1. Klimatag am Gymnasium Lohr

Ruf, Markus,

12. September 2019,

MINT

1.    Klimatag am Gymnasium Lohr

Mittwoch, 24. Juli 2019, 14 Uhr: 36,4 °C im Schatten

Ist das schon der Klimawandel oder ist das (schon wieder) nur Extremwetter? Und am nächsten Tag soll es noch heißer werden!

Mit dem Thema Klimawandel beschäftigte sich die achte Jahrgangsstufe des Franz-Ludwig-von-Erthal-Gymnasiums an diesem sehr warmen Tag. Im ersten Teil der Fachschaft Physik sollten mögliche Ursachen theoretisch und in Experimenten erfahren werden – v.a. durch eine Steigerung der CO₂-Konzentration in der Luft.

Neben Recherchen im Internet u.a. beim Deutschen Wetterdienst (dwd) und einem Vergleich der Wetterdaten der letzten Jahre konnten die Schülerinnen und Schüler anhand ausgesuchter Experimente eines „Klimakoffers“ mögliche Einflüsse und Auswirkungen auf das Klima praktisch erproben.

Der „Klimakoffer“ ist eine Sammlung von Experimenten zum Thema Klimawandel. Entwickelt wurde er von Frau Dr. Cecilia Scorza und Herrn Prof. Harald Lesch an der Physik-Fakultät der LMU München. Beide besuchten das Gymnasium letzten Herbst im Rahmen des Regionalforums MINT100 (MINT-EC) und stellten dabei den „Klimakoffer“ vor.

Nun durften die Schülerinnen und Schüler der achten Jahrgangsstufe Experimente zu den Themen Gleichgewichtstemperatur und Albedo der Erdoberfläche, Erwärmung verschiedener Luftschichten, Absorption von Wärmestrahlung durch CO₂, anthropogener Treibhauseffekt,

Klimapuffer Ozeane, Sonnenstrahlung und die Klimazonen der Erde und Anstieg des Meeresspiegels durchführen. Eine kurze Zusammenfassung vervollständigte das Bild, dass wir Menschen es selbst in der Hand haben. Große Sorge bereitete v.a. die Erkenntnis des Teufelskreislaufs zur Erderwärmung. Wenn mehr Eis von der Erdoberfläche schmilzt verliert die Erde viele weiße Flächen – sie wird „dunkler“ und kann weniger Strahlung zurückwerfen. Die Folge ist eine weitere Erwärmung der Erde mit weiterer Eisschmelze, usw.

Beindruckend war auch der eindeutig experimentell nachweisbare Einfluss einer höheren CO₂-Konzentration in der Atmosphäre und der unterschiedliche Einfluss einer Eisschmelze am Nord- bzw. Südpol auf den Anstieg des Meeresspiegels.

Die neuen bzw. aufgefrischten Erkenntnisse zum Klimawandel beeindruckten die Schülerinnen und Schüler sehr. Die Hoffnung bleibt, dass der menschgemachte Klimawandel noch abwendbar oder eindämmbar ist und der „point of no return“ vermieden werden kann.

Schulstreiks für das Klima bzw. „Fridays for future“ polarisieren und fast jeder hat eine eigene Meinung zu ihnen. Um den Schülerinnen und Schülern der achten Jahrgangsstufe diese Materie näherzubringen und ihnen zu ermöglichen, auf Augenhöhe auch mit Erwachsenen zu diskutieren, fand ein zweites Modul der Fachschaft Geographie zum Thema „Klimawandel“ statt.

Dabei erfuhren die Jugendlichen den wichtigen Unterschied zwischen dem natürlichen Treibhauseffekt („Klimaschwankungen gab es schon immer!“)  und dem anthropogenen, also dem vom Menschen verursachten Klimawandel, welcher an die weltweite Bevölkerungsexplosion, die Industrialisierung und der damit verbundenen Zunahme von Treibhausgasen wie Kohlendioxid, Methan, Lachgas und Fluorverbindungen in der Atmosphäre seit dem ausgehenden 18.Jahrhundert gekoppelt ist.

Neben den Ursachen wurden zudem die befürchteten und bereits spürbaren Auswirkungen des Klimawandels thematisiert, die nicht nur in fernen Entwicklungsländern, sondern ebenso in unserer Heimat spürbar sind. Exemplarisch seien neben Extremwetterereignissen (Hitze, Trockenheit, Stürme etc.) wachsende gesundheitliche Risiken durch Herzkreislauf-, Infektions- und Hautkrebserkrankungen genannt.

