Jugend forscht: Urknallgurke und Biokleber aus Baden-Württemberg

Ende Mai ging der 51. Bundeswettbewerb Jugend forscht mit der Siegerehrung in Paderborn zu Ende. Auch Entwicklungen aus Baden-Württemberg haben es bis ins Finale geschafft und Preise abgeräumt, darunter leuchtendes Gemüse, Biokleber und eine intelligente Cocktailmaschine. Ein Überblick …

Dem Humus auf der Spur

Wie sind die Böden am Stadtrand von Mannheim zusammengesetzt? Helin Dogan hat sich die dort land- und forstwirtschaftlich genutzten Flächen genauer angesehen. Sie analysierte die Humusgehalte, ermittelte Carbonate und bestimmte die Korngrößen. Je nach Nutzung der untersuchten Parzellen wies die Mannheimerin unterschiedliche Humusgehalte nach: Am höchsten war der Wert im Wald, niedriger auf Wiesen und am geringsten auf Ackerflächen. Zudem konnte die Jungforscherin zeigen, dass der Humusanteil umso höher ausfällt, je feinkörniger der Boden beziehungsweise je höher der Tonanteil ist. Da bei steigenden Temperaturen im Zuge des Klimawandels der Humus mikrobiell schneller abgebaut wird, rät die Jungforscherin der Landwirtschaft, verstärkt Kulturen zu nutzen, die Humus anreichern.

• 2. Preis Geo- und Raumwissenschaften – gestiftet vom Magazin Stern
• Preis für eine geographische Arbeit – gestiftet von der Deutschen Gesellschaft für Geographie e. V.

Hüter der Schlüssel

Küchentisch, Flurkommode oder Manteltasche? Jeder hat schon einmal verzweifelt nach seinem verlegten Schlüsselbund gesucht. Die Stuttgarterinnen Katharina Häußler und Annalena Pleß entwickelten eine Smartphone-App, die bei der Fahndung hilft. Das Prinzip: Der Schlüsselbund wird mit einem kleinen Chip bestückt, der via Bluetooth mit dem Smartphone kommuniziert. Kann man die Schlüssel nicht finden, genügt eine Suchabfrage per App – und der Bund macht sich mit einem Summton bemerkbar. Der Clou: „Custos Clavium“, auf Deutsch „der Hüter der Schlüssel“, funktioniert auch bei großen Entfernungen, also außerhalb der Bluetooth-Reichweite. Denn die App kann sich den zuletzt registrierten Chip-Standort merken und ihn bei Bedarf dem verzweifelten Besitzer melden.

• Preis für eine Arbeit, die in besonderer Weise den Nutzen der Informatik verdeutlicht – gestiftet von der Gesellschaft für Informatik e. V.

Teamwork mit Bakterien

DNA trägt nicht nur das Erbgut, sondern kann in Form künstlich erzeugter Fragmente auch chemische Reaktionen katalysieren. Diese sogenannten DNAzyme bestehen aus einem einzigen Molekülstrang und sind somit recht instabil. Zudem ist ihre Herstellung teuer. Max Schwendemann entwickelte daher die Idee, ein DNAzym in das Erbgut von Bakterien einzubauen, um es biotechnisch preisgünstig zu vermehren. Dafür verlängerte er den Strang des DNAzyms und zwang ihn durch eine bestimmte Abfolge der molekularen Bausteine in eine kreuzförmige Struktur. Der katalytisch aktive Teil wird dabei nach außen gestülpt und kann frei agieren. Den neuartigen Katalysator vermehrte der Jungforscher in E. coli-Bakterien. Am Beispiel der Synthese eines technisch wichtigen Kunststoffs soll das DNAzym sein Können unter Beweis stellen.

• 2. Preis Biologie – gestiftet von der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren
• Aufenthalt in einem Joint Research Centre der Europäischen Kommission – gestiftet von der Europäischen Kommission, Joint Research Centre (JRC)

Stabile Konkurrenz aus dem 3D-Drucker

Wer schon mal freihändig ein Video aufgenommen hat, kennt das Problem: Nicht selten sind die Bilder verwackelt. Besonders negativ wirken sich Drehbewegungen aus. Josua Janus aus Friesenheim und Max Frankenhauser aus Lahr bauten daher eine sogenannte kardanische Aufhängung, um ihre Kamera beim Filmen zu stabilisieren. Mit dieser ist die Kamera um die drei Raumachsen frei drehbar und kann sich so stets nach der Schwerkraft ausrichten. Weil dieser Prozess in der Praxis nicht immer schnell genug erfolgt, integrierten sie kleine Motoren und Lagesensoren in ihr System, die die Kamera nahezu in Echtzeit in die gewünschte Position bringen. Ähnliche, sehr teure, Systeme sind bereits auf dem Markt. Die Jungforscher entwickelten ihr System daher kostenoptimiert. Es wurde mittels 3D-Druck aus PLA-Kunststoff und per Hand aus Aluminium gefertigt.

