Physik

ARA – Akustische RaumAnalyse

ARA – Akustische RaumAnalyse

Fledermäuse navigieren mit Ultraschall: Während des Fluges senden sie hohe, für den Menschen unhörbare Töne aus, fangen die Echos auf und können dadurch bei Nacht Hindernissen flink und elegant ausweichen. Dieses Prinzip nahmen sich Ferdinand Schäffter und Lukas Schnellbacher zum Vorbild, um ein neuartiges Vermessungssystem für Räume zu konstruieren. Dabei spielt ein Lautsprecher ein Schallsignal aus, mehrere Mikrofone nehmen die von Wänden und Decke reflektierten Echos auf. Um diese Echos zu analysieren, programmierten die Jungforscher eine Software, die die Signale der verschiedenen Mikrofone vergleicht und Rauschen sowie Störgeräusche herausfiltert. Hilfreich sein könnte das System eines Tages unter anderem zur Navigation autonomer Roboter.

Der Einfluss der Saxofon-Blattstärken auf das Klangspektrum

Der Einfluss der Saxofon-Blattstärken auf das Klangspektrum

Für manche Menschen überraschend zählt das Saxofon nicht zu den Blechbläsern, sondern zu den Holzblasinstrumenten. Der Grund ist die Art der Tonerzeugung: Sie erfolgt über ein Schilfrohrblatt, das durch den gepressten Atem zum Schwingen gebracht wird. Wie aber wirkt sich die Stärke dieses Blatts auf den Instrumentenklang aus? Um das herauszufinden, ermittelte Marje Kaack zunächst die Kraft, die zum Verbiegen verschiedener Rohrblätter nötig ist. Dann setzte sie die Blätter nacheinander in ein Saxofon ein und nahm die jeweiligen Klangspektren auf. Im Ergebnis erzeugten dünne Blattstärken einen scharfen, obertonreichen Klang, wohingegen dickere Rohrblätter einen wärmeren, jedoch auch klareren Ton zur Folge hatten. Sie sind allerdings technisch anspruchsvoller zu spielen als dünnere Blattstärken.

Effekte im fallenden viskosen Flüssigkeitsstrom

Effekte im fallenden viskosen Flüssigkeitsstrom

Lässt man Honig von einem Holzstab nach unten fließen, ist ein interessantes Phänomen zu beobachten: Wo er auftrifft, rollt sich der Honigstrahl zu einem schneckenartigen Gebilde auf. Der Grund dafür ist, dass die Flüssigkeit unten langsamer abfließen kann, als sie von oben nachkommt. Diesen Effekt nahm Finn Michler in seinem Forschungsprojekt genauer unter die Lupe und verglich ihn mit dem Verhalten weniger dickflüssiger Stoffe. Er konstruierte unter anderem einen Versuchsaufbau, bei dem die verschiedenen Flüssigkeiten aus unterschiedlichen Höhen nach unten fielen. Dann stellte er mithilfe von Kamerabildern fest, unter welchen Bedingungen das Schneckenphänomen einsetzte. Im Prinzip könnte der Effekt, so das Resümee des Jungforschers, künftig das 3-D-Drucken beschleunigen.

Ermittlung des Normalized Difference Vegetation Index mit einer modifizierten RGB-Kamera

Ermittlung des Normalized Difference Vegetation Index mit einer modifizierten RGB-Kamera

Die Fernerkundung per Satellit wird für Forschung und Landwirtschaft immer wichtiger: Die Aufnahmen können verraten, in welchem Zustand sich die Vegetation befindet und wann und wo gedüngt werden sollte. Allerdings sind dafür ausgefeilte Verfahren erforderlich, mit denen sich aus den Bildern die gewünschten Informationen extrahieren lassen, etwa über den Gesundheitsstatus der Pflanzen. Eine solche Methode entwickelte Britt Besch in ihrem Forschungsprojekt mit einfachen Mitteln – mit einer Digitalkamera, mehreren Filtern und einer selbst gebauten Halterung. Es folgte der Langzeittest im eigenen Garten: Die Spezialaufnahmen zeigten nicht nur die Entwicklung der Vegetation im Verlauf der Jahreszeiten, sondern auch den Einfluss von Dünger und Bewässerung auf den Rasen.

