Phänomene - Junge Wissenschaft

Junge
Jugend forscht
9,50 EUR // Ausgabe Nr. 92 // 26. Jahrgang // 2011
1
Wissenschaft
Jugend forscht in Natur und Technik
Young Researcher
The European Journal of Science and Technology
Young Researcher
Medienpartner des
Wissenschaftsjahres 2011
Mathematische
Phänomene
Themen:
Der intelligente Schutzhandschuh // Das Geheimnis der
Gefühle // Ein Polymer ohne Erdöl // Auf den Spuren von Weber
und Gauß // Energie in Flüssigkeiten speichern
Das Magazin
für Nachwuchsforscher
Innovative Experimente, wissenschaftliche Beiträge und spannende Ergebnisse:
Außerdem im Heft: Ein Plädoyer für die Mathematik // Mathe gucken //
Ingenieure für neue Branchen gesucht // Jenseits von Ölen // Raus aus
dem Labor, rein in die Schule u. v. m.

Jugend forscht
2
Junge Wissenschaft 92 // 2011
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Editorial
Dank
Vielen Dank allen Firmen und
Unternehmen, die mit Patenschaftsabonnements
in die Zukunft investieren:
Prof. Dr. Wilfried Kuhn,
Villmar/Gießen
Physikalisch
Technische
Bundesanstalt
Braunschweig und Berlin
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Braunschweig und Berlin
Das Aha Gefühl
Im März dieses Jahres nahmen rund
870000 Kinder und Jugendliche aus über
9000 Schulen am Känguru Wettbewerb
teil. Dieser Wettbewerb gehört damit zu
den teilnehmerstärksten Schülerwettbewerben
in Deutschland. Wer ein Känguru sein
will, muss nicht besonders weit springen
können oder eine Sportskanone sein, sondern
Spaß am Rätseln und Knobeln haben.
Der Känguru Wettbewerb ist nämlich
ein Mathematik Wettbewerb.
Physikalisch
Die Aufgaben
sind vielfältig und bewusst Technische nicht allzu
Bundesanstalt
schwer. Den Erfindern des Braunschweig Wettbewerbs,
und Berlin
australischen Mathematik-Professoren, war
es wichtig, dass jeder etwas lösen kann. Das
Erfolgserlebnis steht im Vordergrund. Und
das Konzept geht auf: Während der 75 Minuten
Bearbeitungszeit rauchen die Köpfe,
glühen die Wangen und anschließend wird
sehnsüchtig auf die Auswertung gewartet.
Mathematik kann Spaß machen.
Martin Mattheis, Mathematiklehrer und
Dozent für Didaktik Physikalisch-Technische der Mathematik Bundesanstalt an
Braunschweig und Berlin
der Universität Mainz, beschreibt diesen
besonderen Spaß wie folgt: „Das besonders
Schöne an der Mathematik ist das erhebende
Aha Gefühl, wenn man es selbst geschafft
hat, ein Problem nach längerem und
intensivem Nachdenken zu knacken.“
Mathematik macht also nicht nur Spaß,
sondern erfordert Arbeit. Der Weg zur
Lösung eines Problems ist nicht immer geradlinig,
es gibt Sackgassen und Umwege.
Was nachher scheinbar völlig klar vor einem
liegt, ist das Ergebnis intensiver Anstrengung.
Fach. Dies zeigt eine Studie des Stifterverbandes
der Deutschen Wissenschaft vom
März 2011. In der Presse führte dies dann
zu Überschriften wie „Harte Fächer sind
den Deutschen viel zu anstrengend“ oder
„Ingenieur ist uns zu schwör“. In deutschen
Schulen und Hochschulen muss es wieder
mehr Anstrengung in Mathematik geben.
Es kann nicht sein – wie selbst erlebt –,
dass nur etwa die Hälfte einer Studierenden
Gruppe im 1. Semester Maschinenbau
weiß, wie man den Extremwert einer
Funktion berechnet. Wer als Dozent bei
einer solch typischen Fragestellung aus der
Schulmathematik in fragende Gesichter
schaut, ist ratlos. Der Fachkräftemangel in
Deutschland, der vor allem ein Mangel in
den technischen und naturwissenschaftlichen
Disziplinen ist, ist noch lange nicht
überwunden und wird uns noch viele Jahre
begleiten: Die Politik freut sich zwar über
aktuell steigende Absolventenzahlen in den
MINT Fächern. Doch diese lagen 2009
gerade mal auf dem Niveau von 1995!
Anstrengung ist Jungforschern, die erfolgreich
sein wollen, nicht fremd. Gerade jetzt
in der heißen Phase des Wettbewerbs werden
Wochenendschichten eingelegt und
die Weihnachtsferien für umfangreiche Experimente
eingeplant. Ich bin sicher, Aha
Gefühe – wie oben beschrieben – werden
dabei nicht zu knapp sein.
Dr. Sabine Walter,
Mitherausgeberin und Chefredakteurin
der Jungen Wissenschaft
3
Young Researcher
Mathematik gilt als die hohe Hürde im Ingenieurstudium
und ist doch unverzichtbar,
wie Sie auf den Seiten 10 und 11 lesen können.
Etwa 40 % aller Studenten der Mathematik,
Ingenieur- und Naturwissenschaften
brechen ihr Studium ab oder wechseln das
Impressum
Gründungsherausgeber:
Prof. Dr. rer. nat. Paul Dobrinski †
Herausgeber:
Prof. Dr. Manfred Euler,
Dr. Dr. Jens Simon,
Dr.-Ing. Sabine Walter
Verlag:
Verlag Junge Wissenschaft
Athanasios Roussidis
Neuer Zollhof 3
40221 Düsseldorf
Chefredaktion:
Dr.-Ing. Sabine Walter
s.walter@verlag-jungewissenschaft.de
Redaktion:
Areti Karathanasi, Ekrem Atmis
Erscheinungsweise:
vierteljährlich
Preis:
30,00 € zzgl. Versand für 4 Ausgaben;
Schüler, Studenten, Referendare, Lehrer
zahlen nur 20,00 € zzgl. Versand;
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40549 Düsseldorf
Geschäftsbedingungen:
Es gelten die Allgemeinen Geschäftsbedingungen
des Verlags Junge Wissenschaft
Athanasios Roussidis
ISSN 0179-8529

Magazin Inhalt
4
Junge Wissenschaft 92 // 2011
10
64
Ingenieure für neue
Branchen gesucht
Ingenieure träumen von großen
Maschinen und wollen Kraftwerke,
Flugzeuge oder Autos bauen. Sie
arbeiten gerne dort, wo auch viele
andere Ingenieure tätig sind, weil man
sie dort am besten versteht.
Ein Plädoyer für die Mathematik
Schwankende Brücken, gigantische Musikbibliotheken, turbulente
Strömungen: „Mathematik ist überall!“ Mit Gemeinplätzen wie diesem
versucht man heute, wieder mehr junge Leute zum Studium der Mathematik
zu bewegen. Aber stimmt das wirklich
Automobil- und Flugzeugbauer, sowie
Maschinenbauunternehmen sind
die favorisierten Arbeitgeber junger
Absolventen. Doch es lohnt sich, einen
Berufsstart in den Branchen der Life
Sciences zu suchen.
Editorial 3
Inhalt 4 – 5
Neues 6 – 9
Brennstoffzellen in der Tiefsee 6
Die besondere Nachricht:
Wie kommt das Neue in die Welt 7
Benfords Gesetz entlarvt
Zahlenfälscher 7
Großer Schritt auf dem Weg zur
Neudefinition des Kelvin 8
Ein mathematisches
3D-Puzzle 9
Magazin I 10 – 15
Ein Plädoyer für die Mathematik 10
Mathe gucken – Schüler erstellen
Podcast für den Unterricht 12
Wie aus Jungforschern junge
Wissenschaftler werden 15
Magazin II 58 – 74
Jenseits von Ölen 58
Wissenschaftsjahr 2011:
Forschen für unsere Gesundheit –
Die Medizin der Zukunft 60
Forschungsbörse:
Raus aus dem Labor, rein in die
Schule 62
Neues aus „MINT":
Ingenieure für neue
Branchen gesucht 64
Studien- und Berufsführer:
Masterstudiengänge
Ingenieurwissenschaften 66
Literaturtipps 73
Jugend forscht 16 – 57
Der intelligente Schutzhandschuh
Ein Schutzhandschuh mit
Warnfunktion durch
pH-Indikatoren 16
Das Geheimnis der Gefühle
Neurobiologische Aspekte und
spezifische Differenzen bei
der Ausprägung bewusster
Emotionen 22
Ein Polymer ohne Erdöl
Herstellung und Analyse der
Eigenschaften eines Glycerin-
Citronensäure-Polyesters 32
Auf den Spuren von Weber
und Gauß
Präzise Messung des Erdmagnetfeldes
mit einer selbstgebauten
Messapparatur 42
Energie in Flüssigkeiten
speichern
Untersuchungen zur
Verbesserung der Redox-Flow
Zelle 50

