Wie viele Lampen?
Schatten, Halbschatten, Kernschatten. Wie viele Lampen machen dieses Bild? Und können Sie es erklären? Am besten ist, Sie argumentieren mit Zeichnung oder mit einem Experiment, das die Situation nachstellt.
Smartphone Phyx
An example of how s camera's capture rate changes due to the amount of light being let into the camera….. pic.twitter.com/tGxExPDGVa
— Physics & Astronomy Zone (@ZonePhysics) June 15, 2019
Muss ich mich zwischen Gott und Wissenschaft entscheiden?
Nein, müssen Sie nicht. Wir sollten uns aber ganz genau ansehen, wer wofür zuständig ist. Wir machen das in fünf Schritten und brauchen dazu etwa eine Doppelstunde Zeit. Wir lernen dabei, dass nichts beweisbar ist, aber einige Erklärungen die Dinge besser beschreiben, als andere.
Schritt 1: Alles oder nichts?
Alles was es gibt, ist im dunkelblauen Bereich. Darin befindet sich ein heller umgrenzter Bereich.
Frage: Wo befindet sich die Wissenschaft? Außen, oder innen?
Rundherum ist nichts. Das sollte auch einmal gesagt sein. Das, was nicht existiert. Das, was es nicht gibt. Kann man sich schwer vorstellen. Ist aber so, wie das, was Sie gerade hinter ich sehen, ohne sich umzudrehen. Nichts – die Augen sind ja vorne. Es ist dieses Nichts, das Blinde von Geburt an sehen. Nichts. Es ist nicht das Nichts, das wir sehen, wenn wir die Augen schließen. Das wäre das andere nichts, aber das ist hier nicht gemeint.
Antwort: Die Wissenschaft ist innerhalb des umgrenzten Bereichs. Sie ist ein Ausschnitt von Allem, der „vier Kriterien der Wissenschaftlichkeit“ erfüllt. So wie Ja!Natürlich eine Marke für Biolebensmittel ist. Freilaufende Hühner, glückliche Bauern, keine Chemie. Ntürlich gibt es auch anderes Essen – es ist halt nur nicht Bio. Genauso ist es mit der Wissenschaft. Natürlich gibt es viel in diese Welt, es ist nicht alles Wissenschaft.
Wissenschaft ist messbar: Entweder gibt es Zahlen als Messwerte, oder Begriffe wie „gut“, „sehr gut“, „nicht so“. Wie beim Essen. Das Kochen ist eine Wissenschaft, das Essen ist die Messung.
Wissenschaft ist wiederholbar: Von dir, von mir, von Onkel Fritz. Alle können es tun. Sie ist wiederholbar morgen, übermorgen, oder erst in einem Jahr. Immer können wir es tun. Und sie ist wiederholbar hier, dort, und in Australien (dort wohnt Onkel Fritz). Überall können wir es tun.
Wissenschaft ist vorhersagbar: Ein Flugzeug wird nach wissenschaftlichen Kriterien konstruiert. Wir wissen, dass es fliegen wird. Fluggesellschaften veröffentlichen sogar Flugpläne, die die zukünftige Ankunft garantieren. Sollte es einmal nicht klappen, dann gibt es immer einen Grund, nach dem alle suchen.
Wissenschaft ist widerspruchsfrei: Meine Theorie kann nicht gleichzeitig sagen, die Sonne ist gelb und die Sonne ist grün. Das wäre ein Widerspruch (das Wort mit dem „kurzen I“). Wenn mehrere Wissenschaftler:innen Unterschiedliches sagen, müssen sie solange miteinander reden, bis sie einer Meinung sind, oder zumindest ihre Unterschiede kennen.
Hinweis: Wissenschaftler:innen sind keine schlechten Menschen, sie müssen streiten, weil es sonst nicht wissenschaftlich wäre. Wir werden später darauf zurückkommen.
Schritt 2: Gibt es Geister?
Wenn ja, sind Sie sich sicher? Wenn nein, sind Sie sich sicher?
Wenn es Geister gäbe, wären sie nicht im wissenschaftlichen Bereich zuhause. Weil dann könnten wir sie messen (sehen, riechen, schmecken), wir könnten sie immer wieder sehen, und wir könnten vorhersagen, wann sie kommen. Und wir wären uns sicher.