Experimenteller Nachweis von negativer effektiver Masse

Experimenteller Nachweis von negativer effektiver Masse

Können Stäbe, die durch Federn miteinander verbunden sind, so schwingen, als hätten sie eine negative Masse? Dieser Frage ging Johannes Rothe nach. Anregen ließ er sich dabei von einer chinesischen Fachpublikation, in der er den Hinweis fand, dass solche negativen Massen bei einer anderen Art von Federpendel aufgetreten waren. Um seine Frage zu beantworten, konstruierte der Jungforscher eine Wellenmaschine aus beweglichen Stäben, die mit Federn untereinander verbunden sind. Ein elektrischer Impulsgeber versetzte sie in Schwingung, eine Kamera filmte das Geschehen. Die anschließende Computeranalyse lieferte das Ergebnis: Werden einige der Stäbe mit Klammern fixiert, kann sich die Wellenmaschine so verhalten, als wären tatsächlich negative Massen im Spiel.

Faser-Bragg-Gitter und deren Potenzial zur Anwendung im Bereich der Neuroprothesen

Faser-Bragg-Gitter und deren Potenzial zur Anwendung im Bereich der Neuroprothesen

Arm- und Handprothesen sind in den vergangenen Jahren immer leistungsfähiger geworden. Dafür sorgen unter anderem Sensoren, die Nervensignale im Unterarm erfassen und an einen Steuerungsrechner weiterleiten oder die Motorbewegungen der mechanischen Finger genauestens überwachen. Malte Reinstein, Johanna Rackete und Lilly Schuster untersuchten, inwieweit ein Bauteil als Prothesensensor taugt, das dort bislang noch nicht zum Einsatz kommt – die Glasfaser. Sie kann zum Beispiel Dehn- und Biegebewegungen präzise messen. In mehreren Experimenten analysierten die drei, wie belastungsfähig und haltbar Glasfasern im Dauerbetrieb sind. Ihr Ergebnis fällt durchaus positiv aus: Glasfasern scheinen als Komponenten von Neuroprothesen absolut geeignet zu sein.

Fehlertolerante Methode zur Bestimmung der spezifischen Elektronenladung

Fehlertolerante Methode zur Bestimmung der spezifischen Elektronenladung

Das Elektron ist das wohl prominenteste unter den Elementarteilchen. Es trägt eine ganz bestimmte elektrische Ladung, die sich mit speziellen Experimenten messen lässt, zum Beispiel im Physikunterricht. Allerdings sind diese Messungen zumeist ziemlich ungenau, was oftmals an den wenig präzisen Versuchsaufbauten liegt. Christoph Schütze, Stefan Kribbe und Leon Krasniqi wollten sich damit nicht abfinden und entwickelten eine Messapparatur, mit der sich die Elektronenladung besonders genau ermitteln lässt. Wesentliche Teile des Aufbaus stellten sie per 3-D-Drucker her, auch die Schaltungen für die Messelektronik entwarfen sie selbst. Damit gelang es den Jungforschern, den Wert der Elektronenladung bis auf wenige Prozent genau zu bestimmen.

Festkörperanalyse mithilfe des Fermi-Hubbard-Modells

Festkörperanalyse mithilfe des Fermi-Hubbard-Modells

Wenn ein Laptop-Prozessor auf Hochtouren arbeitet, laufen pro Sekunde Abermilliarden von Schaltprozessen – Elektronen fließen gezielt von einer Stelle zur anderen. Solche Prozesse mathematisch zu beschreiben, ist alles andere als einfach, schließlich gehorchen Elektronen den hochkomplexen Regeln der Quantenphysik. In seinem Forschungsprojekt entwickelte Hugo Hager Fernández einen Algorithmus, der ebenso effizient wie präzise nachbilden kann, wie sich Elektronen in einem Festkörper verhalten. Das besondere Augenmerk des Jungforschers galt dabei einem regelrechten Extrembereich – Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius. Hier nämlich besitzen die Elektronen so wenig Energie, dass sie ihren ureigenen Grundzustand einnehmen können.

Laterale Auflösung in der Positronen-Annihilations-Lebensdauerspektroskopie

Laterale Auflösung in der Positronen-Annihilations-Lebensdauerspektroskopie

Viele Materialien besitzen eine Kristallstruktur. Allerdings sind die meisten Kristalle alles andere als perfekt, sie besitzen winzige Makel und Defekte. Mitunter können diese Defekte Werkstoffeigenschaften negativ beeinflussen und das Material spröde und brüchig machen. Glücklicherweise gibt es zerstörungsfreie Prüfverfahren, die solche Mängel aufspüren können. Eine dieser Methoden entwickelte Martin Rauch in seinem Forschungsprojekt weiter – die sogenannte Positronen-Annihilations-Lebensdauerspektroskopie. Dabei dringen winzige radioaktive Teilchen als Minisonden ins Material ein und geben Auskunft über dessen Inneres. Der Jungforscher nutzte spezielle radioaktive Salzlösungen als Positronenquelle und konnte dadurch die Auflösung bei dieser Methode merklich verbessern.