Gummibärchen-Kleber

Klebefilme sind praktisch, als Abfall aber biologisch kaum abbaubar. Die Alternative von Victoria Lohmann, Maximilian Reitenspies und Annika Merz kennt dieses Problem nicht: Ihr Gela-Tape besteht nur aus natürlichen, abbaubaren Stoffen. Die drei entwickelten eine Mischung aus Gelatine, Zucker, Wasser und Glyzerin, die der Rezeptur von Gummibärchen ähnelt. Mit einer selbst gebauten Beschichtungsapparatur trugen sie den Klebstoff auf transparente Folie aus natürlichem Chitosan auf. Im Vergleich mit marktüblichen Produkten zeigte sich: Wenn die Trägerfolie dünn und gleichmäßig beschichtet wird, haftet das Bio-Tape auf Papier und glatten Kunststoffen genauso gut wie herkömmliche Klebefilme.

• Preis für eine Arbeit zum Thema „Nachwachsende Rohstoffe“ – gestiftet vom Bundesminister für Ernährung und Landwirtschaft Christian Schmidt

Mobile Wasseranalyse im Eigenbau

Die Analyse von Schwermetallen im Wasser mittels Spektroskopie ist meistens aufwendig und teuer. Aber es geht auch anders: Niklas Fauth entwickelte am Karlsruher Institut für Technologie ein preisgünstiges Atomemissionsspektrometer als akkubetriebenes Handgerät für den mobilen Einsatz. Darin wird das Wasser mithilfe von Ultraschall, der von Piezoelementen erzeugt wird, zunächst zerstäubt. Im nächsten Schritt regt der Jungforscher die Atome der Probe mit einem Lichtbogen an, damit sie – je nach Substanz – ihr charakteristisches Licht aussenden. Die daraus resultierende Frequenzverteilung analysiert er anschließend mit einem kostengünstigen kommerziellen Spektrometer – nicht ohne auch für diese Komponente schon Ideen zum Eigenbau entwickelt zu haben.

• Preis für Elektronik, Energie- oder Informationstechnik – gestiftet vom VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V.

Medizinische Instrumente sicher nachverfolgen

Immer wieder kommt es bei medizinischen Operationen zu Fehlern: Instrumente werden nicht sachgerecht zugeordnet, nicht ausreichend sterilisiert oder sogar im Patienten vergessen. Das ist vermeidbar, finden Lukas Ruf aus Rottweil, Fabian Glaser aus Aldingen und Christoph Moser aus Wurmlingen. Sie wollen OP-Besteck mit robusten und kostengünstigen RFID-Tags elektronisch markieren. Das Krankenhauspersonal trägt Auslese-Armbänder, die registrieren, wer wann welches Besteck wofür genutzt hat. Die Daten werden via Bluetooth in Echtzeit an einen zentralen Computer gesendet. Nach Gesprächen mit Experten und eigenen Experimenten konstruierten die Jungforscher zum einen die Hardware zur Datenauslese. Zum anderen entwickelten sie ein Programm, das die Daten zu jedem Instrument speichern kann. Mit der Technologie können Wartung und Beschaffung unterstützt werden.

• 5. Preis Arbeitswelt – gestiftet von der Bundesministerin für Arbeit und Soziales Andrea Nahles
• Preis für eine besondere Leistung auf dem Gebiet der Technik – gestiftet von der Heinz und Gisela Friederichs Stiftung

Erleuchtung dank Gurke

Setzt man eine Essiggurke unter Strom, kann man sie auf einer Seite zum Leuchten bringen – ein klassischer Unterrichtsversuch. Doch Hannes Hipp und Sonja Gabriel wollten mehr wissen: Woran liegt es, dass die Gurke nur auf der einen Seite leuchtet? Und wovon hängt es ab, welche Seite das ist? Da dieses Phänomen auch unter Wechselspannung stets nur auf einer Seite auftritt, kann die Polung nicht ausschlaggebend sein. In Messreihen konnten die Jungforscher zudem nachweisen, dass es keine Relevanz hat, auf welcher Seite sich der Stiel der Gurke befindet, und es ist auch unerheblich, wie die Gurke geformt ist. Die Erklärung ist letztlich rein physikalischer Natur: Die Gurken leuchten immer auf der Seite mit der dünneren Elektrode.

Intelligente Cocktailmaschine

Gerührt oder geschüttelt? Die „Lazybar“ von Nikolai Braun und Jonas Autenrieth kann beides. Auf Knopfdruck mixt die intelligente Cocktailmaschine der Generation „Gastronomie 3.0“ unterschiedliche Cocktails schnell und präzise. Via LCD-Display und Menüstruktur kann der Nutzer aus einem stets aktualisierten Angebot Getränke wählen, die aus bis zu zehn möglichen Zutaten gemixt werden. Die Jungforscher recherchierten in Bars und entwarfen ein benutzerfreundliches Gehäuse. Sie suchten die passenden Bauteile aus – inklusive spezieller Dosierpumpen und Verwirbelungstechnik –, entwarfen Schaltpläne und Platinen und programmierten die automatischen Abläufe: von der Erkennung von Gläsergrößen und Füllständen über ein stets konstantes Mischungsverhältnis und 150 Rezepturen bis zu Wartungsprozedur und Abrechnungssystem.