Da wir das aber nicht sind, geben wir die Geister in alles – außerhalb der Wissenschaft. Es kann wirklich sein, dass es sie gibt, wer weiß, aber vielleicht auch nicht. Vielleicht sehen wir sie erst morgen, aber eben nur vielleicht. Wenn es sicher wäre, dann wäre es Wissenschaft.
Hinweis: Durch Werbung versuchen einige Firmen mit ihren Produkten, wissenschaftlich zu wirken. Wir haben sind nämlich an das Leben mit Wissenschaft so gewöhnt, dass wir ganz intuitiv ihr vertrauen. Wer er schafft, mit sonderbaren Produkten trotzdem wissenschaftlich zu wirken, kann damit viele $$$ verdienen. Beispiele finden sich in der Werbung – Zahncreme vorgestellt durch Menschen in weißen Mänteln, Hautcreme durch klinisch rein wirkende Döschen und Apotheken, Trinkjoghurt, mit dem man dann – angeblich wissenschaftlich bewiesen – sehr gut aufs Klo gehen kann. Wenn das so wäre, müsste der Effekt messbar sein. Aber wie messen Sie „gut aufs Klo gehen“? Ein besonderer Fall ist Homöopathie, die Behandlung von Krankheiten mit stark verdünnten Wirkstoffen. Es ist sehr in Ordnung, daran zu glauben, es kann sein, dass es bei Ihnen funktioniert. Angeblich auch bei Kühen. Aber es gibt Probleme mit der Messbarkeit und der Vorhersagbarkeit, auch mit der Wiederholbarkeit. Was dem Ganzen keinen Abbruch tun muss – es ist halt nur nicht wissenschaftlich. So what.
Übrigens: Da im Bereich außerhalb der Wissenschaft wirklich alles ist, dürfen wir dort auch Gott hingeben. Sehr gerne.
Schritt 3: Die Sache mit der Beweisbarkeit
So klar uns Wissenschaft erscheint, so wichtig ist folgendes festzuhalten: Es gibt keine 100%-igen Beweise. Jede Aussage der Wissenschaft könnte auch nicht stimmen. Es gibt nur Hinweise. Man kann durch ein Experiment nichts beweisen, sondern nur zeigen. Wo liegt der Unterschied? Wenn ich Ihnen beweisen möchte, dass Schafe weiß sind, müsste ich Ihnen jedes Schaf im Universum zeigen. Das gelingt mir nicht. Ich muss irgendwann darauf vertrauen, dass Sie mir glauben. Aber: Jede Aussage der Wissenschaft kann zu 100% widerlegt werden. Das Wort mit dem „kurzen I“ – im Sinne von „gegen“. Wenn Sie mir ein schwarzes Schaf zeigen, ist meine Theorie der weißen Schafe tot. Ganz.
Ist das nicht komisch? Wir können nicht zu 100% beweisen, sondern zu 100% widerlegen? Misstrauen Sie also allen, die sagen, „die Wissenschaft“ hat bewiesen. Es geht nicht. Es braucht auch nicht zu gehen. Man muss es nur wissen.
Abschließend halten wir fest: Zu dem, was sich im Inneren Bereich befindet, im Teil des Lebens, der sich nach den vier wissenschaftlichen Kriterien verhält, sagen wir „wissen“. Wir wissen es, obwohl es nicht zu 100% beweisbar ist. Wir sagen es aber so. Zu allem, was sich außerhalb dieses Bereiches befindet, sagen wir „glauben“. Einfach um den Unterschied in der passenden Wortwahl auszudrücken. Es ist keine Wertung. Glauben gehört zum Leben wie das Wissen.
Wir glauben an Gott. Wir beschäftigen uns mit Wissenschaft. Manche mehr das eine. Manche mehr das andere. Manche machen beides gleich. Und manche machen nichts.
Schritt 4: Noch was?
Ja. Nur um sicher zu sein, was das für eine Auswirkung hat, was wir gerade gelernt haben. Schauen wir uns noch die Worte an, mit denen wir uns über die Welt unterhalten.
Eine Aussage ist … alles, was sich sagen lässt. Diese Klasse ist honk. Es ist heiß. Schizngrimm. Ich bin schwerelos. – Kann Sinn machen, muss aber nicht.
