Dienstag - 2. April 2019

„Jugend forscht“: Technik

Ersatzteile selbst produziert - Planung und Bau einer computergesteuerten 3D-Fräsmaschine

Ruben Rodermann - Städt. Gesamtschule Heiligenhaus
Mit meinem 3D-Drucker erstelle ich unter anderem Bau- und Ersatzteile aus Kunststoff. Leider hat sich in der Praxis gezeigt, dass die hohe Stabilität der Originalteile meist nicht erreicht wird. Deshalb habe ich mir überlegt, die stabilen Bauteile mit einer computergesteuerten 3D-Fräse aus entsprechend strapazierfähigen Werkstoffen herzustellen. Zusätzlich könnte diese noch Gravuren, Platinen, Schilder und anderes Nützliches anfertigen. Industrielle Fräsmaschinen sind sehr teuer und groß. Folglich stellte sich mir die Herausforderung eine Maschine zu konstruieren, welche möglichst hohe Wiederholungsgenauigkeiten (ähnlich wie Industriemaschinen) erreichen kann und zugleich kompakt und günstig ist. Während meines Projektes sind viele, nicht vorhersehbare, Probleme aufgetreten. Diese konnte ich durch einen ständigen Verbesserungsprozess lösen. Letztendlich ist es mir gelungen, die computergesteuerte Fräsmaschine fertigzustellen. Im Praxistest stellt sich heraus, dass die Maschine deutlich bessere Ergebnisse als erwartet erzielt.


Bau eines Energiefahrrads

Ahmed Al Asadi - Carl-Fuhlrott-Gymnasium, Wuppertal
Bei dem Projekt „Bau eines Energiefahrrads“ handelt es sich um ein Ergometer mit einer angeschlossenen Lichtmaschine (Generator), mit welchem Strom erzeugt – oder fachlich korrekt: Energie umgewandelt – werden kann. Der Anwender erfährt die Energieerzeugung direkt am Leibe und bekommt somit ein Gefühl, was Energie konkret bedeutet. Der Energiebegriff lässt sich somit klarer differenzieren. Zugleich lernen besonders jüngere Anwender, Strom zu sparen, da für diese der Stromverbrauch nun keine bloße Zahl mehr ist, sondern eine körperliche Erfahrung.
An dem Energiefahrrad ist eine Verbraucherbox mit Verbrauchern und externen Anschlüssen angebaut, welche digital angesteuert wird. Ebenso ist eine Messbox angeschlossen, welche die physikalischen Messgrößen erfasst. Dadurch kann man sich sein eigenes Leistungsdiagramm ausdrucken und auswerten. Zusätzlich ist noch ein kleiner OnBoard Computer mit einem Touch Display montiert. Auf diesem läuft die eigens programmierte Software, durch welche die Verbraucherbox angesteuert und die Messbox ausgelesen wird. Es ist das elementare Bedienelement des Projektes.

Das Energiefahrrad - Energie erfahren


Entwicklung einer Motor-Steuerung für ein elektrisch betriebenes Bobbycar

v.l.: Felix Haschke Mitte, Luca Leon Kroeger - Ravensberger Erfinderwerkstatt, Halle (Westf.)
Unser Projekt ist die Entwicklung einer Motorsteuerung für ein elektrisch betriebenes Bobbycar im Rahmen des Solar Bobbycar Cup Bielefeld. Bei dem Wettbewerb, an dem wir im Team der Ravensberger Erfinderwerkstatt teilnehmen, geht es darum, ein möglichst schnelles Renngefährt aus einem Bobbycar zu bauen. Damit das gelingt, kommt es neben einem robusten und leichten Fahrzeug vor allem auf eine zuverlässige Elektronik an. Das Reglement erlaubt es, durch Kondensatoren einen zusätzlichen Boost zu verbauen. Daher haben wir für diesen Zweck eine eigene Motor- bzw. Kondensator-Steuerung entwickelt, die es ermöglicht, die Kondensatoren nicht nur zuzuschalten, sondern auch, wenn sie nicht in Benutzung sind zu laden, um den Boost für die nächste Verwendung einsatzbereit zu machen. Darüber hinaus erfassen wir wichtige Motordaten, wie Batterie- und Motorspannung, Drehzahl, usw. und zeigen sie auf einer Monitoring-Webseite an. Der zukünftige Schwerpunkt in der Entwicklung liegt auf der Ausarbeitung eines Systems zur Energierückgewinnung mit Hilfe von Kondensatoren.