Als nächsten Schritt errechneten die Schülerinnen und Schüler ihren eigenen CO₂-Fußabdruck, der bei jedem Teilnehmer deutlich über einem nachhaltigen Wert lag, und reflektierten im Anschluss die Lebensgewohnheiten in Industrieländern wie Deutschland, die hauptverantwortlich für den anthropogenen Treibhauseffekt sind.

Zuletzt wurden mögliche Maßnahmen für eine Reduktion des ökologischen Fußabdrucks diskutiert, sowohl auf persönlicher als auch auf überregionaler Ebene. Dabei wurde schnell klar, dass die Jugendlichen ihr eigenes Verhalten sehr kritisch hinterfragen und zukünftige Entscheidungen bewusster fällen werden können.

Mit den Worten von Greta Thunberg: „Ich habe gelernt, dass man nie zu klein dafür ist, einen Unterschied zu machen.“

Markus Ruf und Thomas Keßelring, Franz-Ludwig-von-Erthal-Gymnasium

Schülerprojekttage der Fakultät für Mathematik und Informatik der Universität Würzburg

Ruf, Markus,

02. September 2019,

Mathematik

und die Themen der einzelnen Gruppen von den jeweiligen Gruppenleitern vorgestellt, und daraufhin jedem seine Projektgruppe für die nächsten vier Tage genannt. Es wurden die verschiedensten Themen angeboten, von reinmathematischer Zahlentheorie über 3D Druck bis zur anwendungsbezogenen Fußballspielplanung.

Außerdem gab es eine kurze Vorstellungsrunde, bei der einige Schüler teils bis auf die Nieren ausgefragt wurden. Nach der Mittagspause ging es direkt mit der Arbeit los, wobei die meisten zunächst einmal nützliche mathematische Methoden kennengelernt haben, die sie für ihr Projekt brauchten. Der Tag schloss nach dem

Abendessen mit einem einstündigen Vortrag von Dr. Richard Greiner über die „Wurstvermutung und Wurstkatastrophe“, was letztendlich nur ein Problem beschreibt, bei dem nach der optimalen Verpackung für eine beliebige Anzahl Kugeln gesucht wird.

Am Dienstag und Mittwoch wurde tagsüber eigentlich nur in den Gruppen gearbeitet, jede in ihrem eigens zugewiesenen Raum in einem der beiden Mathematikgebäude auf dem Campus Hubland-Nord, nur die Abendgestaltung unterschied sich. Während am Dienstag vor dem Abendessen noch ein kurzer Informationsvortrag zum Mathematik- und zum Informatikstudium stattfand und der restliche Abend frei war und somit zum Besuch der Innenstadt oder zu Gruppenspielen im Schönstattzentrum genutzt wurde, bereiteten die einzelnen Gruppen am Mittwoch Abend die Präsentationen für den folgenden Tag vor.

Schließlich folgte am Donnerstag die große Abschlusspräsentation um 14:00 Uhr im Zuse-Hörsaal, zu der auch Familie, Freunde oder Lehrer der Teilnehmer eingeladen waren. Die Gruppen präsentierten nacheinander ihre Arbeit und ihre Ergebnisse, die Gruppenleiter, die dies übrigens alle freiwillig übernahmen, erhielten eine kleine

Aufmerksamkeit für ihre Mühen, und am Ende jeder Gruppenvorstellung bekam jeder Teilnehmer eine Urkunde. Auch bei den Firmen, welche die Veranstaltung finanziell unterstützten, wurde sich bedankt, und die gesamte Veranstaltung war musikalisch

untermalt von der Musikgruppe, deren Teilnehmer etwas ihrer Freizeit opferten, um dafür zu proben.

Schlussendlich waren es ein paar gelungene Tage, die allen sehr viel Spaß bereiteten, und den ein oder anderen bei seiner Studienentscheidung vielleicht ein bisschen weitergebracht haben mögen, und zusätzlich hat man viele nette Schüler kennengelernt, die das Interesse an Mathematik teilen.