Der intelligente
Schutzhandschuh
Mit Schutzhandschuhen fühlt man sich im
Labor sicher. Unachtsame Bewegungen mit
verschmutzten Handschuhen können jedoch
unangenehme Folgen haben. Davor warnt in
Zukunft ein spezieller Handschuh.
Autor: Alexander Herms
Das Geheimnis der Gefühle
Gefühle bestimmen unser Leben. Manche
erleben wir stärker, andere schwächer. Welche
Ausprägungen bei Schülern der Mittelstufe
vorliegen, wurde nach verschiedenen Kriterien
untersucht.
Autorin: Ramona Rosenzweig
18
22
Junge Wissenschaft –
Jugend forscht in Natur
und Technik
Junge Wissenschaft veröffentlicht Originalbeiträge
junger Autoren bis zum Alter von
23 Jahren mit anspruchsvollen Themen aus
allen Bereichen der Naturwissenschaften
und Technik.
Gründungsherausgeber:
Prof. Dr. rer. nat. Paul Dobrinski †
Herausgeber:
Prof. Dr. Manfred Euler
Dr. Dr. Jens Simon
Dr.-Ing. Sabine Walter
Inhalt
5
Young Researcher
Ein Polymer ohne Erdöl
Kunststoffe werden heute noch überwiegend
aus Erdöl gewonnen. Welche Möglichkeiten
bestehen, aus Glycerin und Citronensäure
Polymere zu gewinnen, wird systematisch
untersucht.
32
Beirat:
Dr. J. Georg Bednorz
Nobelpreisträger
IBM Research Division
Forschungslaboratorium Zürich
Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.
Manfred Eigen
Nobelpreisträger,
Max-Planck-Institut für
Biophysikalische Chemie,
Göttingen
Autor: Robert Böhme
Prof. Dr. Gerhard Ertl
Nobelpreisträger
Fritz-Haber-Institut der
Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Auf den Spuren von Weber
und Gauß
42
Prof. Dr. Ernst O. Göbel
Präsident der Physikalisch-
Technischen Bundesanstalt,
Braunschweig und Berlin
Das Erdmagnetfeld ist eine sehr kleine Messgröße.
Für Schulzwecke wurde eine Apparatur
gebaut, die so präzise misst, dass Störeinflüsse
von Stahlbeton und Stromleitung erkannt
werden.
Autoren: Felix Keidel, Stefan Groha
Dr. Uwe Groth
VDI Projektleitung
„Jugend entdeckt Technik“,
Hemmingen
Prof. Dr. Elke Hartmann
Universität Halle
VDI Bereichsvorstand
„Technik und Bildung“
Energie in Flüssigkeiten
speichern
50
Dr. Sven Baszio
Geschäftsführer der Stiftung
„Jugend forscht“ e. V.,
Hamburg
Redox-Flow Zellen gelten als eine Option für
die Elektromobilität, da Energie in Flüssigkeiten
gespeichert wird. Ein neu entwickelter Aufbau
verbessert die Dichtigkeit, den Oxidationsschutz
und die Leistung.
Autoren: Sebastian Klick, Michael Garzem, Jens
Nettersheim
Prof. Dr. Bernd Ralle
Schriftführer der Zeitschrift MNU,
Fachbereich Chemie,
Universität Dortmund
Wolfgang Scheunemann
Geschäftsführer der dokeo GmbH,
Stuttgart

Magazin
10
Junge Wissenschaft 92 // 2011
Titelthema
Ein Plädoyer für die Mathematik
Schwankende Brücken, gigantische Musikbibliotheken, turbulente Strömungen: „Mathematik ist überall!“
Mit Gemeinplätzen wie diesem versucht man heute, wieder mehr junge Leute zum Studium der Mathematik
zu bewegen. Aber stimmt das wirklich
Durch die Entwicklung der Mathematik
im 18. Jahrhundert, speziell durch die
Theorie der Differentialgleichungen, öffneten
sich Möglichkeiten für zahlreiche
technische Entwicklungen. Aber es bildeten
sich zwei verschiedene Zugänge
zu den Ingenieurwissenschaften heraus:
In der kontinentaleuropäischen Tradition
zählte die „Höhere Mathematik“ zu
den zentralen Ausbildungssträngen der
Ingenieurwissenschaften; in England
hingegen spielte Mathematik nur eine
untergeordnete Rolle, und die beispiellosen
Ingenieurleistungen der Engländer
im 19. Jahrhundert – Eisenbahn, Brückenbau,
Schiffbau – scheinen ein Beispiel
dafür zu sein, dass Ingenieure auch
ganz gut ohne Mathematik auskommen
können. Solcher Ansicht sind übrigens
auch einige Ingenieure in unserem Land.
Vor kurzem meldete sich ein Bauingenieur
bei mir, der einen meiner verzweifelten
Aufrufe zur Rettung des
Niveaus der Schulmathematik gelesen
hatte. Er schrieb mir, Mathematik sei
in der Ausbildung von Bauingenieuren
verzichtbar, nur Verständnis von
Formeln sei wichtig, die jeder Bauingenieur
in Formelsammlungen nachschlagen
würde.
Blamage für Brückenbauer
Ich war sprachlos, aber es gibt ein modernes
Menetekel, das klar pro Mathematik
spricht: Die Millennium Bridge
– eine Fußgängerbrücke in London
über die Themse. Zwei Tage nach der
Öffnung am 10. Juni 2000 musste diese
Brücke wieder geschlossen werden, nachdem
unkontrollierte Querschwingungen
aufgetreten waren. Eine (mathematische!)
Analyse der Brücke ergab eine viel zu
geringe Dämpfung. Begann die Brücke
durch die Bewegungen der Fußgänger
zu schwingen, dann versuchte jeder
Fußgänger diese Schwingungen auszugleichen
und so gerieten alle in einen
Gleichschritt, dessen Frequenz nahe an
der Resonanzfrequenz der Brücke lag.
Die Brücke musste mit 58 Dämpfern
nachgerüstet werden. Zahlreiche Gründe
wurden gefunden, um diese Blamage
zu erklären, aber Insidern war klar, dass
es bei den Berechnungsingenieuren an
Mathematikkenntnissen gefehlt hatte.
Bleiben wir bei Brücken: Am 7. November
1840 wurde in den USA die
Tacoma-Narrows-Brücke vollständig
zerstört. Sehr früh war sie als „Galopping
Gertie“ bekannt geworden, da
sie zu Schwingungen neigte. Eine Untersuchung
nach der Zerstörung ergab,
dass sich hinter der Brücke durch
Strömungsabriss von Querwinden eine
Wirbelstraße gebildet hatte, deren Frequenz
der Resonanzfrequenz der Brücke
entsprach. Solch ein Desaster ist heute
zwar nicht ausgeschlossen (siehe Millennium
Bridge), aber immerhin steht
jetzt die Mathematik zur Verfügung, um
Brücken bereits vor ihrem Bau im Computer
zu untersuchen.
MP3-Player statt LKW
Insbesondere jüngere Menschen sind
heute kaum noch ohne Kopfhörer anzutreffen.
Aus miniaturisierten Geräten,
sogenannten MP3-Playern, lassen sie
sich mit ihrer Lieblingsmusik beschallen
und tragen dabei meist eine gigantische
Musikbibliothek von mehreren tausend
Titeln mit sich herum – dafür hätte
ein Discjockey 1980 einen LKW voll