Eine Behauptung ist … eine Aussage mit Wahrheitsanspruch. Ich möchte, dass Sie meine Aussage für wahr halten. Ich habe viel Geld. Die Schwerkraft lässt den Apfel fallen. Der Ball ist rund.
Da wir in der Wissenschaft aber keine Behauptung beweisen können, bleibt es dabei. Alles, was wir sagen, was wir als Merksätze in Bücher drucken. Alles, was wir als Sicher weitergeben, sind Behauptungen, die nicht zu 100% beweisbar, aber zu 100% widerlegbar. Darin liegt die Stärke der Wissenschaft, und nicht eine Schwäche.
Hinweis: Behauptungen der Wissenschaft werden auch Hypothesen genannt. Es ist aber genau das selbe. Mehre Behauptungen/Hypothesen heißen „Theorie“. In der Sozialwissenschaft sagt man auch „Thesen“. Axiome sind mehrere Behauptungen, die sehr grundlegend sind. Man kann sie nicht beweisen, aber das ganze Argumentationsgebäude würde schwanken, wenn eine davon nicht stimmt, alles ist zum Beispiel in der Mathematik auf solche Axiome aufgebaut.
Jede Aussage der Wissenschaft gilt nur so lange, bis ein anderer daherkommt und etwa Besseres behauptet.
Und überhaupt:
Physik ist die Suche nach der besten Geschichte. Sie ist vielleicht auch die Suche nach der Wahrheit.
Keine physikalische Geschichte ist beweisbar. Es gibt aber schon welche, die ganz gut erklären, was wir sehen, fühlen denken. Was wir vom Universum als richtig halten. Den Urknall zum Beispiel. Was für eine Idee. Vor 13,8 Milliarden Jahre. Hinweise darauf sind die Kosmische Hintergrundstrahlung und die Rotverschiebung der Galaxien. Aber keine Beweise. Haben Sie eine bessere Geschichte?
Mit dieser fehlenden Beweisbarkeit haben wir Flugzeuge gebaut. Wir haben über die Welt erfahren. Wir haben die Entwicklung der Arten erklärt – die Evolution. Vielleicht gibt es bessere Geschichten, vielleicht kennen Sie eine bessere Geschichte? Nur zu. Wissenschaft kann jede:r.
Schritt 5: Vom Warum zum Wie
Wenn wir nun erfahren haben, dass wir nichts beweisen können, können wir auch unsere Fragen anpassen.
Warum ist der Himmel blau? Warum gibt es Käfer? Warum weht der Wind?
- Keine Antwort ist beweisbar.
- Jede Frage kann auch beantwortet werden mit: „… weil ein Außerirdischer einen blauen Knopf drückt“.
Diese Fragen kann man schon halbwegs beantworten, damit man zufrieden ist. Besser wäre aber vielleicht, diese Fragen in Wie-Fragen umzuwandeln.
Wie ist der Himmel? Blau. Wie sind Käfer? Wie weht der Wind?
Dann können wir beschreiben. Und das gelingt uns immer.
Übungen:
- Zeige, dass die Konstruktion von Flugzeugen wissenschaftliche Kriterien erfüllt.
- Zeige, dass das Vorhersagen der Lottozahlen durch ein Pendel keine wissenschaftlichen Kriterien erfüllt.
- Erfinde eine schönere Geschichte, als die, dass die Erde eine Scheibe ist, und versuche sie zu begründen.
- Erfinde eine Geschichte, dass wir im Inneren einer Hohlwelt leben, und versuche sie zu begründen.
- Finde die grundlegenden Behauptungen der Evolutionstheorie. Diskutiere sie zuerst mit Freunden. Und dann mit Feinden.
- Finde grundlegende Behauptungen zur Schwerkraft. Diskutiere sie zuerst mit Freunden. Finde „Feinde“, die etwas anderes behaupten, und versuche sie zu überzeugen.
- Menschen sind am Klimawandel beteiligt. Kannst du das beweisen? Wenn ja, wie, wenn nein, warum nicht?
- In Computersimulationen kann man zeigen, dass ohne Menschen das Klima die letzten 100 Jahre nicht wärmer geworden wäre. Was bedeutet das für dich persönlich?
- Finde Berichte über „Wunder“ und begründe, warum diese Berichte aus dem Bereich des Glaubens kommen. Was sollen diese Berichte bewirken?
