Team JAWAS Einstein-OWL-Preisträger 2018 30.05.2018

Begehrte Auszeichnung für das Forschungsprojekt "Rain Energy"

 

Die Preisträger vor der Hochschule OWL (Campus Detmold) mit Stefan Wolf (Peter Gläsel Stiftung), Ute Kolbow (Günther+Rita Rudloff Stiftung), Michael Uhlig (Bezirksregierung Detmold) und Dr. Burkhard Lehmann (Osthushenrich Stifung)
Dr. Lehmann von der Osthushenrich Stiftung überreicht die Urkunde.
Die Preisträger mit Vertretern der Firma Hesse Mechatronics

Für ihr Forschungsprojekt "Rain Energy" wurden Judith Löcke, Sebastian Brumby, Julian Schlangenotto und Eli Kogan-Wang vom Team JAWAS (Kooperation Gymnasium Schloß Neuhaus und Verein Epunkt e.) gemeinsam mit einem Team vom Gymnasium Horn-Bad Meinberg mit dem 1. Platz des Einstein OWL Wettbewerbs 2018 ausgezeichnet.

Neben einem Preisgeld für die Forschungsarbeit des Teams erhalten die Preisträger ein Stipendium für die Aufnahme eines Studiums an einer Hochschule in OWL.

Allen Preisträgern einen herzlichen Glückwunsch für ihre hervorragende Forschungsarbeit und ihre gelungene Präsentation!

 

Und hier nun eine kurze Erläuterung ihres Forschungsprojekts, das die Jugendlichen in Kooperation mit der Firma Hesse Mechatronics entwickelt haben:

"Da Elemente wie die Sonne oder der Wind schon zur Energiegewinnung genutzt werden, haben wir uns die Frage gestellt, ob es auch möglich ist, aus Regen Energie zu gewinnen. Bei unserer weiteren Recherche haben wir herausgefunden, dass sich zwar schon Forscher damit beschäftigt haben, ob es möglich ist, aus Regen Energie zu gewinnen und verschiedene Experimente zu dieser Thematik durchgeführt haben, es allerdings noch kein Produkt gibt, mit dem tatsächlich aus Regen Energie gewonnen werden kann. Unser nächster Schritt war es zu überlegen, wie ein solches Produkt aussehen könnte. Bei unseren Überlegungen sind wir auf Piezoelemente gestoßen. Dies sind kleine elektrische Bauelemente, die bei einer Druckveränderung eine elektrische Spannung erzeugen. Piezoelemente werden zum Beispiel auch als Trittsteine in Fußgängerzonen verwendet. Durch den Druck, der entsteht, wenn Menschen über die Piezoelemente laufen, wird Energie erzeugt. Diese wird verwendet, um die Straßenbeleuchtung zu betreiben. Da auch durch auf den Boden auftreffenden Regen Druck erzeugt wird, sind wir auf die Idee gekommen, diese Piezoelemente zu nutzen, um aus Regen Energie zu gewinnen. So könnte aus diesen Piezoelementen eine Platte hergestellt werden mit der bei Regen Energie produziert werden kann. Diese Platte kann dann auf Dächern angebracht werden, um so die aus dem Regen gewonnene Energie im Haushalt zu nutzen. So könnte zum Beispiel durch die Piezoplatte die Außenbeleuchtung betrieben werden. Bei unseren Überlegungen war es uns wichtig, dass das Wasser nicht dem natürlichen Wasserkreislauf entzogen oder sogar verschmutzt wird. Außerdem ist uns aufgefallen, dass bei der Energiegewinnung durch andere Elemente häufig seltene Erden genutzt werden. Dies wollten wir bei unserer Idee vermeiden. Durch die Piezoelemente war es möglich auch diese Zielsetzung zu erreichen, da Piezoelemente lediglich aus Blei-Zirkonat-Titanat, welches keine seltenen Erden enthält, bestehen.