Magazin
mationen ein dreidimensionales Bild
des durchstrahlten Gewebes berechnet.
11
Vor jeder Konstruktion eines Maschinenteils steht eine mathematische Berechnung der
Festigkeit und Tragkraft.
Schallplatten benötigt! Möglich macht
diese Fülle von Musik die Mathematik.
MP3 heißt eigentlich „MPEG-1 Audio
Layer 3“ und bezeichnet eine (mathematische)
Kompressionsmethode für
Daten. So etwas kennen wir auch bei
Bildern. Der JPEG-2000 Standard
für die Kompression von Bildern basiert
auf der relativ neuen Technik der
„Wavelets“. Klassischerweise entwickelt
man Daten (und auch Bilder sind nur
Daten) in Fourierdarstellungen, aber
man muss relativ viele Fourier-Koeffizienten
speichern, da Informationen
über Frequenzen über alle Koeffizienten
verstreut sind. Wavelets hingegen sind
nur auf einem kleinen Bereich von Null
verschieden, und sie lassen sich skalieren
und verschieben. Tastet man mit solchen
Wavelets ein Signal ab, dann lassen
sich lokal Aussagen über Frequenzen
machen, und so ist eine hohe Kompressionsrate
erreichbar.
Im Jahr 1917 (!) arbeitete der österreichische
Mathematiker Johann Radon
(1887-1956) an einer Integraltransformation,
die heute „Radon-Transformation“
heißt. Radon integrierte eine
unbekannte Funktion längs einer Geraden
und untersuchte, wie man aus dem
Wert des Integrals auf die Funktion
rückschließen konnte. Es gibt wohl
kein schöneres Beispiel dafür, wie wichtig
letztlich die Grundlagenforschung
in der Mathematik ist! Im Wesentlichen
ist ein Computertomograph
eine Maschine, die permanent Radon-
Transformationen berechnet und mit
Hilfe zahlreicher weiterer mathematischer
Techniken aus diesen Transfor-
Es findet sich immer eine Anwendung
Mathematik wird gerne in reine und
angewandte Mathematik unterschieden.
Das ist jedoch immer weniger
sinnvoll: Immer wichtiger für die
Praxis von Berechnungsingenieuren werden
Computeralgebra-Systeme (CAS)
wie Mathematica oder Maple, die auch
komplizierteste Berechnungen übernehmen
können. Den Kern aller dieser
Systeme bildet „reine“ Mathematik,
im Wesentlichen ist es die Algebra! Es
gehört für mich zu den erstaunlichsten
Entwicklungen der Moderne, dass in
den mächtigen CAS in weiten Teilen
Mathematik regiert, die im 19. Jahrhundert
entwickelt wurde und zu ihrer
Zeit (und lange danach) als unanwendbar
galt.
Mathematik, die heute noch unanwendbar
erscheint, kann in wenigen
Jahren schon im Zentrum irgendeiner
Anwendung stehen.
Thomas Sonar
Young Researcher
Bahnbrechende Entwicklungen
Auch in der Medizintechnik hat die
Mathematik zu enormen Umwälzungen
geführt. Wie selbstverständlich leben wir
heute mit Untersuchungen am Computertomographen
CT oder dem Magnetresonanztomographen
MRT, für
die die Entwickler im Jahr 2003 sogar
den Nobelpreis für Medizin erhielten.
Bei der Tomographie wird der Körper
durch eindimensionale Strahlen „durchleuchtet“.
Die einzige Information, über
die man verfügt, ist dabei der Energieverlust,
den der Strahl bei Durchgang
durch den Körper erleidet. Von einem
Strahl auf das durchstrahlte Gewebe zu
schließen, ist unmöglich. Daher rotiert
der Strahl 360 Grad um den Körper herum
und man bekommt so die Energieverluste
aus ganz verschiedenen Richtungen
durch dasselbe Gewebe. Nun
kommt die Mathematik ins Spiel.
Mit Hilfe der "Radon-Transformation" und vielen weiteren mathematischen Techniken berechnet
der Computertomograph aus den Werten rotierender Strahlen ein dreidimensionales
Bild des durchstrahlten Gewebes.
Über den Autor
Prof. Dr. Thomas Sonar arbeitet und lehrt am Institut
Computational Mathematics der TU Braunschweig. Sein
Artikel ist dem IQ Journal des VDI Braunschweigs zum
Thema „Mathematik als Innovationsschlüssel“ entnommen.

Magazin
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e
senschaft
earcher
Ausgabe Nr. 89 // 26. Jahrgang // 2011
Junge
Wissenschaft
Jugend forscht in Natur und Technik
The European Journal of Science and Technology
Young Researcher
umanoide
oboter
Zeitalter
Internet
Jugend forscht–Themen:
Auf Napoleons Spur // Es gibt immer einen Weg nach Hause //
Auf direktem Weg nach Hause // Energie aus der Wand //
Die vierte Dimension
Außerdem im Heft: Beim modularen Roboter lernen die Körperteile
einzeln // Der elektronische Küchenjunge lernt ständig dazu //
KISSWIN.DE unterstützt beim Weg in die Wissenschaft u. v. m.
Medienpartner des
Wissenschaftsjahres 2011
Jugend forscht
Abo macht schlau!
Junge
Wissenschaft
9,50 EUR // Ausgabe Nr. 90 // 26. Jahrgang // 2011
JUBILÄUMSAUSGABE: 25 Jahre Junge Wissenschaft
Jugend forscht in Natur und Technik
The European Journal of Science and Technology
Young Researcher
Das Magazin
für Nachwuchsforscher
Innovative Experimente, wissenschaftliche Beiträge und spannende Ergebnisse:
Medienpartner des
Wissenschaftsjahres 2011
Internationales
Jahr der
Chemie
Das Magazin
für Nachwuchsforscher
Themen:
Das Risiko mit dem Risiko // Opfer der Gravitation // Zahnkronen
aus Zucker// Das Labyrinth der Kreise // Nicht wegwerfen,
sondern aufladen
Außerdem im Heft:
Hacker Kurse an der Universität // 25 Jahre Junge Wissenschaft // Biowissenschaften –
So bunt wie das Leben selbst // Shell-Eco Marathon // Studienführer Medizintechnik u. v. m.
Innovative Experimente, wissenschaftliche Beiträge und spannende Ergebnisse:
9,50 EUR // Ausgabe Nr. 91 // 26. Jahrgang // 2011
Jugend forscht in Natur und Technik
The European Journal of Science and Technology
Medienpartner des
Wissenschaftsjahres 2011
Das Magazin
für Nachwuchsforscher
Themen: Wieder aufrecht gehen lernen // Fingerabdruck
entlarvt Gammelfleisch // Vom Regenbogen zur Tonleiter //
Wohlgeformte Grenzlinien // Auf Kosten von Grasfröschen //
Früh erkannt ist halb gebannt
Außerdem im Heft: Das Auto der Zukunft basiert auf Chemie // Job-Chancen durch Daten-Wolken //
Studium & Beruf: Kommunikationstechnologie // Wissenschaftsjahr 2011: Moderne Implantate u. v. m.
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41
Young Researcher
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Jugend forscht
50
Junge Wissenschaft 92 // 2011
Sebastian Klick, *1992
Michael Garzem, *1991
Jens Nettersheim, *1991
Schule:
St. Michael-Gymnasium,
Bad Münstereifel
Eingang der Arbeit:
September 2010
Zur Veröffentlichung angenommen:
Dezember 2010
Energie in Flüssigkeiten speichern
Untersuchungen zur Verbesserung der Redox-Flow-Zelle
In der Redox-Flow-Zelle wird Energie in Flüssigkeiten gespeichert. Da die Zelle weder eine Selbstentladung
noch einen Memory-Effekt aufweist, ist eine Speicherung über lange Zeiträume möglich. Wir entwarfen
eine neuartige Redox-Flow-Zelle, wobei Probleme der Dichtigkeit sowie des Oxidationsschutzes
preisgünstig gelöst wurden. Ein spezieller Aufbau der Elektrode dient der Leistungssteigerung.
1. Einleitung
Die Redox-Flow-Zelle ist eine sehr gute
Möglichkeit, Energie über lange Zeiträume
zu speichern, da sie keine Selbstentladung
aufweist und keinen Memory-
Effekt kennt. Sie speichert die Energie
in Flüssigkeiten und nicht in Feststoffen
oder Gasen. Damit hat sie eine sehr hohe
Lebensdauer, da keine strukturellen Änderungen
an den Elektroden stattfinden.
Außerdem können große Mengen Energie
relativ preiswert gespeichert werden,
da lediglich große Tanks und ausreichend
Elektrolytlösung erforderlich sind.
2. Funktionsweise einer Redox-Flow-
Zelle
Die Redox-Flow-Zelle ist eine spezielle
galvanische Zelle, bei der die Redoxpaare
nur aus Ionen bestehen, die in einem
Lösungsmittel, zum Beispiel Schwefelsäure,
gelöst sind. Die Energie wird also
in Flüssigkeiten gespeichert.
In dieser Arbeit entwickelten wir eine
völlig neuartige Redox-Flow-Zelle auf
der Basis eines Vanadium/Vanadium-
Akkus. Es ist uns gelungen, die Probleme
der Dichtigkeit sowie des Oxidationsschutzes
preiswert zu lösen. Außerdem
konnten wir durch einen speziellen Aufbau
der Elektrode, die Leistung unserer
Zelle steigern.
Abb. 1: Die vier Oxidationsstufen des Vanadiums: (V, IV, III, II von links nach rechts) aus eigener Herstellung