Ein elektrisches motorisiertes Longboard mit Benutzerschnittstelle

v.l.: Munir Ali, Morten Witt - Freiherr-vom-Stein-Gymnasium, Münster
Unser Ziel besteht darin, ein motorisiertes elektisches Longboard zu bauen, welches trotz geringem Kostenaufwand, mit kommeriziell erhältliche Artikeln mithält oder sie im besten Fall übertrumpfen kann und dies sowohl von einer technischen Betrachtungsweise als auch auf der Ebene der Verkehrssicherheit.


Toter Winkel - tatsächlich tot

v.l.: Elias Günthner, Nico Prinz, Joshua Gritzner - Städt. St. Michael Gymnasium, Bad Münstereifel
Unser Ziel ist es, den Straßenverkehr für Lastwagen und Busse sicherer und zerstörungsfreier zu machen. Dies wollen wir mithilfe eines integrierten und intuitiv nutzbaren Displays innerhalb des Seitenspiegels erreichen. Auf dem Display ist der tote Winkel zu sehen. Wenn das Display nicht angeschaltet wird, bleibt es hinter dem Spiegel verborgen. Weiterhin soll der Spiegel mit einem System aus schockabsorbierendem Material und Luftdruckfedern ausgerüstet sein, um bei Zusammenstößen mit diversen Objekten bei geringer bis mittlerer Geschwindigkeit möglichst keinen bzw. wenig Schaden zu nehmen.


Automatisierung einer Meteorkamera

Lukas Pajak - Carl-Fuhlrott-Gymnasium, Wuppertal
Die Meteorkamera nimmt jede Nacht vollautomatisch eine Bilderserie des Nachthimmels mithilfe eines Parabolspiegels auf und speichert diese auf einem lokalen Server. Die Belichtungszeit wird mit Hilfe eines Lichtsensors geregelt, um Über- oder Unterbelichtungen zu vermeiden. Die erzielten Bilder werden auf nächtliche Feuerkugeln hin untersucht. Realisiert wurde das Projekt mit einem Einplatinencomputer, dessen selbstgeschriebene Software eine digitale Spiegelreflexkamera ansteuert. Dazu kommen noch weitere Komponenten, wie beispielsweise eine selbst entwickelte und gebaute Motorsteuerung für den Shutter. Dieser zerhackt die Lichtspur eines registrierten Meteors. Wurde der selbe Meteor mit einer weiteren Meteorkamera des Feuerkugelnetzwerkes aufgenommen, kann man Geschwindigkeit und Bahnverlauf des in die Erdatmosphäre eintretenden und verglühenden Meteoriden berechnen.


Entwicklung und Erprobung einer intelligenten Wildkamera

Susanne Rütten - Gymnasium Haus Overbach, Jülich

Als Anregung für dieses Pojekt diente ein selbstgebauter Fledermauskasten, den ich vor einiger Zeit in unserer Wiese aufgehängt habe. Ich wollte mit Hilfe einer selbstentwickelten Wildkamera beobachten können, ob Fledermäuse dort einziehen.
Die Gründe für den Eigenbau waren unter anderem mein Interesse daran, wie eine Wildkamera konstruiert und programmiert werden muss, damit sie möglichst effektiv eingesetzt werden kann.
Außerdem kann die selbstentwickelte Kamera beispielsweise durch den Aufbau eines eigenen WLAN-Netzes über den Laptop oder das Smartphone aus der Ferne gesteuert und ausgelesen werden.
Eine Überwachung verschiedenster Sensordaten ermöglicht darüber hinaus u.a. eine direkte Analyse der Lebensgewohnheiten der beobachteten Tiere. Des Weiteren ist die selbst konstruierte Wildkamera frei konfigurierbar und bietet die Möglichkeit, jederzeit weitere Zusatzfunktionen einbauen zu können, die in käuflichen Kameras nicht integriert sind.
Um die zuverlässige Funktion der Kamera zu testen, konnte ich diese in der Nähe eines Rauchschwalbennestes aufhängen. Dort war es mir innerhalb eines Monats möglich das Entstehen einer jungen Familie vom Nestbau über die Entwicklung der Jungtiere bis zu ihrem Ausfliegen zu beobachten. Später habe ich dann auch noch Aufnahmen von Blau- und Kohlmeisen machen können und sogar ein Dachs in freier Wildbahn ist in die Fotofalle gegangen.