Liesa Dauven & Ruben Rauch

Stratosphären-Ballon "Erthal1"

Keßelring, Thomas,

12. August 2019,

Physik

Aber nun der Reihe nach. Als vor einigen Monaten ein Werbeprospekt eines deutschen Startup-Unternehmens zum Start von Stratosphärenballons in die Schule flatterte, waren die Lehrer Markus Ruf, Martin Hofmann und Thomas Keßelring gleich „Feuer und Flamme“. Die Vorstellung dieses Projekts bei Schulleiter OStD Dr. Rottenbacher stieß sofort auf dessen Unterstützung. Dennoch verging etwas Zeit, mit der Aufgabe, ein Budget zu nennen. Und nachdem der finanzielle Rahmen geklärt war, startete das Vorhaben. Hierbei ist gleich der Sparkasse Mainfranken mit Herrn Schmitt herzlich zu danken, ohne ihn und deren finanzieller Unterstützung, wäre das Projekt nicht möglich gewesen.

Es musste nicht lang gesucht werden, um ein schlagkräftiges Team von begeisterten Zehntklässlern zu finden und das Strato-Team zu gründen. Deren Aufgabe war es nun, noch vor Pfingsten eine Arbeitsverteilung zu planen und den groben technischen und finanziellen Rahmen zu klären. Fast täglich traf sich die Gruppe nach den Pfingstferien und die Planungen wurden immer konkreter. Heikle Fragen waren: Kaufen wir ein Rundum-Sorglospaket des Startupunternehmens? Welche Sensoren sollen mit an Bord sein? Wie sollen die Sensorwerte mitgeschrieben werden? Wie sieht es mit der Stromversorgung – v.a. bei bis zu -45°C aus? Wie viele Kameras werden mitgenommen und was sollen sie zeigen? Bleiben wir im finanziellen Rahmen? Und, und, und.

Diese Fragen mussten schnell gelöst werden, da auch noch die Klassenfahrt nach Berlin anstand. Vor der Fahrt wurden noch die wichtigsten Entscheidungen getroffen: nur Grundausstattung (Ballon, Fallschirm und Styroporbox) vom Startupunternehmen, Heliumquelle ermittelt, Sensorarten bestimmt und einen Raspberry Pi als Kleincomputer bestellt. Auch in Berlin wurde weiter geplant. Die Technikcrew, bestehend aus Lysander Pleier und Jan Peter, besuchte mehrfach einen ansässigen Elektronikladen und noch fehlende Komponenten wurden bestellt. Maximilian Maisch, Henri Englert und Emilio Hartung als Filmteam planten die Aufnahmen des Projekts.

Inzwischen mussten schon Genehmigungen vom Zweckverband des Schulgeländes, der Stadt Lohr und des Luftamts eingeholt werden. Das Luftamt benötigte detaillierte Informationen und den Nachweis einer abgeschlossenen Versicherung. Alles hat letztendlich geklappt und die Flugsicherheit wurde informiert.

Jetzt nahm das Projekt langsam Gestalt an. Die Technikcrew traf sich mehrfach privat und bei Herrn Hofmann als Mentor. Das Organisationsteam (Luca Schipper, Felix Roth, Paul Grün, Julian Heldt) war „Mädchen für Alles“ und arbeitete den Spezialteams eifrig zu. Langsam bzw. fast zu schnell rückte der anvisierte Starttermin unaufhaltsam entgegen: 22. Juli 2019 um 17 Uhr zur Eröffnung des Schulfests Ein Zurück gab es nicht mehr nachdem die Schulfamilie und Bevölkerung u.a. über die Presse informiert waren.

Montag, 22. Juli 2019 – der Tag des Starts:
Alle Tests verliefen erfolgreich, alles schien gut zu funktionieren. Die Anspannung war zu spüren. Letzte hektische Vorbereitungen und Ausführungen wurden durchgeführt. Der Wetterballon wurde unter Mithilfe von Gernot Sänger und Hausmeister Stefan Schmitt mit ca. 3,6 Kubikmeter Ballongas (Helium) gefüllt. Alles lief perfekt ab. Doch dann kam Hektik auf. Eine SD-Karte einer Kamera funktioniert nicht und eigentlich sollte die Technik schon am Ballon hängen. Nach der Begrüßung und Eröffnung des Schulfests durch Herrn Dr. Rottenbacher musste leider improvisiert werden. Herr Schmitt von der Sparkasse musste sich - wie auch die anderen Anwesenden - noch gedulden. Dann kam unter großem Jubel das Team mit der in Styropor verpackten Elektonikeinheit (Sonde) Die Erleichterung war groß. Ein paar letzte Handgriffe und Herr Schmitt durfte den Stratosphärenballon unter lautstarkem Countdown auf seine Reise schicken. Zehn, Neun, Acht, Sieben, Sechs, Fünf, Vier, Drei, Zwei, Eins, START … schallte es aus mehreren hundert Kehlen.