Lightwhiskers/branched flow of light

Lightwhiskers/branched flow of light

Im Juli 2020 vermeldete ein israelisch-amerikanisches Forschungsteam die Entdeckung eines verblüffenden optischen Effekts: Streift ein Laserstrahl eine Seifenblase, kann er sich in Dutzende feinere Strahlen aufspalten – ähnlich einem Baumstamm, der sich in immer dünnere Äste verzweigt. Max Dorzweiler und Jan Dajnec konstruierten mithilfe eines 3-D-Druckers eine Apparatur, die solche Seifenblasen von gleichbleibender Qualität erzeugen kann. Zudem ließen sie sich einen raffinierten Mechanismus einfallen, bei dem eine Glasfaser das grüne Licht eines Lasers zur Seifenblase leitet. Nach einiger Tüftelei gelang es ihnen, das faszinierende Lichtspektakel selbst zu erzeugen. Darüber hinaus entwickelten sie ein Gerät zur Messung der Dicke der Seifenmembran, um das Phänomen so noch weiter zu erforschen.

Physikalische Beschreibung und Modellierung des Fluges von Papierstreifen

Physikalische Beschreibung und Modellierung des Fluges von Papierstreifen

Wird eine Konfettikanone abgefeuert, folgt ein turbulentes Schauspiel: Aberhunderte von Papierschnipseln wirbeln in abenteuerlichen Flugkurven durch die Luft. Leonard Münchenbach und Leo Neff widmeten sich diesem Phänomen in ihrem Forschungsprojekt mit wissenschaftlicher Akribie. Sie konstruierten ein Gestell, das kleine Papierstreifen auf immer gleiche Weise zu Boden fallen ließ. Eine Zeitlupenkamera filmte das Geschehen und eine Computersoftware half bei der Analyse der Aufnahmen. Auf diese Weise untersuchten die Jungforscher die unterschiedlichsten Streifenformen, manche lang und schmal, andere kurz und breit. Als Ergebnis fanden sie unter anderem eine Formel, mit der sich präzise ausrechnen lässt, wie schnell Papierstreifen von einer bestimmten Form und Größe beim Herunterfallen rotieren.

Neuartige SPIONs als alternatives MRT-Kontrastmittel

Neuartige SPIONs als alternatives MRT-Kontrastmittel

Die Magnetresonanztomografie (MRT) zählt zu den wichtigsten Bildgebungsverfahren in der Medizin. Sie erlaubt es auf schonende Weise, 3-D-Aufnahmen aus dem Körperinneren zu erstellen. Um die Bildqualität zu steigern, wird oft ein Kontrastmittel verabreicht, das auf dem Element Gadolinium basiert. Dieses kann sich jedoch im Gewebe anreichern und in seltenen Fällen eine Erkrankung verursachen. Daher suchte Aruna Sherma in ihrer Forschungsarbeit nach einer Alternative. Mithilfe aufwendiger chemischer Herstellungsverfahren entwickelte sie mehrere Varianten eines gadoliniumfreien Kontrastmittels, basierend auf Nanopartikeln aus Eisenoxid. Die Analysen verliefen vielversprechend: So wie es aussieht, könnten einige der Kandidaten durchaus als effektive, nicht giftige Kontrastmittel taugen.

Projekt X

Projekt X

Trifft ein gebündelter Laserstrahl auf eine raue Oberfläche, ist oft ein besonderes Schauspiel zu sehen: Es erscheinen kleine Lichtsprenkel, im Fachjargon Speckles genannt. Als Jochan Brede diese genauer in den Blick nahm, fiel ihm auf, dass die Lichtflecken selbst bei kleinsten Erschütterungen hin und her tanzten. Das brachte ihn auf einen Gedanken: Ließe sich dieser Tanz nicht ausnutzen, um winzigste Bewegungen und Verschiebungen zu messen? Um seine Idee zu prüfen, konstruierte der Jungforscher eine raffinierte Apparatur aus Laser, Kamera und Piezomotor. Dann erprobte er seinen Versuchsaufbau in einem Profilabor mitsamt schwingungsgedämpftem Tisch und Speziallaser. Das Ergebnis: Die Apparatur konnte sogar eine Verschiebung von nur zehn Nanometern zuverlässig erkennen.