- Finde Berichte über das Begründen von Wunder auf wissenschaftliche Art. Warum kann man nicht beweisen, dass es keine Wunder gibt?
- Zusammenschau: Definiere Gott für dich. Definiere Geister für dich. Und definiere Wissenschaft für dich. Wie möchtest du in Zukunft damit umgehen?
- Sammle viele typische Warum-Fragen von Menschen und versuche sie in Wie-Fragen umzuformulieren. Beispiel: Warum gibt es Krieg? –> Wie ist Krieg?
Eine Sonnenforscherin erzählt
Gespräch mit der Sonnenforscherin Astrid Veronig. Erschienen in der neuen Physikalischen Soiree 239.
Klimawandel
Mathe nach Zahlen: 🌵 Kaktus
Klick mal auf die drei Pluspunkte
Dieser Kaktus hat ein paar Zahlen versteckt
Verwende beide Fotos, um die Fragen zu beantworten.
Rund 
Säule 
Bedeckt 
Dicke Blätter 
Mehrere Säulen 
Stacheln
Ein Kaktus. Mehrere Kakteen.
Kein Kaktus ist so dicht mit Stacheln besetzt, daß er nicht noch Platz für eine Blüte hätte. — Sprichwort
Kakteen sind Pflanzen, die in trockenen Gegenden leben. Kakteen können viel Wasser speichern. Warum?
Symmetrie
360 : 9 = 
Vielleicht hast du bemerkt dass nicht nur 40° die Lösung ist sondern auch 80°, 120°, 160°, und so weiter. Du kannst den Kaktus auch um Vielfache von 40° drehen, und er sieht wieder gleich aus. Wir sprechen von Rotations-Symmetrie.
Von der Wirklichkeit zum Modell
Die Stacheln des Kaktus sind im Weg, wenn wir uns mit dem Kaktus mathematisch beschäftigen wollen. Da ist es besser ein Modell zu bilden. Ein Modell ist ein vereinfachtes Abbild der Wirklichkeit. Doch welches Modell ist das richtige für einen Kaktus?
Messen
Berechnen
Wir werden nun die Oberfläche berechnen. Und das Volumen.
Oberfläche 
Volumen
Was bedeutet das Ergebnis? Ist das viel oder wenig? Wir vergleichen.
Handtrockner. Innere Werte.
1000 Menschen gehn aufs Klo. Waschen sich die Hände. Was ist billiger für den Betreiber: Papierhandtücher bereitzustellen? Handtücher aus Stoff? Heiße Luft aus dem Handföhn oder ein Air-Blade?
Unendlich viele Zimmer
Hilberts Hotel hat unendlich viele Zimmer. Was passiert, wenn ein Reisender kommt? Wird er Platz finden? Und wenn ein Bus kommt, mit unendlich vielen Sitzen? Werden auch diese Gäste Platz finden? Eine schöne Erklärung der Unendlichkeit natürlicher Zahlen.
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Wie kam das Wasser auf die Erde?
Der Wiener Astronom Rudolf Dvorak spricht über die mögliche Herkunft der wichtigsten Grundlage des Lebens. Er forscht an der Universitätssternwarte Wien.
Wolken im Weltall
Diese Radiobeiträge wurden im ORF Radioprogramm Österreich 1 im Dezember 2018 erstmals ausgestrahlt. Die Sendereihe heißt: „Vom Leben der Natur“. Man kann sie auch als Podcast abonnieren.
Materialien zur 1. Folge
Transkript
Photo by Imleedh Ali on Unsplash
Was ist der Unterschied zwischen Komet und Asteroid?
Das Foto zeigt 67P/Churyumov–Gerasimenko.
Klick zum Manuskript (PDF)
Kometen sind ursprüngliche Produkte bei der Entstehung des Sonnensystems, die weit draußen sind. Wir haben eine Kometenwolke in 10.000 Mal der Entfernung von Sonne zu unserer Erde und immer wieder wird aus dieser Kometenwolke, die sehr weit hinausgeht und vielleicht sogar oder sicher mit anderen Planetensystemen nicht in direktem Kontakt ist sondern austauscht tatsächlich die Kometen. Dass von dort die Kometen immer wieder herein gestreut werden durch vorbeigehenden Sterne und wir haben ja tatsächlich haben wir Beobachtungen von Kometen. Vor kurzem war wieder der Halley’sche Komet da und es gibt immer wieder, der Hale-Bop, und es gibt immer wieder diese fantastischen Erscheinungen. Und diese Kometen sind aus dem ursprünglichen Sonnen-Nebel entstanden, während die Asteroiden genauso entstanden sind wie unsere Planeten, mit einem festen Material und mit Wasser.