Jugend forscht
Anode:
V 2+ →V 3+ +e -
1,7 V, da ab dieser Spannung das Wasser
aus der Lösung zersetzt wird.
51
Abb. 2: Die Entladereaktion in der Redox-Flow-
Zelle
Ein Redox-Flow-System besteht aus einer
Reaktionseinheit, der eigentlichen Zelle
und den Tanks, in denen die Flüssigkeiten
gespeichert werden. In der Reaktionseinheit
befindet sich eine Membran,
die den Austausch von H 3 O + Ionen ermöglicht,
aber den Übergang der Metallionen
möglichst verhindert. Die Größe
der Tanks kann frei nach dem benötigten
Speichervolumen gewählt werden.
Bei einer Redox-Flow-Zelle auf Vanadium
Basis befinden sich im geladenen
Zustand in einem Tank zweifach positiv
geladene Vanadiumionen (V 2+ ). Im anderen
Tank befindet sich einfach positiv
geladenes Vanadium(V)oxid (VO 2 + ).
Diese Zutaten sind in Batteriesäure (38%
Schwefelsäure) gelöst. Wenn die Zelle
entladen ist, enthält die Zelle dreifach positiv
geladene Vanadiumionen (V 3+ ) und
zweifach positiv geladene Vanadium(IV)
oxid-Ionen (VO 2+ ). Durch die Verwendung
von Vanadium auf beiden Seiten
der Zelle ist eine Beschädigung der Zelle
durch Crossovereffekt der Ionen in der
Membran ausgeschlossen, so dass eine
Vanadium/Vanadium-Zelle eine sehr
hohe Lebensdauer hat. Außerdem kann
der Ladezustand der Zelle an der Farbe
der Flüssigkeiten erkannt werden (VO 2 + -
Ionen sind gelb, VO 2+ -Ionen blau, V 3+ -
Ionen grün und V 2+ -Ionen grauviolett s.
Abb. 1).
Kathode:
VO 2 + + 2H + + e - → VO 2+ + H 2 O
Gesamtreaktion:
V 2+ + VO 2 + + 2H + - → V 3+ + VO 2+ +H 2 O
Das V(II) gibt also ein Elektron ab, um
der günstigen Elektronenkonfiguration
von acht Elektronen auf der äußersten
Schale näher zu kommen. An der Kathode
nimmt das VO2 + ein Elektron
auf, dadurch kann sich ein Sauerstoffatom
lösen und sich mit den H + -Ionen
zu Wasser verbinden. Beim Laden laufen
die Reaktionen genau anders herum ab.
Die Membran dient dazu, dass sich die
H + -Ionen austauschen können und das
Spannungspotenzial erhalten bleibt.
Das Spannungspotenzial der Zelle lässt
sich aus den Standardpotenzialen der beteiligten
Redoxpaare berechnen:
V 2+ →V 3+ +e -
E 0 = -0,26V
VO + 2 + 2H + + (SO 4 ) 2- + e - → VO 2+ +
(SO 4 ) 2- + H 2 O E 0 =+1.00V
Allerdings spielt auch das verwendete
Elektrodenmaterial eine Rolle. Aufgrund
der Nernst-Gleichung lässt sich jedoch
eine höhere Spannung erreichen. Allerdings
liegt die maximale Spannung bei
3. Sicherheitsaspekte
Bevor wir mit unseren Experimenten
beginnen konnten, mussten wir natürlich
sicherstellen, dass uns und unserer
Umwelt dabei nichts zustoßen kann.
Die von uns verwendete Batteriesäure ist
stark ätzend und das Vanadiumpentoxid,
welches wir zur Herstellung der Elektrolytlösung
verwenden, ist giftig und
umweltgefährlich. Daher arbeiteten wir
mit Vanadiumpentoxid stets unter dem
Abzug und testeten alle Materialien der
Zelle zunächst auf ihre Säurebeständigkeit.
Außerdem stellten wir unsere Zelle
zunächst in eine Kunststoffkiste, um im
Falle eines Lecks die Folgen gering zu
halten. Um uns selbst zu schützen, verwendeten
wir Kittel, Schutzbrillen und
Schutzhandschuhe. Selbstverständlich
beachteten wir die S-Sätze und nahmen
die R-Sätze (S- und R- Sätze sind gesetzlich
vorgeschriebene Sicherheits- und
Risikohinweise) zur Kenntnis. Außerdem
standen wir bei besonders kritischen
Versuchen unter Aufsicht unserer Chemielehrerin.
4. Die Redox-Flow-Zelle – ein erster
Versuch
4.1 Aufbau
Die Redox-Flow-Zelle ist nach dem Sandwichprinzip
aus zwei Gummischichten,
einer Elektrodenschicht, einer Plexiglas-
Young Researcher
Wenn die Zelle entladen wird, reagieren
die Stoffe wie folgt (siehe auch Abb. 2)
Abb. 3: Die Autoren in voller Schutzausrüstung