Dann hob er ab! Fast senkrecht, mit leichter Tendenz zum Main, stieg der Ballon rasch in die Höhe und war noch lande vom Schulhof aus zu sehen. Jetzt begann aber die heikle Frage: „Finden wir den Ballon mit Styroporbox wieder?“ Das Bergungsteam bestehend aus den Technikern Jan Peter, Lysander Pleier und Andreas Siegler, dem Drohnenbeauftragten Henri Englert und den Lehrkräften Herr Hofmann und Herr Keßelring setzte sich alsbald in Bewegung, da die Prognose eine Flugzeit von 2,5 Stunden angab und der voraussichtliche Landepunkt zwischen Amorbach und Mosbach liegen sollte. Den kürzesten Weg nehmend durch malerische Waldgebiete und sehr enge Straßen erreichte das Team den prognostizierten Landebereich – allerdings viel zu früh. Heftige Gedanken und Spekulationen kamen auf, da am Start die GPS-Tracker zum Auffinden der Sonde nicht die richtigen Werte angezeigt haben. Jeder kleine Punkt am Himmel wurde genau betrachtet. Ist das unser Ballon? Bekommen wir Besuch von der Polizei, weil auf dem EDEKA-Parkplatz in Mudau mehrere Personen den Himmel absuchen? Nach langer Warterei kam endlich ein Signal eines GPS-Trackers auf ein Smartphone. Und dann noch eines. Ab ins Auto und die genannte Position in ca. 20 km Entfernung aufsuchen, bevor jemand die Sonde vor uns entdeckt. Auf der Fahrt kamen aber große Zweifel und Unbehagen auf. Warum haben wir nur wenige Positionsmeldungen erhalten, obwohl der Tracker jede Minute eine Information liefern sollte. Warum war die letzte Positionsmeldung mit einer Geschwindigkeit von über 120 km/h angegeben? Hat der Fallschirm versagt? War die Sonde abgestürzt und die Elektronik zerstört?

Die angepeilte Position lag in einem Maisfeld neben einem kleinen Flugplatz. Somit konnte die Drohne bei der Suche auch nicht helfen, das Maisfeld musste durchsucht werden – aber ohne Erfolg! Was war passiert? Wo war die Sonde? Da meldete sich der erste GPS-Tracker wieder – und jetzt auch regelmäßig. Man sah, dass die Geschwindigkeit langsam sank und die Ortsangabe konstant blieb. Verblüffend war nur, dass es in über 40 km Entfernung in der Nähe von Heidelberg war.

In der nachfolgenden Graphik erkennt man den prognostizierten (schwarz) und tatsächlichen (rot) Flugverlauf und die Fahrtstrecke (blau). Scheinbar gab es zur Flugzeit einen etwas stärkeren Westwind.

Eine malerische Fahrt erwartete uns. Am Neckar entlang mit zahlreichen Schlössern, durch Tunnel führte der Weg über mehrere Landesgrenzen hinweg in die Nähe von Neckarsgemünd. Auf der Fahrt meldete sich auch der zweite GPS-Tracker und bestätigte die Angaben des Kollegen, dass der Landeplatz in einem kleinen Waldstück liegt. Gut war auch, dass sich die Positionsmeldungen nicht veränderten, die Sonde war noch am gleichen Ort, niemand hatte sie mitgenommen. Langsam begann die Dämmerung, als wir über einen schmalen Waldweg zum Landeplatz kamen und Lysander mit freudiger Stimme rief, den Fallschirm mit Sonde in einem Baum gesehen zu haben.

