW Abwärme.

Dieses Institut will nun Pflanzenoberflächen mit Lotuseffekt untersuchen. Dies auch in Zusammenarbeit mit unserer Schule, die auf diese Weise jugend-forscht-Projekte und Seminare durchführt.

Wir haben einen Plan erarbeitet, die Abwärme für ein Gewächshaus zu nützen, in dem wir, durch einen von Schülern programmierten Microcontroller (Raspberry) gesteuert, bestimmte Klima­situationen einstellen können. Die besondere Anforderung besteht darin, diese Klimabedingungen auch über den Winter zu halten (in der kältesten Januarnacht!) und dennoch kaum Energie außer der vorhandenen Abwärme der Geräte zu verbrauchen. Dies wird durch Puffer- und Steuerungs­lösungen erreicht. Die el. Energie für die Steuerung erntet ein Photovoltaikpaneel, das durch ein Spiegelsystem bestrahlt wird, welches der Sonne folgt.

Das Projekt verbindet theoretische und praktische Arbeiten an der Schule mit ökologisch effektiver Anwendung in Zusammenarbeit mit einem außerschulischen Forschungsinstitut. Das ist nicht alltäglich!

Dadurch wird die Notwendigkeit und der Reiz technischer Problemlösungen motiviert und bei der im folgenden Jahr anstehenden Berufswahl der Schüler relevant. Das Projekt richtet sich erst an einen Oberstufenkurs beim Bau, dann als Angebot für alle Schülerinnen und Schüler als Forschungsmöglichkeit (jugend forscht, Wahlkurse, Seminare).

Drei Hauptziele

• Schüler erfahren, dass sie mit technischer Kompetenz wirksam zu ökologischen Aufgaben und sinnvoller Energienutzung beitragen können. Bekanntmachen als öffentlichkeitswirksames Beispiel.
• Nutzung von ansonsten vergeudeter thermischer Energie zur Züchtung von Pflanzen, deren Oberflächeneigenschaften mit hochauflösender Bildgebung erforscht werden sollen.
• Bereitstellen einer Forschungsumgebung für Pflanzen bei einstellbaren Umweltbedingungen in Zusammenarbeit von Schülern und einem Hochtechnologielabor.

Umweltrelevanz der Problemstellung

Mit unserer Lösung der gesteuerten Abwärmenutzung kann eine separate Heizung des Forschungs-gewächshauses über das gesamte Jahr hinweg eingespart werden.

Die Erforschung von Lotusoberflächen mit Hilfe von innovativen Echtzeitmethoden im Elektronenmikroskop ist Grundlagenforschung, deren Umweltrelevanz sich noch zeigen wird.

Stand der Arbeiten

• Erfassung der Problemlösemöglichkeiten, Erstellen des Konzepts
• Planung der Software zum Erfassen der Sensoren und der daraus folgenden Steuerung von passiven Komponenten wie Klappen und aktiven Komponenten wie Lüftern und Pumpen
• Bau des Treibhauses inklusive Fundament
• Einbau des Teichs inklusive Unterlüftung zu dessen Temperaturregulierung
• Wärmeschrank, dessen Klimabedingungen gesondert reguliert werden.

Aktuelle Arbeiten

• Wir wollen unseren Aufbau nun durch ein Wasserbecken mit Wärmetauscher, Sensor- und Steuerungseinheit ergänzen.
• Dies wird in Winternächten als Temperaturpuffer wirken und so sogar noch die Notheizung überflüssig machen, also ganz im Sinne des Projekts noch weiter Energie sparen.
• Der Teich erweitert die Forschungsmöglichkeiten nicht nur auf Wasserpflanzen, sondern auf ein gekoppeltes Land-Wasser-Ökosystem, ermöglicht also komplexere Beziehungen.
• Fertigstellen des Moduls, das die Luftströme und die Heizleistung steuert

• Photovoltaik zur Energieversorgung, speziell der Steuerung, der Belüftung und der Pumpen etc.
• Kameras, die den aktuellen Zustand live ins Internet übertragen (auch zur Ferndiagnose)

Kosten

Gewächshaus                            3900 €          davon

                                                                         2500 € durch einen Wettbewerbsgewinn (Sparda) finanziert

                                                                         1400 € durch das ZWL (Institut für Werkstoffanalytik)

Verschattung, Einrichtung       800 €          Elternvereinigung unserer Schule sowie privat

Forschungspflanzen                    -               Botanischer Garten in Erlangen

Teich, Wärmetauscher            1000 €          Wettbewerbsgewinn (gvs)

Nachgeführtes Spiegelsystem   …             aus einem vergangenen Wettbewerbsprojekt

Sämtliche Aufbauarbeiten     Eigenleistung  P-Seminar des CJT-Gymnasiums. Dabei anfallende

     Materialkosten        knapp 3000 €          (geschreinerte Einbauten, Steuerungselektronik, ...)

Fundament, Erdarbeiten        Sachleistung   erbracht durch das ZWL (Institut für Werkstoffanalytik)

                                                                         (angenommener Gegenwert von 2600 €)

Stahlrahmen für das Klappensystem und den Luftkanal des Steuerungsmoduls

                                                    3800 €         Finanzierung noch offen

Weiterführung

Der nächste Schritt ist die Einsiedelung der zu untersuchenden Pflanzen und die Tests bei verschiedenen Jahreszeiten (1. Phase). Dann beenden die Schüler, die für den Bau verantwortlich sind, ihr Seminar.

Danach werden andere Schülergruppen die oben beschriebenen ökologischen Fragestellungen erforschen (Biologie) bzw. in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstoffanalytik die pflanzlichen Lotuseffekt-oberflächen untersuchen (Physik) (2. Phase).

Beide Phasen strahlen als Leuchtturmprojekt zur Umweltbildung in die Öffentlichkeit aus.

(Projektbeschreibung für einen Förderantrag, Stand Anfang 2015)