Jugend forscht
52
Junge Wissenschaft 92 // 2011
schicht und einer Membranschicht aufgebaut
(siehe Abb. 4). Die dabei benutzte
Membran besteht aus Nafion und separiert
die beiden Halbzellen, indem sie
nur Oxoniumionen (H 3 O + ) hindurch
lässt. Auf sie folgt eine Gummischicht,
aus der zentral ein großes Rechteck herausgeschnitten
wurde, damit die Elektrolytflüssigkeit
Kontakt zu den Elektrodenplatten
hat, die die nächste Schicht
der Zelle darstellt.
Die Elektrodenschicht besitzt wie die
beiden folgenden Schichten zwei Löcher,
die den Elektrolyten den Zugang zum
Zelleninneren (über Glasröhrchen) ermöglichen.
Eine weitere Gummischicht
(hier ohne rechteckige Freifläche) wird
als Dichtung eingesetzt. Komplettiert
wird das Ganze von einer Plexiglasschicht,
die von der Fläche größer ist als
die restlichen Schichten der Zelle, sodass
Gewindestangen durch Löcher am überstehenden
Rand gesteckt werden können
und so die Zelle zusammengepresst werden
kann. Die Dichtigkeit wird durch
dieses Vorgehen deutlich verbessert.
Die Elektrolytflüssigkeiten werden in
externen Tanks gelagert. Den Transport
der Flüssigkeiten erledigt eine Schlauchpumpe.
Die Stromversorgung für den
Auf- und Entladevorgang erfolgt über
Kupferblech, das zwischen die Elektrodenschicht
und die 2. Gummischicht
geklemmt wird.
4.2. Probleme
Wie wir feststellten, brachte diese Konstruktion
der Zelle viele Probleme mit
sich. Ein großes Problem war die Dichtigkeit
der Zelle an den Anschlüssen des
Schlauchs und in der Schlauchpumpe,
wo der Schlauch einer hohen mechanischen
Belastung ausgesetzt ist. Auch
die Schlauchpumpe machte Probleme:
Zum einen wurden die Kunststoffschläuche
von der rotierenden Walze auf der
einen Seite eingezogen und auf der anderen
ausgestoßen, sodass sie nach einiger
Zeit von den Elektrolytflüssigkeitstanks
getrennt wurden und das System nicht
dauerhaft in Betrieb sein konnte. Zudem
benötigt die Schlauchpumpe sehr viel
Energie und arbeitet damit nicht effizient.
Ein weiteres Problem war die Oxidation
von V 2+ an der Luft. Dieses Problem
konnten wir durch eine Schutzgasatmosphäre
(hierzu verwendeten wir
Stickstoff) beheben, die allerdings für
den Dauerbetrieb ein hohes Kostenaufkommen
darstellt.
Abb. 4: Plan der ersten Zelle
5. Die verbesserte Redox-Flow-Zelle
5.1 Aufbau
Unsere bisherige Durchflusszelle war
weder vollständig noch langfristig dicht.
Die benötigte Pumpe verbrauchte sehr
viel Energie. Daher entschlossen wir uns
eine neue Zelle zu entwickeln. Die Dichtungen
der jeweiligen Reaktionseinheit
waren nicht das Problem. Die kritischen
Stellen stellten die Übergänge von
der Zelle zum Schlauch dar sowie der
Schlauch in der Pumpe, der sehr starken
mechanischen Belastungen ausgesetzt
ist. Ideal wäre der Verzicht der Pumpe.
Allerdings ist sie für den dauerhaften Betrieb
der Zelle nötig, da die Elektrolyten
bewegt werden müssen um zu reagieren.
Dann kam uns die Idee, die Tanks in die
Zelle zu integrieren. So müssen die Elektrolyten
nur noch durch einen Rührer
bewegt werden. Dazu verwendeten wir
zunächst Magnetrührer, die wir später
durch selbst gebaute Rührer ersetzten.
Diese neue Zelle sieht im Prinzip genauso
aus wie unsere flache Durchflusszelle
allerdings mit dem Unterschied, dass auf
beiden Seiten statt einer durchgehenden
Wand ein Tank angebracht ist (siehe
Abb. 5). Die Halbzellen ließen wir von
der Firma Creaplex aus Plexiglas anfertigen.
Abb. 5: Plander verbesserten Redox-Flow Zelle
Die komplette Zelle besteht aus zwei
Halbzellen, auf die Gummirahmen
mit Löchern für die Gewindestangen
zur Abdichtung der Zelle gesetzt werden.
Die Membran, welche später die
Elektrolyte voneinander trennt, befindet
sichzwischen den Dichtungsgummis.
Sie besitzt ebenfalls Löcher für die

Jugend forscht
5.3. Experimente zur Steigerung der
Leistung
Um verschiedene Elektroden zu vergleichen,
ließen wir weitere kleinere Zellen
bauen. Sie sind innen 6 cm hoch 4,5 cm
breit und 4 cm tief. Da sie jedoch nicht
komplett gefüllt werden können, gehen
wir davon aus, dass wir sie bis zu einem
Füllstand von 4 cm Höhe befüllen. Daraus
ergibt sich eine aktive Membranfläche
von 18 cm 2 (siehe Abb. 7). Als
Rührer verwendeten wir Glasröhrchen
aus der Chemie-Sammlung, die wir auf
ausrangierte PC-Lüfter klebten.
53
Young Researcher
Abb. 6: Die verbesserte Redox-Flow-Zelle mit selbst gebauten Rührern
Gewindestangen. Das System wird wie
unsere bisherigen Zellen durch Gewindestangen
zusammengehalten (siehe
Abb. 6). Die zwei Elektroden (je eine pro
Halbzelle), welche mit Löchern versehen
sind um die Lösung durchzulassen, werden
von oben an die Membran gesetzt.
Bei den ersten Tests zeigte sich, dass die
Zelle vollständig dicht war. Somit haben
wir jetzt ein System, das auch längere
Zeit unbeaufsichtigt laufen kann. Allerdings
mussten wir uns für den Oxidationsschutz
der Zelle eine Alternative zur
Gasspülung überlegen, da diese auf Dauer
nicht ganz billig ist. Doch ein komplett
luftdichtes Gefäß, das wir bis oben
mit der Elektrolytflüssigkeit auffüllen
ist nicht einfach zu konstruieren, da die
Elektroden und Rührer eine Verbindung
nach außen brauchen. Außerdem soll die
Flüssigkeit ausgetauscht werden können.
Schließlich kamen wir auf die Idee,eine
Ölschicht über die Lösung zu geben. Das
Öl vermischt sich nicht mit der wässrigen
Elektrolytlösung, da es hydrophob
ist, und schwimmt auf der Lösung, da es
eine geringere Dichte besitzt. Doch das
Öl wurde nach einigen Tagen ranzig, sodass
wir eine andere Flüssigkeit verwenden
mussten. Wir entschieden uns für
flüssiges Paraffin. Der Vorteil des Paraffins
gegenüber dem Öl ist, dass es nicht
ranzig wird und damit über längere Zeit
als Oxidationsschutz dienen kann.
der anderen Seite mit Hilfe des neuen
Oxidationsschutzes durch Paraffin sowie
den Verzicht auf eine Schlauchpumpe
eine enorme Kosteneinsparung erzielt
hat. Außerdem sparen wir durch den
Verzicht auf die Schlauchpumpe Energie
ein und erhöhen somit die nutzbare
Energie unserer Zelle. Trotz intensiver
Recherche konnten wir keine Erwähnung
des Paraffins als Oxidationsschútz
für die Redox-Flow-Zelle finden. Wir
haben unsere Weiterentwicklung patentieren
lassen. Durch unsere Verbesserung
lässt sich eine Redox-Flow-Zelle deutlich
preiswerter betreiben, da keine dauerhafte
Schutzgasspülung mehr nötig ist.
Um unsere Versuchszellen schneller
zu laden und die Leistung, die aus der
Zelle entnommen werden kann, zu erhöhen,
haben wir den Strom, den die
Zelle liefern kann, erhöht. Der Strom ist
abhängig von der Elektrodenoberfläche
sowie der Membranfläche. Bei unserer
Zelle erreichen wir einen Ladestrom von
10 mA, die Membran hat nach Angaben
aus dem Internet eine maximale Stromdichte
von 80 mA/cm². Das ergibt für
unsere kleinen Versuchszellen einen maximalen
Strom von etwa 1,5 A. Daraus
folgerten wir, dass die Erhöhung der
Elektrodenoberfläche der erfolgversprechendste
Ansatz zur Steigerung der Leistung
ist.
Also suchten wir Materialien, die an
der Schule vorhanden sind, eine große
Grafitoberfläche haben und zudem noch
säurefest sind. Dabei stießen wir auf Aktivkohle.
Sie besteht aus Grafit und hat
5.2. Vorteile
Gegenüber der ersten Redox-Flow-Zelle
hatten wir nun eine Zelle entwickelt, die
auf der einen Seite absolut dicht ist, auf
Abb. 7: Die kleine Versuchszelle