Reibungsoszillator

Reibungsoszillator

Ein Pendel, das einfach hin- und herschwingt, ist mathematisch gesehen ein harmonischer Oszillator. Tamás Simon befasste sich in seinem Forschungsprojekt mit einem ganz ähnlichen Gebilde – dem Reibungsoszillator. Er besteht aus zwei sich gegenläufig drehenden Zylindern, auf denen ein Stab liegt. Unter bestimmten Bedingungen beschreibt der rutschende Stab, verursacht durch die Reibung auf den rotierenden Zylindern, eine rhythmische Bewegung. Doch entspricht diese Bewegung exakt der eines Pendels, so wie es in den Lehrbüchern steht? Der Jungforscher untersuchte das Phänomen präzise mit einem eigens konstruierten Messaufbau – und kam zu einem anderen Ergebnis: Die Bewegung des Stabs verläuft deutlich komplexer als die eines einfachen harmonischen Oszillators.

Ultraschnelle Emissionsprozesse in Graphen

Ultraschnelle Emissionsprozesse in Graphen

Ein noch junges Material fasziniert die Physikgemeinde: Graphen – eine Kohlenstoff-Modifikation, die nur aus einer einzigen Lage von Atomen besteht. Tamara Pröbster ließ sich von der Begeisterung anstecken und schaute sich in ihrem Forschungsprojekt eine Eigenschaft von Graphen genauer an: Was genau passiert, wenn es mit starken Lichtblitzen beschossen wird? Dazu konstruierte sie einen Versuchsaufbau, bei dem ein Laser ultrakurze Pulse auf ein Graphenblättchen feuert. Dabei wurden innerhalb kürzester Zeit Elektronen frei, was sich als Stromfluss durch das Graphen bemerkbar machte. Bei ihren Messungen konnte die Jungforscherin herausfinden, wie sich dieser Prozess im Detail abspielt. Praktische Anwendungen sind für die Elektronik der Zukunft denkbar – hier gilt Graphen als heißer Kandidat.

Visualisierung von Mikrowellen

Visualisierung von Mikrowellen

Ist von der Mikrowelle die Rede, denken viele an den praktischen Herd in der Küche, der im Handumdrehen Speisen erwärmt. Doch mit Mikrowellen lässt sich noch mehr anfangen: Camille Westerhof entwarf ein Konzept, um Bilder mithilfe von Mikrowellen aufzunehmen. Dazu machte er sich den sogenannten Dopplereffekt zunutze, bekannt etwa vom Martinshorn auf Einsatzfahrzeugen: Bewegt sich eine Schallquelle auf einen zu, ist der Ton höher, als wenn sie sich von einem entfernt. In seinem Forschungsprojekt konstruierte der Jungforscher eine Platine, die diesen Mikrowellen-Dopplereffekt erfassen kann – eine Voraussetzung für die Bildaufnahme. Als Nächstes plant er den Bau einer Spezialantenne, die Mikrowellensignale aus der Umgebung erfassen kann, etwa von einem vorbeifliegenden Flugzeug.

Chaotische Dynamik in Hamilton'schen Systemen

Chaotische Dynamik in Hamilton'schen Systemen

Chaos gibt es nicht nur im Kinderzimmer oder auf manchem Schreibtisch, sondern auch in der Physik. Hier bezeichnet man Systeme als chaotisch, bei denen bereits kleinste Ursachen große Wirkungen haben können – wie jener sprichwörtliche Schmetterling in Brasilien, der durch seinen Flügelschlag womöglich einen Tornado in Texas auslöst. Mit der hochkomplexen Mathematik, die hinter solchen chaotischen Phänomenen steckt, befasste sich Timo Hofmann in seinem Forschungsprojekt. Dabei nahm er eine bestimmte Klasse von Systemen in den Blick – die sogenannten Hamilton‘schen Systeme. Der Jungforscher untersuchte, unter welchen Umständen diese Systeme mathematisch vorhersagbar bleiben und wann sie unberechenbar werden – und sich damit chaotisch verhalten.

