Landessieger 2019

Arbeitswelt

IndoorFeinstaubProjekt

 Arbeitswelt LandeswettbewerbAntonia Münchenbach
St. Ursula Gymnasium, 79098 Freiburg

aluMINTzium
 

In meinem Projekt 2018 habe ich viel Feinstaub in Innenräumen und Klassenzimmern gefunden. In Fortführung meiner Arbeit konzentriere ich mich weiterhin auf den Schadstoff Feinstaub, speziell in Klassenzimmern, mit einer räumlich differenzierten Untersuchung. Dazu habe ich ein dreidimensionales Messnetz im Innenraum konzipiert und aufgebaut und damit die Verteilung von Kreidefeinstaub in verschiedenen Szenarien untersucht. Ich konnte feststellen, dass vor allem die ersten Reihen stark von Feinstaub betroffen sind. Doch auch in den hinteren Reihen sind noch Konzentrationsanstiege zu verzeichnen. Weiterhin gibt es immer wieder lokale Feinstaubspots. Die räumlich aufgelösten Messergebnisse haben meine letztjährige Forderung bestätigt, dass die weitere Verwendung von Kreide in Schulen überdacht werden sollte.

 

 

Biologie

DNAzyme als neuer Ansatz zur Regulierung von PAD4 bei der Entstehung rheumatischer Arthritis

Biologie LandeswettbewerbTobias Stadelmann
Universität Heidelberg, 69117 Heidelberg
Leon Stadelmann
Marta-Schanzenbach-Gymnasium, 77723 Gengenbach

Xenoplex, Schülerforschungszentrum Gengenbach

 

DNA als neues Medikament gegen Rheumatoide Arthritis - das ist das Ziel, welches wir mit unserem bio-therapeutischen Projekt erreichen wollen. Fragt man sich, wie DNA nicht nur als biologischer Datenspeicher, sondern auch zur Krankheitsbekämpfung genutzt werden kann, dreht sich alles um die so genannten DNAzyme.
Mit diesen konnten wir das Protein PAD4, welches mit der Entstehung von rheumatoider Arthritis assoziiert wird, regulieren, mit dem Ziel, die unheilbare Krankheit in Zukunft vielleicht verzögern zu können.
Nachdem die Machbarkeit durch Computersimulationen und im Reagenzglas gezeigt wurde, belegen Ergebnisse in lebenden Zellen den regulatorischen Effekt der Methode bei der Entstehung von rheumatoider Arthritis.

 

 

Chemie

Mit Tonern zu rückstandfreiem Trinkwasser - Von magnetischen Kräften und selektiver Adsorption

Chemie LandeswettbewerbRobin Schönegg
Gymnasium Überlingen, 88662 Überlingen
Franziska von Wulffen
Bildungszentrum Nord, 72768 Reutlingen

 

Schülerforschungszentrum Südwürttemberg, Standort Saulgau

Der Zugang zu sauberem Trinkwasser ist ein Menschenrecht, doch in vielen Regionen der Welt ist sauberes Wasser nicht ausreichend verfügbar. In Deutschland stellen Überschreitungen von Grenzwerten ebenfalls neue Herausforderungen an die Wasseraufbereitung. Problemstoffe sind dabei vor allem hormonell wirksame Substanzen, Pestizide und Keime.  Unser Ziel ist es, die Problemstoffe an geeignete Oberflächen zu binden und aus dem Wasser zu entfernen. Dazu entwickelten wir ein Verfahren auf Basis von Magnetitpartikeln (Fe3O4), die als elektrographische Toner kommerziell in großem Maßstab verfügbar sind. Durch gezielte Modifizierung der Oberflächen mit Polymeren oder Nanopartikeln können wir diese Magnetitpartikel selektiv mit Bindungseigenschaften ausstatten. Mit Magnetitpartikeln, die wir mit anionischen, kationischen oder hydrophobe Oberflächen versehen hatten, konnten wir sowohl unsere Modellstoffe Methylenblau und Bisphenol A als auch Bakterien gezielt binden. Mit starken Magneten ließen sich die Magnetitpartikel mit den gebundenen Problemstoffen effizient aus dem Trinkwasser entfernen. Damit eröffnen wir eine ganz neue Option zur Reinigung von Trinkwasser, die ergänzend zu den herkömmlichen Methoden verwendet werden kann.