54
Junge Wissenschaft 92 // 2011
Jugend forscht
eine große innere Oberfläche. Damit
war die Aktivkohle für uns ein Kandidat
um unsere Elektrodenoberfläche zu
vergrößern.
Für den experimentellen Nachweis benutzten
wir zwei unserer Versuchszellen
und statteten eine mit normalen Grafitplatten
als Elektroden aus. In die andere
Zelle gaben wir 7 g Aktivkohle pro Elektrode
und kontaktierten diese mit zwei
Grafitplatten. In beide Zellen gaben wir
nun 100 ml der Elektrolytlösung. Dann
legten wir eine Ladespannung von 1,7 V
an. Durch zwei Amperemeter konnten
wir den Ladestrom jeder Zelle messen.
Dabei hatte die Aktivkohlenzelle 160 mA
Ladestrom, wohingegen die normale
Zelle mit 10 mA lud. Somit war unser
Experiment erfolgreich.
Um herauszufinden, welchen Einfluss
unterschiedliche Mengen der Aktivkohle
haben, testeten wir weitere Zellen mit
unterschiedlichen Mengen Aktivkohle.
Dabei stellte sich ein linearer Zusammenhang
zwischen den Menge der Aktivkohle
und dem maximalen Strom
heraus. Dies entspricht auch der Erwartung,
da an einer doppelt so großen
Oberfläche auch doppelt so viele Ionen
reagieren können.
Doch als wir dann in eine Zelle mit
frischer Aktivkohle die geladenen Elektrolyte
gaben wurde das Vanadium(V)
zu Vanadium(IV) reduziert. Doch was
wurde oxidiert Auf der Suche nach einer
Antwort überlegten wir zunächst, ob
das Grafit oder andere Bestandteile der
Lösung oxidiert wurden. Die Lösung
enthält noch SO 4 2- - Ionen sowie Wasser
und H + -Ionen. Von diesen Ionen kann
keines durch das Vanadium oxidiert werden.
Auch das Grafit erschien uns zu stabil.
Also fragten wir unsere Chemielehrerin
nach Rat. Sie war der Meinung, dass
Verunreinigungen der Aktivkohle für die
Reaktion verantwortlich waren. Allerdings
konnten wir die Aktivkohle selbst
durch sehr starke Oxidationsmittel wie
Kaliumpermanganat nicht „reinigen“.
Also mussten wir die Elektrodenoberfläche
auf andere Art und Weise vergrößern.
Bei unserer Suche fanden wir außer
Aktivkohle und den bereits erwähnten
teuren Grafitvliesen nichts. Also kamen
wir zu den Elektrodenplatten zurück.
Doch wie kann man die Oberfläche
Leistung in mW
2,5
2
1,5
1
0,5
0
der Elektrodenplatten stark erhöhen
Natürlich kann man eine geringfügige
Erhöhung der Oberfläche erreichen, indem
man die Platten mit Schmirgelpapier
anraut. Allerdings kann damit keine
deutliche Erhöhung der Leistung unserer
Zelle erreicht werden. Nach einiger
Überlegung kamen wir auf die Idee,
Bruchstückchen der Elektrodenplatten
einzusetzen. Den Kontakt zu Elektrodenplatte
stellten wir sicher, indem wir
den Bereich zwischen den Elektroden
und der Membran mit den Bruchstücken
auffüllten, sodass sie sich gegenseitig berühren.
Nun setzten wir eine Zelle mit diesen
modifizierten Elektroden an. Zum Vergleich
starteten wir zur selben Zeit eine
zweite Zelle mit normalen Elektroden.
Jetzt luden wir diese Zelle auf. Am nächsten
Morgen konnten wir in der modifizierten
Zelle eine deutliche Gelbfärbung
der Elektrolytlösung in der positiven
Halbzelle erkennen. Auch in der negativen
Halbzelle hatte sich die Farbe verändert
(siehe Abb. 6.3.3). Als wir den Ladestrom
maßen, stellten wir einen Strom
im Mikroamperebereich fest. So schnell
hatten wir noch nie eine Zelle geladen.
Nach einem weiteren Tag war auch die
unveränderte Zelle geladen.
5.4. Zellenleistung im Vergleich
Um nun zu ermitteln wie die Leistung
einer so modifizierten Zelle im Vergleich
zu einer Zelle mit den normalen Elektrodenplatten
aus Grafit aussieht, stellten
wir die nötigen Elektrolyte Vanadium(V)
und Vanadium(II) her und füllten zwei
Mit Grafitstücken
Ohne Grafitstücke
0 50 100 150 200
Zeit in h
Abb. 8: Vergleich der Leistung einer modifizierten Zelle mit Grafitstückchen als Elektrode mit einer
Zelle mit ganzen Elektroden.
Zellen mit je 50ml pro Halbzelle. Nun
entluden wir diese Zellen über einen Widerstand
(R=1kΩ). Dieser Widerstand
hat den Vorteil, dass der Betrag der gemessenen
Spannung gleichzeitig der Betrag
des Stroms in mA ist, der durch den
Widerstand fließt (I=U/R).
Wie aus dem Diagramm (Abb. 8) ersichtlich
ist, liefen unsere Experimente über
einen Zeitraum von etwa 200 Stunden.
Die Anfangsleistung lag bei der modifizierten
Zelle bei 1,96 mW. Dies ist eine
um 36% höhere Leistung als bei der Zelle
mit den normalen Elektroden, die eine
Anfangsleistung von 1,44 mW aufweist.
Im weiteren Verlauf bleibt die Leistung
der modifizierten Zelle zunächst höher.
Die Kurven laufen ca. 137 Stunden annähernd
parallel mit einem leichten Leistungsabfall.
Danach sinkt die Leistung
der modifizierten Zelle innerhalb von
20 Stunden von 1 mW auf 0,073 mW. 34
Stunden später nimmt auch die Leistung
der normalen Zelle von 0,5 mW innerhalb
von ca. 23 Stunden auf 0,016 mW
ab.
Dieses Ergebnis zeigt, dass die Modifizierung
der Elektroden eine deutlich höhere
Leistung mit sich bringt. Dadurch
wird die Zelle natürlich schneller entladen.
Dies kann man an dem früheren
Leistungsabfall erkennen. Die relative
Abnahme der Leistung liegt bei beiden
Zellen in derselben Größenordnung.
5.5. Technische Daten unserer Zellen
Nun versuchten wir einige wichtige technische
Daten unserer Redox-Flow-Zelle

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55
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zahlbar. Individuell gewünschte Schulansprachen sowie damit zusammenhängende
Beratungsleistungen des Verlages Junge Wissenschaft Athanasios
Roussidis werden gegen Aufpreis vorgenommen. Gerichtsstand ist Düsseldorf.
Es ist ausschließlich deutsches Recht anwendbar.