DAZU – digitaler Abbiegeassistent zur Unfallvermeidung an Fahrradkreuzungen

DAZU – digitaler Abbiegeassistent zur Unfallvermeidung an Fahrradkreuzungen

Leider passiert es immer wieder im Straßenverkehr, dass ein Lkw-Fahrer nach rechts abbiegt und dabei einen Radfahrer übersieht – mit zum Teil dramatischen Folgen. Um hier für mehr Verkehrssicherheit zu sorgen, entwickelten Ferdinand Karnath und Jupp Nepomuk Haasler ein ausgeklügeltes Warnsystem. Das Prinzip: Nähert sich ein Lkw einer Kreuzung, erfassen zwei Ultraschallsensoren dessen Anfahrts- und Bremsweg. Gleichzeitig überwachen weitere Sensoren den Radweg. Registrieren sie einen Radfahrer, ermittelt ein Rechner, ob sich Fahrrad und Lkw auf Kollisionskurs befinden. In diesem Fall leuchtet auf einem Display ein Signal auf, dass den Lkw-Fahrer vor der Gefahrensituation warnt. Um die Tauglichkeit ihres Systems zu demonstrieren, erstellten die Jungforscher ein realitätsgetreues Lego-Modell im Maßstab 1 : 41.

Der Wirbel im Tank

Der Wirbel im Tank

Auf einer Raumstation ist vieles anders als auf der Erde, schließlich herrscht dort kaum Gravitation. Die Unterschiede gehen bis ins Detail: So ist es mangels Schwerkraft gar nicht so einfach, Wasser aus einem Vorratstank zu den Astronauten zu leiten. Vithusa Thirunavukarasu und Melanie Brehmer ließen sich dafür eine originelle Lösung einfallen: Mit einem Rührmagneten, wie man ihn aus dem Chemielabor kennt, erzeugten sie in einem zylindrischen Tank einen Wirbel. Dieser drückt das Wasser aus dem Tank heraus in Richtung eines Transportschlauchs und verhindert dabei zudem die Bildung von lästigen Bläschen. Dass ihr System wie erhofft funktioniert, konnten die beiden bei Versuchen in einem Fallturm belegen, wo für kurze Zeit in einer Abwurfkapsel Schwerelosigkeit herrscht.

Der ZeoWarm 2.0 – verschiedene Zeolith-Arten und ihre Regeneration

Der ZeoWarm 2.0 – verschiedene Zeolith-Arten und ihre Regeneration

Zeolithe sind Kristalle mit einer besonderen Eigenschaft: Trocknet man sie sorgfältig und gießt dann Wasser darüber, erhitzen sie sich stark. Charlotte Henkel und Ruben Rohsius nutzten dieses Phänomen für eine clevere Erfindung – einen Trinkbecher, der seinen Inhalt von selbst erwärmt. In ihrem Forschungsprojekt untersuchten die beiden, welche der vielen Zeolith-Arten sich am besten dafür eignet. Da der Becher wiederverwendbar sein soll, lag ihr Hauptaugenmerk auf der Frage, welche Kristalle sich möglichst effektiv trocknen lassen, um das Gefäß „neu zu laden“. Als Ergebnis stießen die beiden auf eine Zeolith-Art, die sich in vertretbarerer Zeit regenerieren lässt: Im Backofen muss man sie eine halbe Stunde lang auf 250 Grad erhitzen, in der Mikrowelle genügen elf Minuten bei 135 Watt.

Ein Leben mit Kleben

Ein Leben mit Kleben

Als sich Anja Sack das Innenleben eines Kameraobjektivs näher anschaute, fiel ihr auf, dass alle Linsen in Fassungen eingeklebt waren, um sie so möglichst stabil in Position zu halten. Da kam sie auf eine Idee: Könnte man auf die Fassungen verzichten und die Linsen nur mit Klebstoff fixieren? Wäre das möglich, ließen sich deutlich leichtere Objektive bauen. Fraglich war allerdings, ob der Kleber allein für ausreichende Stabilität sorgen kann. Um das zu prüfen, konzipierte die Jungforscherin einen Langzeitbelastungstest, bei dem sie zwei miteinander verklebte Linsen sowohl großer Hitze als auch starker Kälte aussetzte. Das Ergebnis: Sogar nach neun Monaten hatte sich die Klebung nur wenig verformt. Einer Anwendung im Alltag scheint also nichts entgegenzustehen.