Quelle: Rudolf Dvorak im Gespräch mit Lothar Bodingbauer, Foto: ESA/Rosetta/NAVCAM, CC BY-SA IGO 3.0, CC BY-SA 3.0-igo, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=36603034
Mountainbike mit Strom
Es gibt drei grundsätzliche Energieformen, die beim Radfahren ins Spiel kommen. Besonders beim Bergauffahren.
1) Potenzielle Energie. Du und dein Rad habt eine Masse, die am Berg oben mehr potenzielle Energie hat. Aufgrund der Höhendifferenz.
2) Kinetische Energie. Du und dein Rad habt eine Masse und eine Geschwindigkeit, die ihr erreichen wollt, damit ihr vorwärts kommt. Das Fahrrad muss beschleunigt werden. Die Energie aufgrund der Geschwindigkeit heißt kinetische Energie.
3) Reibung. Reifen auf Boden. Kette auf Zahnrad. All das geht nicht reibungslos, hier verschwindet Energie, die sich letztlich in einer Temperaturerhöhung bemerkbar macht. Reibungsenergie muss zugeführt werden, damit nicht alles stehenbleibt.
Jede der drei Energieformen muss irgendwo herkommen. Beim normalen Fahrrad ist das dein Körper. Deine Muskeln. Deine Nahrung. Und es ist gar nicht wenig, was man da braucht. Auf eine bestimmte Zeiteinheit gerechnet (in einer Sekunde, in einer Minute, in einer Stunde) sprechen wir auch von Leistung. Gleiche Energie in geringer Zeit eingesetzt – höhere Leistung.
Beim Elektrorad haben wir die Energie im Akku. Was für eine Erleichterung. Wir müssen nur ein wenig mittreten. Die Energie im Akku „macht das Fahrrad hoch“. Sie macht das Fahrrad schnell. Sie hält das Fahrrad schnell.
Werkstoffe 02: Arten von Eigenschaften
Foto: TU Wien
Was ist ein Zustand? Was ist ein Prozess? Welche Eigenschaften beziehen sich auf Zustände, welche auf Prozesse?
- Lesen Sie die Pressemitteilung
- Unterstreichen Sie alle Eigenschaften
- Markieren Sie in einer Farbe Eigenschaften, die sich auf Zustände beziehen.
- Markieren Sie in einer anderen Farbe Eigenschaften, die sich auf Prozesse beziehen.
- Übung: Beantworten Sie bitte die Fragen der Lernziele.
TECHNISCHE UNIVERSITÄT WIEN
PRESSEAUSSENDUNG 72/2018, 28.08.2018
Zweidimensionalen Materialien beim Wachsen zusehen
Atomar dünne Kristalle werden in Zukunft eine immer größere Rolle spielen – aber wie genau lässt sich der Kristallisationsprozess steuern? Eine neue Methode eröffnet nun neue Möglichkeiten.
Wie entstehen die dünnsten Strukturen, die es gibt? Als „zweidimensionale Materialien“ bezeichnet man Kristalle, die nur aus einer oder wenigen Schichten von Atomen bestehen. Sie zeigen oft ungewöhnliche Eigenschaften, die viele neue Anwendungen in Optoelektronik und Energietechnik versprechen. Eines dieser Materialien ist 2D-Molybdändisulfid, eine atomar dünne Schicht aus Molybdän- und Schwefelatomen.
Die Herstellung solcher ultradünner Kristalle ist schwierig: Die Art, wie die Molybdän- und Schwefelatome auskristallisieren, hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Bisherige Verfahren lieferten ganz unterschiedliche Ergebnisse, ohne dass man die Gründe dafür genau erklären konnte. Durch eine neue Methode, die von Forschungsteams der TU Wien, der Universität Wien und Joanneum Research in der Steiermark entwickelt wurde, ist es nun erstmals möglich, den Kristallisationsprozess unter dem Elektronenmikroskop direkt zu beobachten. Die Methode wurde nun im Fachjournal „ACS nano“ präsentiert.