Wir entwickeln eine Platte, die aus der kinetischen Energie von Regentropfen elektrische Energie erzeugt. Dabei soll die Energieumwandlung durch Piezoelemente geschehen. Piezoelemente sind elektrische Bauteile, die mit Hilfe der Piezoelektrizität beim Einwirken einer mechanischen Kraft eine elektrische Spannung erzeugen.

Um herauszufinden, ob unsere Idee funktioniert, konstruierten wir ein Proof of Concept. Dieses besteht aus einer durchsichtigen Plastikbox, auf der Piezoelemente befestigt sind. Die Piezoelemente sind von der Oberfläche durch ein durchsichtiges Klebeband von dem Wasser isoliert, damit kein elektrischer Kontakt zwischen den Polen der Piezoelementen entsteht. Auch befindet sich in der Box ein Steckbrett, das die elektrischen Signale der Piezoelemente gleichrichtet und zusammenführt. Das Proof of Concept brachte bei unserem Versuch mit Wassertropfen eine LED zum Flackern.

In Kooperation mit der Firma Hesse Mechatronics konstruierten wir einen Versuchsaufbau und eine Leiterplatte in einem Gehäuse. Die Leiterplatte besteht aus einer Gleichrichterschaltung und Messpunkten. Auch befindet sich auf der Leiterplatte ein Ansteckpunkt für einen Kondensator. Der Versuchsaufbau besteht aus einem L-Profil, welches sich variabel verstellen lässt. Auf diesem L-Profil ließen wir kleine Stahlkugeln herunterrollen, die ein ähnliches Gewicht zu Wassertropfen haben. So konnten wir das Aufkommen eines Regentropfens simulieren. An der Leiterplatte haben wir dabei die Spannungskurven gemessen. Dadurch, dass wir einen Kondensator an den gleichgerichteten Ausgang angeschlossen haben, konnten wir aus den Oszilloskop-Daten die Energie, die beim Aufschlag der Stahlkugel gewandelt wurde, errechnen. Mit Hilfe dieses Versuchsaufbaus testeten wir unterschiedliche Piezoelemente auf ihre Anwendbarkeit in unserem Projekt.

Mit demselben Versuchsaufbau führten wir dann Experimente mit Wassertropfen durch. Bei den Versuchen mit Piezoelementen, die auf einer Messingscheibe befestigt sind, konnten wir eine Gleichspannung messen. Daraus konnten wir schließen, dass diese Piezoelemente bei Kontakt mit Wasser chemisch reagieren und so das Messing korrodiert, was sie für unsere Platte unbrauchbar macht. Bei den Versuchen mit dem runden Piezoelement ohne Messingscheibe haben wir an einem Kondensator mit der Kapazität 1 µF eine Spannung von etwa 145 mV gemessen. Daraus errechneten wir eine Energie von 21,2 nJ bei einem Regentropfen.

Mit Hilfe dieser Erkenntnisse konstruierten wir einen Vorführaufbau, der aus 9 Piezoelementen besteht. Darüber befindet sich ein Tropfmechanismus, der gleichmäßig Wasser auf die Piezoelemente tropft. Die Anschlüsse führen wir über ein Rundkabel zur Leiterplatte, die wiederum aus Gleichrichtern, Ansteckpunkten für einen Kondensator und einer LED besteht. Die Aufschläge der Wassertropfen sind mit Hilfe eines Oszilloskops messbar und erkennbar. Zur Weiterführung des Projekts möchten wir die Platte sowohl erweitern als auch ihre Effizienz verbessern. So möchten wir zum Beispiel Ablaufkanäle hinzufügen, um die dämpfenden Eigenschaften des Wassers zu umgehen. Auch möchten wir den Aufbau der Platte vereinfachen und so die Kosten zu senken und die Herstellung zu vereinfachen. Des Weiteren haben wir Kontakt zu der Hilfsorganisation WaterAid hergestellt. In Zusammenarbeit mit dieser planen wir, eine Familie in einem regnerischen Slumgebiet ohne Stromversorgung mit unserer Platte ausstatten."

Fotos: Ingrid Löcke
Kurzbeschreibung des Projekts: JAWAS
Text und Gestaltung: Eva Nicolin-Sroka