Entwicklung eines gadoliniumfreien Kontrastmittels für die Kernspinresonanztomografie

Entwicklung eines gadoliniumfreien Kontrastmittels für die Kernspinresonanztomografie

Magnetresonanztomografen – kurz MRT-Scanner – sind aus der Medizin nicht mehr wegzudenken. Sie liefern ohne gesundheitsschädliche Röntgenstrahlung Bilder aus dem Körperinnern. Allerdings bergen bestimmte Kontrastmittel, die für manche Aufnahmen verwendet werden, ebenfalls Gesundheitsrisiken. Sie enthalten das Metall Gadolinium, das sich im Nervensystem ablagern kann. Daher machte sich Aruna Sherma auf die Suche nach einem weniger belastenden Kontrastmittel, das auf nanometerkleinen Teilchen basieren soll. Um die Tauglichkeit verschiedener Materialien zu prüfen, konstruierte sie eine Magnetisierungskammer in der Größe eines Schuhkartons. Das Resultat: Am erfolgversprechendsten erschienen Nickel und Aluminium, die die Jungforscherin nun eingehender untersuchen will.

Entwicklung eines Messgerätes zur Oberflächenprüfung mit Laser Specklemustern

Entwicklung eines Messgerätes zur Oberflächenprüfung mit Laser Specklemustern

Trifft der Strahl eines Lasers auf eine raue Wand oder eine Schallplatte, entsteht ein scheinbar chaotisches Lichtmuster aus gesprenkelten hellen und dunklen Flecken. Dieses Phänomen, auch „Speckles“ genannt, inspirierte Jochan Brede zur Entwicklung und Optimierung einer Messmethode für die zerstörungsfreie Prüfung von Werkstücken. Er untersuchte den Effekt zunächst experimentell wie auch mittels zahlreicher Simulationen. Basierend auf seinen Forschungsergebnissen entwickelte der Jungforscher ein mobiles Messgerät, mit dem sich die Rauheit sowohl von Metall- als auch von Kunststoffoberflächen bestimmen lässt. Bereits feinste Risse in Werkstücken lassen sich bei Tageslicht einfach und schnell detektieren. Damit ist das Gerät eine kompakte und vielseitige Lösung für die Qualitätsprüfung oder Instandhaltung.

Entwicklung eines thermoregulativen Bekleidungstextils auf Grundlage variabler Luftzellen

Entwicklung eines thermoregulativen Bekleidungstextils auf Grundlage variabler Luftzellen

Im Frühjahr wird der Griff in die Garderobe an manchen Tagen zur Herausforderung. Den Wintermantel anziehen und dann am Nachmittag schwitzen? Oder doch lieber die Jacke nehmen und dafür am Morgen frösteln? Hier wollten Simon Fiebich, Louisa Weber und Charlotte van Almsick Abhilfe schaffen: Sie entwickelten eine spezielle Jacke, die sich dem Wetter anpasst und bei Frost stärker wärmt als bei milder Frühlingsluft. Der Trick: Die drei bauten zusätzliche, wabenförmige Kammern in das Textil ein. Durch Öffnen und Schließen dieser Kammern ist es möglich, die Wärmeströmung innerhalb des Textils zu beeinflussen. Damit lässt sich einstellen, ob die Jacke besser oder schlechter isoliert. Testreihen in einer Kühlkammer zeigten: Das Prinzip funktioniert, auch wenn es im Detail noch Verbesserungsmöglichkeiten gibt.

Ionenwind – der Antrieb der Zukunft?

Ionenwind – der Antrieb der Zukunft?

Positioniert man eine Nadel neben einer Kerzenflamme und setzt sie unter Hochspannung, passiert etwas Überraschendes – wie aus dem Nichts erlischt die Flamme. Die Erklärung dafür: Die unter Spannung stehende Nadelspitze lädt die Luft elektrisch auf, wodurch ein Lufthauch entsteht. Dieser „Ionenwind“ ist so stark, dass er die Flamme ausbläst. Rickmer Krinitz, Daniel Mynko und Frieder Büchner regte dieses Phänomen zu einem originellen Gedanken an: Wäre es möglich, per Ionenwind ein Raumschiff anzutreiben? Um das Potenzial abzuschätzen, ließen sie sich mehrere Versuchsaufbauten einfallen. So gelang es ihnen, ein kleines Raumschiff-Enterprise-Modell dank Ionenwind Karussell fahren zu lassen. Ihr Resümee: Auf einem Planeten wie der Venus könnte ein Ionenwind-Antrieb durchaus nützlich sein.