Vom Gas zum Kristall
„Molybdändisulfid kann in durchsichtigen und biegsamen Solarzellen oder auch in der nachhaltigen Erzeugung von Wasserstoff zur Energiespeicherung verwendet werden“, erklärt Bernhard C. Bayer vom Institut für Materialchemie der TU Wien, der Erstautor der Studie. „Dafür muss man es aber zunächst in der erforderlichen Qualität kontrolliert wachsen lassen.“
Das geschieht oft, indem man von Atomen im gasförmigen Zustand ausgeht, die zunächst an einer Oberfläche auf zufällige und recht ungeordnete Weise kondensieren. Erst danach bringt man die Atome dazu, sich in einer regelmäßigen Kristallform anzuordnen – etwa durch Erhitzen. „Die vielfältigen chemischen Reaktionen während der Kristallisation sind aber noch unklar, deshalb ist es sehr schwer, zielgerichtet bessere Herstellungsverfahren für solche 2D-Materialien zu entwickeln“, sagt Bernhard Bayer.
Durch eine neue Untersuchungsmethode soll es nun aber möglich werden, die Details der Kristallisation genau zu studieren. „Man muss sich dann nicht mehr durch Versuch und Irrtum an die beste Methode herantasten, sondern kann aufgrund eines tiefen Verständnisses der Vorgänge eindeutig sagen, wie man das gewünschte Produkt erhält“, ist Bernhard Bayer zuversichtlich.
Graphen als Untergrund
Zuerst wird Molybdän und Schwefel ungeordnet auf eine Membran aus Graphen aufgebracht. Graphen ist das derzeit wohl bekannteste unter den 2D-Materialien – ein nur eine Atomlage dünner Kristall aus wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen. Die zufällig angeordneten Molybdän- und Schwefelatome werden dann unter dem Elektronenmikroskop mit einem feinen Elektronenstrahl zur Kristallisation gebracht, und denselben Elektronenstrahl kann man gleichzeitig auch verwenden, um den Prozess abzubilden.
So wurde es erstmals möglich, direkt zu beobachten, wie sich die Atome während des Wachstums der nur zwei Atomlagen dünnen Schichten bewegen und umordnen. „Dabei können wir sehen, dass die thermodynamisch stabilste Konfiguration nicht unbedingt immer der Endzustand sein muss“, sagt Bernhard Bayer. Unterschiedliche Kristall-Anordnungen treten in Konkurrenz zueinander, wandeln sich ineinander um und lösen einander ab. „Damit ist nun völlig klar, dass frühere Untersuchungen so unterschiedliche Ergebnisse brachten. Es handelt sich um einen komplizierten, dynamischen Prozess.“ Die neuen Erkenntnisse werden dazu beitragen, in Zukunft die Struktur der 2D-Materialien genauer an Anwendungsanforderungen anzupassen, indem man gezielt in diese Umordnungsprozesse eingreift.
Die beschriebene Forschung wurde durch FFG, FWF und die Europäische Kommission gefördert.
Originalpublikation:
Bayer et al., Atomic-Scale in Situ Observations of Crystallization and Restructuring Processes in Two-Dimensional MoS2 Films, ACS Nano, (2018), 12, 8758-8769, http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.8b04945
Materials & Matter ist – neben Computational Science & Engineering, Quantum Physics & Quantum Technologies, Information & Communication Technology sowie Energy & Environment – einer von fünf Forschungsschwerpunkten der Technischen Universität Wien. Geforscht wird von der Nanowelt bis hin zur Entwicklung neuer Werkstoffe für großvolumige Anwendungen. Die Forschenden arbeiten sowohl theoretisch, beispielsweise an mathematischen Modellen im Computer, wie auch experimentell an der Entwicklung und Erprobung innovativer Materialien.
Kontakt: Dr. Bernhard Bayer, Institut für Materialchemie, Fachbereich Molekulare Materialchemie, Technische Universität Wien, bernhard.bayer-skoff@tuwien.ac.at, Aussender: Dr. Florian Aigner, florian.aigner@tuwien.ac.at, Foto: TU Wien
Link zur Presseaussendung: https://www.tuwien.ac.at/aktuelles/news_detail/article/126153/
Link zum Arbeitsblatt: 02 Arten von Eigenschaften
Werkstoffe 01: Eigenschaften und Kriterien
Was sind Vorteile und Nachteile? Was brauchen Sie, um Vorteile und Nachteile zu erkennen? Was unterscheidet Eigenschaften und Kriterien?