 

 

 

 

 

Mathe/Informatik

Türme von Hanoi mit variabler Felderzahl

MatheInfo LandeswettbewerbJosua Kugler
Hartmanni Gymnasium Eppingen, 75031 Eppingen
Lucca Kümmerle
Hartmanni Gymnasium Eppingen, 75031 Eppingen
Robin Ebert
Wilhelm-Maybach-Schule Heilbronn, 74076 Heilbronn

 

Es gibt n Felder (1, 2,.., n), wobei zu Beginn des Spiels m Scheiben mit unterschiedlichem Durchmesser nach Größe geordnet auf Feld 1 liegen. Ziel des Spieles ist es, alle Scheiben auf Feld n zu verschieben.
Bei einem  Zug wird die oberste Scheibe auf eine größere Scheibe eines anderen Feldes gelegt.
Wie viele Züge benötigt man mindestens, um alle Scheiben auf Feld n zu verschieben?
Diese seit ca. 70 Jahren offene Frage wurde  2016 von Roberto Demontis mit einem deutlich komplizierteren, aber dafür allgemeineren Beweis beantwortet.  Wir haben diese und auch weiterführende Fragen neu untersucht, beantwortet und deutlich einfachere Beweise gefunden.
Zusätzlich haben wir einige Programme, wie beispielsweise auch eine App für Android geschrieben, die unsere Ergebnisse visualisieren. Aktuell arbeiten wir an einer Verschlüsselung, die auf den Türmen von Hanoi basiert.

 

 

 

 

Physik

Ionenwind

Physik LandeswettbewerbRickmer Krinitz
Hans-Thoma-Gymnasium, 79540 Lörrach
Daniel Mynko
Hans-Thoma-Gymnasium, 79540 Lörrach
Frieder Büchner
Hebel Gymnasium, 79540 Lörrach

phaenovum Schülerforschungszentrum Lörrach-Dreiländereck

 

Mit einer Kerze, einer spitzen Nadel und einer Hochspannungsquelle kann man die Entstehung eines Ionenwinds in einem starken elektrischen Feld demonstrieren. Dieser auf Stoßionisationsprozessen beruhende elektrodynamische Effekt erzeugt eine Schubkraft, die der Richtung des Ionenflusses entgegenwirkt. Nach einer ausführlichen theoretischen Analyse haben wir zunächst einen experimentellen Aufbau realisiert, mit dem es erstmalig möglich war, diese Kraft in unterschiedlichen Gasen zu messen. Mit dem Bau eines durch die Fernsehserie „Star Trek“ inspirierten Modells untersuchten wir, inwiefern der Ionenwind als Antrieb für Fahrzeuge in Frage kommt. Welchen Schub entwickelt dieser lautlose und ohne bewegliche Teile auskommende Ionenantrieb?  Wie groß ist seine Effizienz? Lassen sich so in Zukunft die „unendlichen Weiten“ des Weltraums oder zumindest die endlichen Weiten des Luftraums leichter erobern?

 

 

 

 

Technik

Tool-Changer für den 3D-Druck

Technik LandeswettbewerbTobias Neidhart
Ellenrieder-Gymnasium, 78462 Konstanz

 

Das Ziel dieses Projektes ist es, einen Multimaterial-3D-Drucker zu konstruieren, der ein programmgesteuertes wechselbares Druckdüsenelement (Extruder) besitzt, wodurch es möglich wird, mehrere Farben und/oder auch mehrere Material-Typen (Filament) für ein Druckobjekt quasi gleichzeitig zu verwenden. Dabei wird nur die Druckdüse bewegt, die zu diesem Zeitpunkt benötigt wird. Durch dieses Vorgehen werden einige Nachteile bestehender Lösungen beseitigt. So wird das Problem mit unsauberen Filament-Übergängen am Druckobjekt fast gänzlich vermieden bei einem gleichzeitig geringeren Transportgewicht. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Minimierung des Materialabfalls beim Wechsel des Filaments.
Da es für diese Zielsetzung derzeit keine kommerziell verfügbare Lösung gibt, habe ich mir zum Ziel gesetzt einen Drucker mit wechselbarem Kopf selbst zu entwickeln, der zu dem noch mehrere verschiedene weitere Werkzeuge wie Fräs- oder Plotterköpfe aufnehmen kann. Entscheidend dabei ist, dass der Wechsel der Extruder-Elemente während eines Druckvorgangs programmgesteuert abläuft und dabei kein manueller Eingriff erforderlich ist.
Der komplette Druckkopf besteht aus einem beweglichen Trägerelement, das eine komplette Druckdüse (Extruder) inklusive Filament-Tube und Elektrokabel aufnehmen kann. Das Trägerelement besitzt eine mechanische 3-Punkt-Kupplung kombiniert mit drei Elektromagneten, die für eine stabile Verbindung der beiden Komponenten während des Druckvorgangs sorgen. Dazu wird das Extruder-Element zusätzlich mit einer Stahlplatte versehen. Das Extruder-Element besitzt zudem einen Neodym-Magneten und zwei Aufnahmehülsen mit dem das Element an der DockingStation, die sich am Rahmen des 3D-Druckers befindet, über zwei Stahlstifte angedockt und abgelegt werden kann. Für jedes Werkzeug (Extruder für eine Farbe bzw. Materialtyp, Plotter, Fräse) befindet sich am Rahmen eine eigene Dockingstation.