Neuronale Netze auf der Suche nach dunkler Materie

Neuronale Netze auf der Suche nach dunkler Materie

Es ist eines der großen Geheimnisse der Physik: Diverse Phänomene deuten darauf hin, dass es neben der gewohnten, uns umgebenden Materie noch etwas anderes gibt – die sogenannte dunkle Materie. Dank ihrer Gravitation scheint sie die Galaxien zusammenzuhalten wie ein unsichtbarer Klebstoff. Nur: Woraus diese dunkle Materie besteht, darüber rätseln Experten seit Jahrzehnten. Carolin Kohl befasste sich in ihrem Forschungsprojekt mit einem Experiment namens CAST, das am Teilchenforschungszentrum CERN in Genf nach dem Ursprung der dunklen Materie sucht. Sie schrieb ein spezielles Computerprogramm, das auf künstlicher Intelligenz basiert und dazu in der Lage ist, die Messdaten des Experiments vorzusortieren sowie interessante und weniger interessante voneinander zu trennen.

Superluminares Tunneln: Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit

Superluminares Tunneln: Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit

Laut Albert Einstein ist es ein ehernes Gesetz: Nichts ist schneller als das Licht. Daher sorgte in den 1990er Jahren ein Experiment für Aufsehen, das einen Verstoß gegen das „kosmische Tempolimit“ nahelegte. Demnach bewältigen Mikrowellensignale unter bestimmten Bedingungen eine kurze Strecke in unendlich kurzer Zeit – für Einstein ein Ding der Unmöglichkeit. In der Folge kamen Theorien auf, die dieses Phänomen letztlich doch in Übereinstimmung mit Einstein erklären konnten. Dennoch blieben Zweifel – weshalb sich Peter Elsen und Simon Tebeck die Sache näher anschauten. Mit zwei Prismen aus Acrylglas und einer Menge Mikrowellentechnik vermaßen sie den Effekt systematisch und kamen zu einem verwegen klingenden Schluss: Vielleicht ist doch etwas dran an den Signalen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen.

Untersuchung fliegender Gyroskope

Untersuchung fliegender Gyroskope

Mit einer Frisbeescheibe lassen sich enorme Weiten erzielen, der Weltrekord liegt aktuell bei mehr als 300 Metern. Der Grund dafür ist die Rotation des Flugobjekts: Sie trägt entscheidend zur Stabilisierung des Fluges bei. Nils Wagner widmete sich in seiner Arbeit einem ähnlichen Wurfgerät: Der „X-Zylo“ ist ein dünnwandiger Hohlzylinder, der wie ein Football geworfen wird und erstaunlich geradlinig fliegen kann. Um dies im Detail zu verstehen, schrieb der Jungforscher ein Computerprogramm, das die Flugbahn des X-Zylo simulieren kann. Anschließend überprüfte er die Ergebnisse auf Basis von Versuchen mit einer selbst gebauten, katapultähnlichen Abschussvorrichtung. Das Ergebnis: Die berechneten und die tatsächlichen Flugbahnen lagen nahe beieinander, auch wenn die Software noch nicht alle für den Flug maßgeblichen Effekte berücksichtigte.

Wärmestrahlung bei der Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums mit LEDs

Wärmestrahlung bei der Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums mit LEDs

Das Planck'sche Wirkungsquantum zählt seit seiner Entdeckung vor 120 Jahren zu den wichtigsten Naturkonstanten der Physik. Es verknüpft die bis dahin getrennten Welten von Teilchen und Wellen und bildet eine wesentliche Grundlage der Quantentheorie. Als Anja Hoffmeister in der Schule die Konstante mithilfe von LEDs bestimmen sollte, stellte sie fest, dass ihre Messkurve nicht der theoretisch erwarteten Vorgabe entsprach. Nach systematischen Experimenten und der Erstellung diverser Messreihen stieß die Jungforscherin schließlich auf die Ursache dieser Abweichung. Die LEDs im Versuchsaufbau geben nicht nur sichtbares Licht ab, sondern möglicherweise auch Wärmestrahlung. Denn es war Wärme, die im vorhergehenden Versuch die Messkurve für die Bestimmung des Wirkungsquantums durcheinanderbrachte.