- Lesen Sie die Pressemitteilung.
- Wie heißt der Werkstoff?
- Unterstreichen Sie alle Eigenschaften.
- Unterstreichen Sie gute/verbesserte Eigenschaften mit anderer Farbe.
- Schreiben Sie die Vorteile auf. Könnte es auch Nachteile geben?
- Übung: Beantworten Sie die Fragen der Lernziele.
TECHNISCHE UNIVERSITÄT WIEN
PRESSEAUSSENDUNG 50/2018, 04.06.2018
Härten auf Knopfdruck: Kohlenstoff-Faser-Verbundwerkstoffe und Unterwasser-Kleber
An der TU Wien wurde eine Spezialformel für ein Epoxidharz entwickelt. Es kann für faserverstärkte Komposite im Flugzeug-, Auto- oder Schiffsbau eingesetzt werden, oder ist sogar für Unterwassersanierungen geeignet.
Innerhalb von Sekunden kann sich das neue Material völlig verändern: Am Anfang ist es transparent, es kann flüssig oder pastos sein. Bestrahlt man es an irgendeinem Punkt mit dem passenden Licht, beginnt sich das gesamte Spezialharz zu verfestigen und nimmt dabei eine dunkle Farbe an. Die spezielle Epoxidharz-Formel, die das möglich macht, wurde von der TU Wien patentiert. Nun gelang es, diesen Prozess sogar unter Wasser ablaufen zu lassen. Damit kann das neue Epoxidharz für Aufgaben verwendet werden, die bisher nur sehr schwer zu lösen waren – etwa um unter Wasser Risse in Brückenpfeilern oder Dämmen zu verkitten, oder um im laufenden Betrieb Rohre zu reparieren.
Neu ist auch, dass dieses spezielle Epoxidharz auch in Verbindung mit Kohlenfasern oder Kohlenfasermatten verwendet werden kann. Dadurch ergeben sich breite Anwendungsmöglichkeiten im Flugzeugbau, bei Windkraftanlagen, Schiffs- und Bootsbau oder in der Automobilindustrie – überall dort wo man höchste mechanische Eigenschaften mit besonders leichter Bauweise kombinieren möchte.
Gewöhnliches Material mit ungewöhnlichem Zusatz
Epoxidharze gehören zu den Standard-Materialien, die in der Industrie für viele unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden – etwa um elektronische Bauteile zu isolieren, oder um mechanische Teile zu fixieren. Die Forschungsgruppe von Prof. Robert Liska (Institut für Angewandte Synthesechemie, TU Wien) entwickelt Zusatzstoffe, die man gewöhnlichem Epoxidharz hinzufügt, um seine Eigenschaften anzupassen und eine gezielte Aushärtung auf Knopfdruck zu ermöglichen.
„Wir entwickeln spezielle Verbindungen, bei denen durch Licht eine chemische Reaktion ausgelöst wird“, erklärt Robert Liska. „Das kann ein heller Blitz sichtbaren Lichts sein, wir haben auch Verbindungen, die nur auf UV-Licht reagieren.“ An dem Punkt, an dem das Licht auf das Harz trifft, wird eine Reaktion gestartet, die Wärme freisetzt. Diese Wärme breitet sich aus und setzt die chemische Kaskade auch anderswo in Gang – bis schließlich das gesamte Harz in kurzer Zeit ausgehärtet ist.
„Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist, dass man nicht wie bei anderen lichthärtenden Materialien das gesamte Harz beleuchten muss“, erklärt Liska. „Es genügt, irgendeinen beliebigen Punkt mit Licht zu treffen. Der Rest härtet dann auch aus, wenn er sich tief in einem dunklen Spalt befindet, den man kitten möchte.“ Bisher hat man für solche Einsatzbereiche meist Zweikomponenten-Formulierungen verwendet. Sie werden zunächst direkt vor Ort mühsam zusammengemischt und müssen dann sehr schnell verarbeitet werden, bevor sie von alleine aushärten.