Bau einer Robotermontierung für ein kleines Newtonteleskop

Lukas Weghs - Städt. Gymnasium Thomaeum, Kempen
Ich besitze ein kleines Newtonteleskop mit einer parallaktischen Deutschen Montierung. Leider führte das Benutzen dieser Montierung zu starken Vibrationen im Bild, was gerade für fotografische Zwecke sehr störend war. Also wollte ich eine verbesserte Montierung für dieses Teleskop bauen. Dazu habe ich die Gabelmontierung als sehr geeignet befunden. Nach Anfrage beim NGTS ('Next Generation Transit Survey') am Paranal-Observatorium der ESO in Chile erhielt ich die Kontaktdaten eines Post-Doktors der 'University of Warwick', mit dem ich mich austauschen durfte. Diese Montierung möchte ich in Zukunft mit einem Raspberry Pi ausstatten, um das Ausrichten und die Nachführung des Teleskops zu automatisieren. Dazu entwickelte ich ein Python-Programm mit GUI mit meinem Raspberry Pi, welches die Steuerung von Schrittmotoren und Sensoren übernimmt. Das Ganze stellt das Programm dann graphisch dar. Damit ich in dem Programm die richtigen Daten zur Nachführung initialisieren konnte, berechnete ich vorher die siderische, lunare und solare Geschwindigkeit mit dem der Schrittmotor laufen soll. Dazu habe ich mir das Programmieren mit Python beigebracht, da ich vorher noch nicht programmieren konnte.


Eier und andere Dinge mit dem Quadrocopter liefern

Gregor Worm - Conrad von Soest Gymnasium, Soest
In dem Projekt geht es um die Entwicklung, den Bau und die Erprobung eines Quadrocopters, der zum Beispiel Eier unserer Hühner oder auch andere Dinge zum Nachbarn fliegen kann. Dazu soll eine Vorrichtung entwickelt werden, die die Last zuverlässig ablegt. Ob der Copter in der Lage ist, die Lasten zu tragen, wird durch Meßreihen untersucht.


Sprachgesteuerter Roboterarm

v.l.: Enno Friedl, Christopher Breitfeld, Marius Menzel - Theodor-Heuss-Gymnasium, Waltrop
Es handelt sich um einen Roboterarm in Originalgröße, welcher über Sprachbefehle gesteuert werden kann. Das heißt, dass man über konkrete Befehle in ein Mikrofon jeden einzelnen Finger der Hand ansteuern kann.
Die Hardware wurde zu einem Großteil mit einem 3D Drucker hergestellt. Zudem sind fünf Servomotoren in dem Unterarm verbaut, welche die Finger über einen aufwendigen Seilzug bewegen. Diese Servomotoren werden über einen Raspberry Pi mit dem Programm 'Jarvis' offline sprachgesteuert.
Ziel dieses Projektes ist die Verbesserung der Lebensqualität von körperlich eingeschränkten Personen. Durch die Offline-Sprachsteuerung ist eine nahezu barrierefreie Nutzung des künstlichen Armes möglich.