Jugend forscht
56
Junge Wissenschaft 92 // 2011
zu ermitteln. Zunächst ermittelten wir aus
mehreren Entladeversuchen die Energiedichte.
Dazu ermittelten wir die Fläche
unter dem Graphen des P-t-Diagramms.
Diese Fläche stellt die abgegebene Energie
dar. Danach setzten wir diese Energie
mit der Menge der von uns verwendeten
Elektrolytlösung in Beziehung. Die
Energiedichte ist aber direkt von der
Menge an Vanadium abhängig. Also
bezogen wir auch unsere Konzentration
mit in diese Rechnung ein. So kamen wir
auf eine Energiedichte von 9,3 Wh/mol
Vanadium.
Unsere bisher höchste maximale Leistung
liegt bei 50 mW beim Entladen einer
Zelle über einen 22 Ohm Widerstand.
Nach einigen Lade- und Entlademessungen
konnten wir einen Wirkungsgrad
von 66 % ermitteln. Dazu verglichen wir
die Energie, die wir beim Aufladen in die
Zelle hineinsteckten und die Energie, die
beim Entladen freigesetzt wurde.
Bei diesen Versuchen trieben wir die
Rührer mit einer kleinen Solarzelle
an. Zudem ist im Entladevorgang der
Abb. 9: Plan der integrierten Zelle mit erhöhter
Leistung
Rührer nicht zwingend erforderlich, da
durch Konvektion eine ausreichende Bewegung
der Flüssigkeiten gegeben ist.
5.6. Beispiele für die Leistung unserer
Zelle
Um zu sehen was unsere Zelle leisten
kann, testeten wir sie zunächst an kleinen
Motoren mit Propellern. Diese liefen
ohne Probleme. Danach wollten wir die
Zelle vor größere Aufgaben stellen.
Wir versuchten ein Auto einer Carrerabahn
mit der Zelle zu betreiben. Allerdings
war dafür der Reibungswiderstand
zu groß; der Motor lief mit der Zelle,
aber leider nicht auf der Bahn. Als wir ein
Modellboot fanden, versuchten wir dieses
mit der Zelle anzutreiben. Und tatsächlich
das Boot lief (siehe Abb. 6.6.2).
Dies überraschte uns, da das Boot doch
recht groß war (40 cm lang, 14 cm breit,
über 1 kg schwer und 2 cm Tiefgang).
Damit haben wir eine sehr leistungsfähige
Zelle gebaut.
6. Sicherheit für den mobilen Einsatz
Die Redox-Flow-Zelle wird bisher nur
im stationären Bereich angewendet. Allerdings
besteht auch die Möglichkeit,
die Redox-Flow-Zelle für zukünftige
Elektroautos zu verwenden. Ein zentrales
Problem ist dabei die Sicherheit.
Wenn es zu einem Unfall kommt, darf
die Schwefelsäure mit dem Vanadium
auf keinen Fall in die Umwelt gelangen.
Um dies zu verhindern, suchten wir ein
Material, das die Flüssigkeit absorbiert.
Ideal wäre es zudem, wenn sich dieses
Material ausdehnt und somit das Leck
im Tank wieder verschließt. Zunächst
verwendeten wir Superabsorber, wie sie
auch in Windeln vorkommen, für unsere
Versuche. Allerdings können diese
Superabsorber Lösungen mit hohem
Salzgehalt nicht aufnehmen.
Dann stießen wir auf Zeolith. Dieses
Material kann große Mengen Wasser
aufnehmen. Es besteht aus AlO 4 und
SiO 4 Tetraedern. An die negativ geladenen
AlO 4 Tetraeder sind Alkali- oder
Erdalkalimetallionen gebunden. Diese
Kationen werden bei der Reaktion mit
Schwefelsäure durch die H + Ionen der
Säure ausgetauscht. Die (Erd-)Alkalimetallkationen
bilden mit dem Sulfation
die jeweiligen Salze wie zum Beispiel
Kaliumsulfat. So bildet sich ein Feststoff,
der das Leck abdichtet und auch
in unseren Versuchen über circa fünf
Stunden dicht blieb.
7. Zusammenfassung und Ausblick
Wir konnten in dieser Arbeit die Redox-Flow-Zelle
verbessern und haben
einige Kernprobleme gelöst. So entwickelten
wir eine dichte Zelle, die ohne
Schutzgasspülung auskommt. Dadurch
konnten wir die Kosten eines Redox-
Flow-Systems deutlich senken, da weder
eine teure Pumpe noch eine Schutzgasspülung
benötigt werden. Des Weiteren
konnten wir die Leistung unserer Zelle
deutlich steigern.
Nachdem wir nun eine funktionstüchtige
und leistungsfähige Zelle gebaut
haben, wollen wir nun eine Zelle entwickeln,
die die vierfache Leistung unserer
bisherigen Versuchszelle haben
soll, dabei jedoch kaum mehr Platz
benötigt. Zudem soll diese Zelle keine
Dichtungen benötigen. Dies möchten
wir durch einen speziellen Aufbau gewährleisten
(siehe Abb. 9). Die Tanks
werden bei dieser Zelle ineinander gesetzt.
Außen befindet sich nur ein Plexiglasquader.
Somit gibt es keine Stellen
mehr, die durch Gummis abgedichtet
werden müssen. Im Innern befindet sich
ein kleinerer Plexiglaswürfel, welcher
einen Boden, jedoch keine Wände oder
einen Deckel besitzt, sodass er an den
vier Außenseiten mit der Nafionmembran
beklebt werden kann. Die Elektroden
werden durch Schlitze in einem
Deckel membrannah fixiert, der außerdem
noch Öffnungen für Rührer, bzw.
für den Befüllungsprozess der Zelle aufweist.
Da nun keine Elektrolytflüssigkeit
nach außen austreten kann, da der
äußere Plexiglasquader absolut dicht ist,
wird die Sicherheit des Systems enorm
gesteigert.
Erste Versuche zeigten, dass auch bei
diesem neuen Zellenkonzept Schwierigkeiten
auftauchen. Die Membran, die
wir auf die Außenseiten unserer Zelle
geklebt haben, saugt sich mit Wasser
(welches auch zum Teil in der Schwefelsäure
vorhanden ist) voll. Dadurch
ändert sich ihre Größe. Die Membran
wellt sich, wodurch die Klebestellen
aufreißen. Daher versuchten wir durch
einen weiteren Rahmen, welcher auf die
Membranaußenseite geklebt wird, einen
Gegendruck zu erzeugen und so ein
Aufreißen der Klebestellen zu verhindern.

Jugend forscht
Dies klappt in der Praxis auch sehr gut.
Allerdings hatten wir durch die zusätzlich
verwendeten Rahmen viel weniger
Freiraum in der äußeren Halbzelle als
geplant, so dass wir die Grafitstückchen
nicht zwischen Membran und Elektrode
geben konnten.
Danksagung
Abschließend möchten wir uns bei allen,
die uns während unserer Jugend-forscht-
Arbeit unterstützten, recht herzlich bedanken,
insbesondere bei unserer Betreuungslehrerin
Veronika Stein, bei Thorsten
Hickmann von der Firma Eisenhuth für
die Elektroden sowie der Firma Creaplex,
die uns die Zellen nach unseren Plänen
baute. Außerdem gilt unser Dank Dr.
Martin Metzger von der Firma Lanxess.
Des Weiteren bedanken wir uns natürlich
bei unseren Eltern, die uns in jeder Situation
unterstützten und regelmäßig Taxi
spielten.
Literatur-und Linkliste
[1] http://www.heise.de/tr/artikel/
Lebensverlaengerung-fuer-den-
Tankwart-821340.html
[2] http://de.wikipedia.org/wiki/
Vanadium
[3] http://www.isea.rwth-aachen.de/
eess/technology/redox-flow
[4] http://de.wikipedia.org/wiki/
Redox-Flow-Zelle
[5] http://www.bayern-innovativ.de/
ib/site/documents/
media/690a7c5e-c0ef-3e32-606c-
6b892e8e5551.pdf/09_Jossen.pdf
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Neulingen im Publizieren werden als Vorbilder andere Publikationen, z. B. hier in
der Jungen Wissenschaft, empfohlen. Noch eine Anmerkung: eine hochgestochene
und gedrechselte Ausdrucksweise ist kein Merkmal besonderer Wissenschaftlichkeit.
Neue Ideen, die noch nicht erschöpfend bearbeitet sind, trotzdem aber schon vorgestellt
werden sollen, sind als Kurzmitteilungen an den Herausgeber willkommen.
57
Young Researcher
Anschrift für die Einsendung der Beiträge:
Junge Wissenschaft
Dr.-Ing. Sabine Walter
Paul-Ducros-Straße 7
30952 Ronnenberg
s.walter@verlag-jungewissenschaft.de