Interesse aus der Industrie
Von Partnerunternehmen aus der Industrie kam die Anfrage, ob dieser Prozess auch in Gegenwart von „dunklen“ Füllstoffen oder Fasern möglich wäre, denn gerade für solche schwierigen Einsätze wäre selbsthärtendes Epoxidharz äußerst nützlich. „Oberflächlich betrachtet widerspricht diese Idee jeder Theorie“, meint Liska. „Das Licht wird durch die schwarzen Kohlefasern sehr gut absorbiert, kann also nicht weit in das Material eindringen“, Trotzdem konnte in Experimenten an der TU Wien eindrucksvoll gezeigt werden, dass dies sehr gut funktioniert.
Auch das Aushärten unter Wasser widerspricht jeder Theorie. „Man würde erwarten, dass das Wasser einerseits mit den Komponenten des Harzes während der Härtung chemisch reagiert, und dass es andererseits die Wärme abtransportiert, die man zum Aufrechterhalten der Reaktion benötigt.“ Erstaunlicherweise gelang es aber auch, die lichtgestartete Selbstaushärtung unter Wasser ablaufen zu lassen. „Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass die chemische Reaktion das Wasser zum Kochen bringt“, erklärt Robert Liska. „Es bildet sich also zwischen dem erhärtenden Harz und dem umgebenden Wasser eine dünne Schutzschicht aus Wasserdampf.“
Nun wird nach weiteren Anwendern aus der Industrie gesucht, um die Möglichkeiten des Spezialharzes auszuloten. Neben dem Einsatz als Glas- und Kohlefaserkomposite im Bereich vom Flugzeug-, Schiffs- und Automobilbau liegt ein besonders interessanter Bereich in der Sanierung von Bauwerken. Man könnte etwa Risse in Gebäuden, die im Wasser errichtet sind, mit zähflüssigem Harz verkleben und dann mit einem Lichtblitz aushärten. Auch die Sanierung von Rohrleitungen ist eine Aufgabe, die oft sehr schwer zu lösen ist – auch hier würde sich der Einsatz des neuen Harzes anbieten. „Möglichkeiten gibt es viele – wir hoffen auf möglichst interessante neue Ideen“, sagt Robert Liska.
Wissenschaftlicher Kontakt: Prof. Robert Liska, Institut für Angewandte Synthesechemie Technische Universität Wien,robert.liska@tuwien.ac.at, Aussender: Dr. Florian Aigner, florian.aigner@tuwien.ac.at, Foto: TU Wien
Link zur Presseaussendung: https://www.tuwien.ac.at/aktuelles/news_detail/article/125878/
Link zum Arbeitsblatt als PDF: 01 Eigenschaften und Kriterien
Wikipedia-Stichworte: Eigenschaft | Kriterium | Vorteil
Rotation
Neben der geradlinigen Bewegung – ohne Kräfte – gibt es auch noch die Bewegung in Kurven. Es sind Kräfte notwendig, damit das geht. Eine dritte Art der Bewegung ist besonders regelmäßig: die Kreisbewegung, die Rotation. Es braucht eine gleichbleibende Kraft, die den Gegenstand immer in Richtung Mitte zieht, das Resultat ist die Bewegung auf einer Kreisbahn. Es kann natürlich auch sein, dass sich ein Gegenstand als Gesamtes dreht. Da ist dann jedes Teilchen auf einer Kreisbahn. Das Ganze wird Rotation genannt.
Wissenschaftler haben die schnellste Rotation erzeugt, die sie bisher kannten. Dazu gibt es einen Artikel der ETH Zürich vom 24.07.2018.
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Schwarze Bälle
In Kalifornien werden sogenannte „Shade Balls“ auf Stauseen geschüttet, um zu verhindern, dass das Wasser zu stark verdunstet und dadurch verschwindet. Warum Bälle? Es sind schwarze Bälle. Warum schwarz? Wie gross werden sie wohl sein? Welche Auswirkungen kann das haben? Welche Faktoren spielen eine Rolle? Von welcher Seite gehen wir die Geschichte an?
Diskutieren Sie zuerst, und lesen Sie dann diesen Standard-Artikel. Hier ist der Link zum englischsprachigen Nature-Artikel. Und hier noch zum englischsprachigen Wikipedia-Artikel.
Photo by Junkyardsparkle [CC0], from Wikimedia Commons