Quer durch Gestrüpp und einen kleinen Steilhang hinauf sahen wir dann alle das Objekt in ca. 8m Höhe. Die Sensoren schienen noch zu arbeiten, da es aus der Sonde immer wieder blinkte. Aber wie sollen wir da ran kommen? Klettern war unmöglich, wenn gar viel zu gefährlich. Würfe von Ästen und rhythmisches Rütteln am massiven Baum brachten auch keinen Erfolg. Dem Bergungsteam blieb nur Eines: Hilfe im benachbarten Ort suchen – als auf einmal Jan schrie, er habe etwas gehört. Gerade in diesem Moment löste sich der Fallschirm nach einstündigem Verharren in der Baumkrone und die Sonde glitt für uns erreichbar herunter. Die Freude war riesig und eifrig wurde die Elektronik inspiziert. Es schien alles funktioniert zu haben. Auf dem langen Heimweg über Frankfurt konnte es Jan gar nicht erwarten und sichtete gleich die Videoaufnahmen.

Die nächsten zwei/drei Vormittage wurden nun die Daten ausgewertet, Bilder gesichtet, ein Film geschnitten und Erkenntnisse gewonnen. Speziell dem Filmschnittteam aus Maximilian Maisch und Emilio Hartung sei gedankt, dass sie innerhalb der kurzen Zeit vor den Ferien den wunderbaren Film nach erstellen konnten!

am besten im Vollbildmodus anschauen!

Hier nun einige Daten rund um den Flug, die auch in den nachfolgenden Graphiken abgelesen werden können:

• Flugdauer bis zum Platzens des Ballons: ca. 2,5 h -> Der Ballon nimmt durch den immer geringer werdenden Luftdruck in der Höhe an Volumen zu bis er schließlich platzt. Die Sonde fällt durch einen Fallschirm getragen langsam zur Erde
• Fallzeit bis zur Landung: ca. 40 Minuten
• Maximal erreichte Höhe: ca. 28196m
• Weglänge der Flugroute: ca. 150km
• minimale Außentemperatur in welcher Höhe: -43 °C in ca. 12 km Höhe beim Aufstieg, -43 °C in ca. 15 km Höhe beim Abstieg
• Aufstieg: ab ca. 12 km Höhe wieder schwankender Temperaturanstieg bis auf ca. 19 °C
• Abstieg: bis ca. 12 km Höhe wieder schwankende Temperaturabnahme bis auf ca. -43 °C
• relative Luftfeuchtigkeit beim Start und bei der Landung: ca. 40 %
• maximale Luftfeuchtigkeit: 83% kurz nach der Landung -> mögliche Erklärung: durch das Absinken der noch kalten Sonde kondensierte die Luftfeuchtigkeit der unteren Luftschichten an der Sonde, so dass eine höhere Luftfeuchtigkeit registriert wurde. Beim Aufstieg war dies nicht zu beobachten.
• minimale Luftfeuchtigkeit: ca. 0 bis 1 % ab einer Höhe von ca. 11 km
• maximale Beschleunigung: ca. 1,4 g beim Platzen des Ballons
• anfängliche Beschleunigung: ca. 0,15 g
• minimale Stärke des Magnetfelds: 20 μT am Boden
• maximale Stärke des Magnetfelds: 250 bis 320 μT während des Flugs
• minimaler Luftdruck: ca. 0 hPa in der Höhe
• maximaler Luftdruck: ca. 1000 hPa am Boden (am Landeplatz etwas geringer, das er etwas höher lag als der Startort)

Das Team hofft auf eine Wiederholung des Projekts im nächsten Jahr. Mit den zahlreichen Erfahrungen kann der Ablauf wesentlich verbessert werden und es können Änderungen an den Sensoren vorgenommen werden, die eine verbesserte Aussage über Wetterveränderungen ermöglichen.

Vielen Dank an die Sparkasse Mainfranken für die finanzielle Unterstützung, der Schulleitung, der Stadt Lohr und dem Zweckverband für die Möglichkeit der Durchführung und den zahlreichen Helfern rund um das Projekt.

Thomas Keßelring

Berichterstattungen des Lohrer Echos:
Artikel 1
https://www.main-echo.de/regional/kreis-main-spessart/Schueler-des-Gym-na-si-ums-Lohr-starten-Stratosphaerenballon;art490826,6759588

Artikel 2
https://www.main-echo.de/regional/kreis-main-spessart/Lohrer-Gymnasium-startet-erfolgreich-einen-Wetterballon;art490828,6761613

Artikel 3
https://www.main-echo.de/regional/kreis-main-spessart/Franz-Ludwig-von-Erthal-Gymnasium-Wetterballon-stieg-28-Kilometer-hoch;art490826,6764002