Magazin
60
Junge Wissenschaft 92 // 2011
Wissenschaftsjahr Gesundheitsforschung
Die Medizin der Zukunft
Die individualisierte Medizin birgt großes Potential für die Gesundheitsforschung: Sie zielt auf eine präzisere
Diagnostik und darauf aufbauend gezieltere Vorbeugung, Therapie und Rehabilitation. Dies soll
die gesundheitliche Versorgung für jede Patientin und jeden Patienten in Zukunft effektiver machen.
Gleichzeitig wirft sie Fragen auf, die auch im Wissenschaftsjahr 2011 – Forschung für unsere Gesundheit
auf breiter gesellschaftlicher Basis diskutiert werden.
Für viele Menschen klingt der Begriff
„individualisierte Medizin“ wie ein
Versprechen: „Patienten verstehen darunter
meist eine persönliche, zugewandte
Behandlung. Dass der Arzt sich
für sie mehr Zeit nimmt und ihnen
alles gut erklärt“, berichtet Professor
Jochen Vollmann, Leiter des Instituts
für Medizinische Ethik und Geschichte
der Medizin an der Ruhr-Universität
Bochum. Doch diese Vorstellung hat
mit der wissenschaftlichen Bedeutung
wenig gemein.
Die Bevölkerung über die Ziele, Chancen,
aber auch Herausforderungen der
individualisierten Medizin aufzuklären,
ist ein Ziel des Wissenschaftsjahres
2011 – Forschung für unsere Gesundheit.
„In der naturwissenschaftlichen
Forschung wird unter individualisierter
Medizin eine molekular-genetische
Subgruppen-Medizin verstanden“, erklärt
Jochen Vollmann. Anders gesagt:
Patientinnen und Patienten werden anhand
ihrer Gene in Untergruppen unterteilt,
um speziell auf sie abgestimmte
Therapien bekommen zu können.
Passendere Medikamente
Bislang ist das nämlich nicht üblich.
Bei der Entwicklung neuer Medikamente
orientiert sich die Forschung
am statistischen Durchschnitt der
Erkrankten. Bevor ein Arzneimittel
auf den Markt kommt, muss es in
klinischen Studien seine Wirkung beweisen.
Doch wie jemand am Ende
auf eine Behandlung anspricht, ist von
Patient zu Patient verschieden. Ebenso
individuell und unterschiedlich sind
die Nebenwirkungen, die auftreten
können.
Nebenwirkungen in Zukunft zu verringern,
ist ein Ziel der individualisierten
Medizin. Das Alter ist nur eines
der zahlreichen Merkmale, die die
Wirkung von Therapien beeinflussen.
Auch das Geschlecht, der Lebensstil
und die Umwelt sind wichtige Faktoren
– ebenso wie genetische Veranlagungen.
Diesen Unterschieden will die
individualisierte Medizin Rechnung
tragen.
Schneller zur richtigen Diagnose
Dabei profitiert sie von neuen Erkenntnissen
der Genomforschung und
Biotechnologie, die in den vergangenen
Jahrzehnten große Fortschritte gemacht
haben: Forscherinnen und Forscher
haben herausgefunden, dass das
menschliche Genom aus etwa 22.500
Genen besteht, die wiederum etwa drei
Milliarden Bausteine enthalten.
Etwa jeder tausendste dieser Bausteine
ist bei jedem Menschen verschieden-
„Die genetische Disposition ist allerdings
nur eine mögliche Ursache für
eine Erkrankung“, erklärt Medizin-

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– und neue Erkenntnisse gewonnen
werden, wie Krankheiten individuell
vermieden werden können.
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Ein Ziel der individualisierten Medizin ist es, Patienten anhand ihrer Gene in Untergruppen zu
unterteilen, um ihnen speziell auf sie abgestimmte Therapien zu ermöglichen.
ethiker Jochen Vollmann. „Hinzu
kommen Umweltfaktoren, die insbesondere
bei den häufigen und kostspieligen
Zivilisationskrankheiten wie
Diabetes oder Adipositas eine wichtige
Rolle spielen.“
Doch besonders bei den so genannten
Seltenen Erkrankungen sind die
Gene entscheidend. In Deutschland
leiden etwa vier Millionen Menschen
an einer seltenen vererbten Krankheit,
wie zum Beispiel von der Chronischen
Myeloischen Leukämie (CML), an
der jährlich circa 1.200 Deutsche neu
erkranken. Eine Krankheit gilt dann
als „selten“, wenn weniger als 5 von
10.000 Menschen betroffen sind. Weil
die Symptome der „Seltenen“ auch vielen
Medizinerinnen und Medizinern
kaum bekannt sind, erhalten Betroffene
oft jahrelang Fehldiagnosen und
dann auch falsche Behandlungen.
Mit entsprechenden Gentests könnte
die richtige Diagnose künftig weit
schneller gestellt werden. Der Gesundheitsforschung
ist es mittlerweile
gelungen, knapp die Hälfte der Gene
zu identifizieren, die Seltene Erkrankungen
auslösen. Das gilt auch für
das „Philadelphia-Chromosom“, das
CML verursacht. Dessen Diagnose
kam für die Betroffenen noch vor
15 Jahren einem Todesurteil gleich.
Dank molekular-genetischer Forschungsergebnisse
existieren jedoch
mittlerweile Therapien, die ganz gezielt
diese Genveränderung und damit die
ungebremste Zellteilung blockieren.
Ein Großteil der CML-Patienten kann
somit heute ein weitgehend normales
Leben führen.
Auch für andere so genannte monogene
Erbkrankheiten, die durch die Mutation
eines einzelnen Gens verursacht
werden, sind einige Auslöser bereits bekannt.
Das gilt etwa für eine Variante
des Gens BRCA1, die das Brustkrebsrisiko
stark erhöht. So können familiär
vorbelastete Frauen ihr Gefährdungspotenzial
heute mit Hilfe eines Gentests
bestimmen lassen.
Worüber die Gesellschaft diskutieren
muss
Diese Art prädiktive Diagnostik wirft
aber auch ethische Fragen auf: Könnte
sich dadurch unser aller Selbstbild verändern
Und gibt es auch ein Recht
auf „Nicht-Wissen“ Das sind einige
der Fragen, die im Wissenschaftsjahr
Gesundheitsforschung mit Bürgerinnen
und Bürgern diskutiert werden. Klar
ist: Ob eine Krankheit allein aufgrund
einer genetischen Veranlagung am Ende
auch tatsächlich ausbricht, ist keineswegs
sicher.
Könnten somit Menschen mit einer
genetischen Vorbelastung bald zur
Vorsorge „gezwungen“ werden, etwa
indem sie ihre Ernährung umstellen
oder das Rauchen aufgeben müssen,
um diese Risikofaktoren zu minimieren
„Auf keinen Fall“, ist Jochen
Vollmann überzeugt. Es gebe ja auch
aus guten Gründen keinen Zwang zu
Vorsorgeuntersuchungen. Die Gesundheitsforschung
möchte aktuell ohnehin
erst einmal das Zusammenspiel der
Gene und der Umweltfaktoren besser
verstehen lernen. Erst dann können
aus den Forschungsergebnissen neue
medizinische Anwendungen für die jeweiligen
Patientengruppen entwickelt
Zwar gibt es heute erste Anwendungen
der individualisierten Medizin in der
Therapie und in der Diagnostik in
Form von Markern für Erkrankungen,
Krankheitsrisiken und Arzneimittelwirkungen
und -verträglichkeiten. Bis aber
in diesen Bereichen flächendeckende
Fortschritte erreicht werden können,
wird es Fachleuten zufolge noch mindestens
15 bis 20 Jahre dauern. Zeit
genug also für die Gesellschaft darüber
zu diskutieren: Wie viel individuelles
Wissen brauchen – und wollen – wir
für unsere Gesundheit
Redaktionsbüro Wissenschaftsjahr 2011 -
Forschung für unsere Gesundheit
Vorschau: Wissenschaftsjahr 2012
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Das Wissenschaftsjahr 2012 – Zukunftsprojekt
ERDE steht im Zeichen der Forschung
für nachhaltige Entwicklungen.
Klimawandel, Bevölkerungswachstum oder
Biodiversitätsverlust – das sind globale
Herausforderungen, die in den nächsten
Jahren zu meistern sind. Über Lösungen,
die Wissenschaftler aus unterschiedlichsten
Disziplinen hierfür bereit halten, wird die
Junge Wissenschaft berichten.
Die Wissenschaftsjahre sind eine Initiative
des Bundesministeriums für Bildung
und Forschung (BMBF) gemeinsam mit
Wissenschaft im Dialog (WiD). Seit 2000
dienen sie als Plattform für den Austausch
zwischen Öffentlichkeit und Wissenschaft
entlang ausgewählter Themen.
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MaxPlanckForschung 3.2011 MIGRANTEN
Das Wissenschaftsmagazin der Max-Planck-Gesellschaft 3.2011
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Gene, die in die Bilder nehmen
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