 

MLV - Magnetically Levitated Vehicle

Felix Sewing
Hochrhein-Gymnasium Waldshut, 79761 Waldshut-Tiengen
Alex Korocencev
Hochrhein-Gymnasium Waldshut, 79761 Waldshut-Tiengen

Interdisziplinär Landeswettbewerb

Wir haben ein Magnetically Levitated Vehicle (MLV) von Grund auf entwickelt, welches nach dem Prinzip der magnetischen Abstoßung über einer diamagnetischen Platte schweben kann. Die magnetische Abstoßung wird durch sich drehende Scheiben erzeugt, welche mit Magneten in modifizierter Halbach-Array Anordnung bestückt sind, die in der darunterliegenden Platte ein gegenläufiges Magnetfeld induzieren und somit die Abstoßung bewirken. Durch gezieltes Ankippen einzelner Rotorscheiben kann zum einen eine kontrollierte Vorwärts- und Rückwärtsbewegung initiiert werden, als auch eine kontrollierte Drehbewegung nach links oder rechts. In Summe ist das MLV nun fernsteuerbar und lenkbar. 
Alle physikalischen Grundlagen hierzu wurden von uns selbst erarbeitet und in Simulationen an leistungsfähigen Universitätsrechnern bestätigt. Auch alle technischen Details wurden in Modell-Vorversuchen von uns selbst entworfen. Unser neues MLV („Hoverboard“)  haben wir in AutoDesk Inventor selbst konstruiert und dann auf unserem 3D-Drucker gedruckt. Zudem wurde die Magnetanordnung in den Rotorscheiben optimiert, um innere Spannungen darin zu vermeiden.  Diese neue Anordnung wurde von uns beiden als „stabilisiertes Halbach Array“ zum Patent angemeldet (AKZ 10 2018 002 179.4).

 

 

 

 

 

Interdisziplinäre Arbeit

ultraTEC - und der Grat ist weg!

Interdisziplinär LandeswettbewerbJakob Rehberger
88471 Laupheim Kilian-von-Steiner-Schule, 88471 Laupheim
Jonas Münz
88471 Laupheim Kilian-von-Steiner-Schule, 88471 Laupheim

 

Schülerforschungszentrum Südwürttemberg, Standort Ulm

 

Knochenimplantate aus Titan sind zum Einbringen von Knochenzement sehr oft Kanüliert und Perforiert. Diese sich treffenden dünnen Bohrungen (0,8-1,8 mm) müssen sehr sauber entgratet werden, damit keine Kleinstpartikel/Verunreinigungen/Zerspanrückstände in den Körper des Patienten gelangen.
Bis zu unserem Projekt gab es leider keine prozesssichere Möglichkeit zum Entgraten von Knochenimplantaten, da alle in der Industrie üblichen Verfahren Rückstände auf den Implantaten hinterlassen, die nur bedingt abreinigbar sind. Wir entwickelten und bauten eine Ultraschall-Entgratanlage zum prozesssicheren Entgraten und gleichzeitigen Vorreinigen der Implantate. Dabei wird der komplette Entgratprozess durch entsprechende Sensorik überwacht, um zu 100% reproduzierbare Ergebnisse zu bekommen. Einflussfaktoren kommen aus der Physik, der Chemie und der Biologie gleichermaßen. Patienten, die ein Knochenimplantat benötigen, können jetzt endlich sicher sein, keine unerwünschten Rückstände mit implantiert zu bekommen!

 

 

 

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