Wie bekommen Straßen Sixpacks? Experimentelle Untersuchung von Rippeln im Sand

Wie bekommen Straßen Sixpacks? Experimentelle Untersuchung von Rippeln im Sand

Das kennen sowohl Auto- als auch Radfahrer: Auf manchen Straßen haben sich im Laufe der Zeit kleine Rippeln gebildet, die insbesondere beim Bremsen ein unangenehmes Rütteln verursachen können. Doch wie kommen diese Rippelmuster eigentlich zustande? Um das herauszufinden, konzipierten Anton Fehnker und Simon Raschke ein ungewöhnliches Experiment: Sie ließen ein Rad, angetrieben von einem Scheibenwischermotor, auf einer mit Sand gefüllten Wanne für längere Zeit im Kreis herumfahren. Dabei stellten sie fest: Bereits nach kurzer Zeit begann das Rad zu hoppeln – denn auf der anfangs ebenen Sandoberfläche hatten sich die ersten Rippel gebildet. Die detaillierte Analyse der Messungen zeigte, dass die Rippelbildung nicht linear verläuft, also überaus komplexen, chaotischen Gesetzmäßigkeiten folgt.

Wie man mit Induktion kocht – ohne dass es warm ums Herz wird

Wie man mit Induktion kocht – ohne dass es warm ums Herz wird

Induktionsherde sind praktisch: Nur die Töpfe werden heiß, nicht aber das gesamte Kochfeld. Zudem lässt sich die Temperatur schneller regulieren als bei herkömmlichen Herden. Doch sind Induktionsherde womöglich ein Risiko für die Träger von Herzschrittmachern? Um das herauszufinden, konstruierte Henrik Hermelink einen raffinierten Teststand. Mit ihm konnte er das vom Herd ausgehende Magnetfeld präzise messen. Das Resultat überraschte den Jungforscher: Insbesondere, wenn der Topf nicht richtig positioniert auf dem Kochfeld stand, ohne dass sich der Herd abschaltete, wurden die gültigen Grenzwerte zum Teil deutlich überschritten. Um das Risiko für die Träger von Schrittmachern zu minimieren, entwickelte Henrik Hermelink mehrere Schutzmaßnahmen – zum Beispiel eine rutschfeste Unterlage, die ein versehentliches Verschieben des Topfes erschwert.

Windenergie am Windradturm

Windenergie am Windradturm

Ein Windrad liefert Strom, wenn sein Rotor durch Wind angetrieben wird. Doch lässt sich noch mehr Ertrag aus der Anlage herauskitzeln? Dieser Frage gingen Lea Burger und Bonita Ruppert nach – und stießen dabei auf ein paar originelle Ansätze. So könnte man am Turm drehbare Vorrichtungen aus Halbkugeln anbringen, die ähnlich wie Windmessgeräte funktionieren. Zusätzlich ließe sich das Innere des Turms nutzen: Würde man an bestimmten Stellen Löcher in den Turm bohren, könnte dank des sogenannten Kamineffekts stetig warme Luft von unten nach oben strömen. Turbinen könnten aus diesem Luftzug Energie gewinnen. Anhand von Modellversuchen überprüften die Jungforscherinnen ihre Ideen und kamen auf eine eindrucksvolle Zahl: Mithilfe der Zusatztechniken könnte ein Windrad 16 Prozent mehr Strom erzeugen.

Ob Licht oder Elektrizität, ob Wellen oder feste Körper – hinter beinahe allen Dingen in unserer Umwelt steckt Physik

Wer sich etwa für Mechanik, Akustik, Optik, Magnetismus, Kernphysik, Thermo- oder Elektrodynamik interessiert, dem dürfte es leicht fallen, ein Thema aus diesen Bereichen zu einem Jugend forscht Projekt zu machen. Jungforscherinnen und Jungforscher können zum Beispiel ein Modellauto im Windkanal testen, den Klang eines Instruments analysieren, die Lebensdauer von Seifenblasen untersuchen oder mit der Brennstoffzelle experimentieren.

Disziplinen im Fachgebiet Physik sind vor allem

  • Akustik
  • Atom- und Molekülphysik
  • Elastizität
  • Elementarteilchenphysik
  • Festkörperphysik
  • Hydro- und Aerodynamik
  • Klassische und Quantenoptik
  • Mechanik
  • Mess- und Instrumentenkunde
  • Statistische Physik
  • Thermodynamik

Welche Projekte passen nicht ins Fachgebiet Physik?

Astronomische, kosmologische oder astrophysikalische Projekte werden bei Jugend forscht nicht der Physik, sondern dem Fachgebiet Geo- und Raumwissenschaften zugeordnet.

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