Konstruktion und Programmierung einer Wettersonde zur physikalischen Untersuchung von Troposphäre und Stratosphäre

Jakob Middelberg - Wilhelm-Hittorf-Gymnasium, Münster
Bei meinem Projekt geht es um die Aufnahme von Messdaten aus der Stratosphäre. Diese werden mithilfe einer Wettersonde ermittelt. Unterhalb eines Wetterballons steigt die Sonde auf eine maximale Höhe von etwa 30 km. Während des Fluges misst ein Kleincomputer innerhalb der Sonde die Außentemperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit und berechnet die aktuelle Flughöhe. Außerdem nimmt eine Kamera Fotos und Videos vom Flug auf. Um die Sonde wiederzufinden bestimmt sie mithilfe eines GPS-Empfängers ihre Position und versendet diese per Funk. Eine Antenne an der Sonde verstärkt das Signal, eine Yagi-Antenne am Boden verstärkt den Empfang. Während des Fluges kann die Sonde somit vom Boden aus verfolgt werden. Ein Fallschirm bremst die Sonde beim Wiedereintritt in niedrigere Atmosphärenschichten. Die gespeicherten Messdaten und Fotos werden später ausgewertet und analysiert.


Smart Aquarium 2.0 - Entwicklung eines Aquariencomputers

Moritz Grimm - Comenius-Gymnasium, Datteln
Im Rahmen des Projekts „Smart Aquarium 2.0 - Entwicklung eines Aquariencomputers“ entwickle ich ein Gerät zur Analyse des Aquarienwassers und zur Steuerung der Aquarientechnik.
Dabei plane und baue ich unter anderem ein Gerät zur Automatisierung von nasschemischen Wassertests, das nicht nur in der Aquaristik, sondern auch in der Wasseranalytik Einsatz findet.


Entwicklung eines modularen Vielfachmessgerätes gebaut von Schülern, für Schüler

v.l.: Nick Garczorz, Tobias Langsch - Hittorf Schule, Recklinghausen
Wir haben festgestellt, dass in der Schule oft nur Messgeräte zum Ermitteln der Spannung und Stromstärke vorhanden sind. Besser ausgestattete Messgeräte sind für viele Schulen leider zu teuer und werden daher nicht angeschafft.
Deshalb haben wir uns das Ziel gesetzt, ein kostengünstiges und modulares Messgerät zu bauen, welches zahlreiche Funktionen beherrscht. Es basiert auf einem modernen IoT Chip und erlaubt den Schülern eine Interessante Nutzung, beispielsweise durch die Verwendung eines Touchscreens und die Anzeige der Daten auf dem Smartphone. Gleichzeitig soll das Messgerät als Datenlogger fungieren und Messwerte auf einer SD-Karte speichern.
Somit können Daten von Schülern in andere Fächer mitgenommen, und fachübergreifend verwendet werden.
Die Entwicklung umfasst die Programmierung, den Bau eines Gehäuses durch 3D Design und Druck, sowie das Herstellen von Platinen.


Mealworms

v.l.: Amelie Wilper - Gymnasium Theodorianum, Paderborn, Kim Ellen Köpping - Gymnasium Schloß Neuhaus, Paderborn

Wir haben uns mit dem Thema Entomophagie als Alternative zu Fleisch beschäftigt. Als Proof of Concept haben wir einen Prototyp zur Züchtung von Mehlwürmern entwickelt. Dieser besteht aus vier Stationen, wo die Mehlwürmer gezüchtet, schockgefroren, geröstet und gewürzt werden und bildet einen eigenständigen Produktionskreislauf. Zuvor haben wir einen Fragebogen erstellt, um die Akzeptanz gegenüber Insekten als Nahrungsmittel regional zu erfassen. Auch haben wir einen Versuch bezüglich der Entwicklung von Mehlwürmern mit unterschiedlichen Futtermitteln durchgeführt, um eine möglichst ideale Futterzusammenstellung zu erarbeiten. Damit unsere Idee auch für die Wirtschaft interessant ist, haben wir uns auch mit der Wirtschaftlichkeit unserer Entwicklung beschäftigt. Mit unserem Projekt möchten wir Insekten als alternative Nahrungsmittelressourcen verbreiten.

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