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Projekt: Wunderpflanze Jatropha

Luisa und Eike vor dem Wettbewerbsstand
Jatrophasamen

Jatropha oder Purgiernuss ist eine Pflanze, deren Samen ein Öl enthalten, das ein Ersatz für Dieseltreibstoff ist.

Sie hat keine Feinde und kann ohne große Ansprüche gedeihen. Das macht sie zur Pionierpflanze für die Wüstengebiete dieser Erde.

Bei der Beschäftigung mit dieser Pflanze stießen wir darauf, dass sie geeignet ist, drei Weltprobleme zu lösen.

 

Das Projekt:

Zum 1. Mai 2008 reichte die Oberstufenklasse 11a der Hildegardisschule zusammen mit Schülern des Münsteraner Schillergymnasius (9./10.Kl.) ihren Wettbewerbsbeitrag beim Schülerwettbewerb Schule macht Zukunft  der Zeitschrift Focus ein.

Diese Wettbewerbsrunde stand unter dem Thema „Klimawandel - Was können wir tun? Vision und Verantwortung“.

Der als Website eingereichte Beitrag heisst:

Erneuerbare Energien in Afrika am Beispiel Solarenergie und Jatrophaöl im Rahmen des Focus Wettbewerbes 2008

und hat die Adresse http://focus.solarnet-international.org.

Der städtische Cuxhavener Koordinierungsausschuss „Klimawandel“ suchte für den Umwelttag am 29. Oktober 2008 Experten zum Thema „Jatropha bzw. Purgiernuss“.

Auf Grund der Presseartikel fragten sie in der Hildegardisschule Münster an.

Luisa Kleerbaum und Eike Schmitt (inzwischen 12. Klasse der Hildegardisschule) erklärten sich bereit, die Klasse mit einem Vortrag in Cuxhaven zu vertreten. Es fand eine Podiums-veranstaltung mit 3 weiteren Referenten statt. Die eingeladenen Schulklassen fanden es besonders gut, dass sie nicht nur von Vertretern aus Politik und Wissenschaft, sondern von Vertretern ihrer Altersgruppe unterrichtet wurden.

Danach meldeten Luisa und Eike das Thema „Wunderpflanze Jatropha“ Ende November  beim naturwissenschaftl. Wettbewerb „Jugend forscht“  an und gewannen im März 2009 bei der Regionalauscheidung den 3. Platz im Fachgebiet Technik und den Umweltsonderpreis „Nachwachsende Rohstoffe“.

Jatrophasamen in der Hand
An der Ölpresse
Frisch gepresstes Jatropha-Öl

Die Wunderpflanze Jatropha

Jatropha (dt. Purgiernuss) ist ein Wolfsmilchgewächs und gedeiht wild in den Tropen- und Subtropengebieten der Erde. Sie blüht dreimal im Jahr. Die erdnussgroßen Samen werden geerntet und gepresst. Das Öl eignet sich für Seife und Lampenöl.

Es gibt 175 Arten.

Jatropha curcas wächst strauchartig bis zu 8 m Höhe und kann bis zu 40 Jahre alt werden.

Die Pflanze ist anspruchslos und muss nicht gedüngt werden.  Sie kann bis zu 8 Monaten ohne Wasser auskommen.

Das interessierte uns, da reichhaltige gute Erfahrungen mit kalt gepresstem Pflanzenöl hiesiger Pflanzen im unveränderten Dieselmotor vorlagen. Wie würde sich das Öl der Purgiernuss im Motor verhalten. Luisa und Eike stellten in ihrer Jugend-forscht-Arbeit mit Fotos und Videofilm die Erfahrungen dar. Sie zeigten wie man Tank und Dieselfilter abtrennen kann und einen eigenen Treibstoffkreislauf zum Motor konstruiert. Damit wurde sicher gestellt, dass der Motor ausschließlich Jatrophaöl erhielt.

Ergebnisse: Der Motor sprang problemlos an und lief sehr ruhig.

Das Öl schien uns dünnflüssiger als Rapsöl zu sein.

Die Russmessung  zeigte eine ähnliche Russminderung wie beim Raps- oder Sonnenblumenöl.

Da war uns klar. Das ist ein guter Beitrag zum Thema Nachhaltigkeit.

Autos mit Dieselmotor können umweltfreundlich mit Pflanzenöl gefahren werden. Das aus dem Auspuff entweichende CO2 wird von den  nachwachsenden Pflanzen in der Fotosynthese zu 100% wieder aufgenommen. Fahren mit Pflanzenöl ist CO2-neutral.

Jatropha eignet sich wegen der Anspruchslosigkeit zum Anbau in Wüstenrandgebieten. Sie gilt als Pionierpflanze und kann die Ausbreitung von Wüsten stoppen und allmählich rückgängig machen.

Zusatztank im Auto
Hof mit Windgenerator für die Samenpressung

Bei ihrem Vortrag in Cuxhaven  sprachen Zuhörer von einer Wunderpflanze, da sie gleich 3 große Weltprobleme lösen kann. Das führten Luisa und Eike auch beim Jufo-Wettbewerb aus:

Es sind: Stopp der Wüstenbildung, des Hungers bzw. Armut und des Treibstoffmangels.

Wir erhielten die Jatrophasamen von einem Professor der FH Gelsenkirchen, der seit Jahren gute Beziehungen zu Ghana unterhält und selbst auf diesem Gebiet forscht. Er schenkte uns auch den ersten Liter Jatrophaöl für eigene Versuche.

Mit den Samen suchten wir einen Bauern  einer Ölmühle im Münsterland auf. Er betreibt seine Ölmühlen mit elektrischem Strom aus einer eigenen Windkraftanlage. Die Samen werden also umweltfreundlich und kalt gepresst. Der Ölgehalt der Samen liegt zwischen 40 und 70%.

Der Presskuchen der Purgiernuss ist nicht wie der anderer Ölpflanzen zur Viehfütterung geeignet, da die Purgiernuss leicht giftig ist. Das ist auch der Grund, dass sie keine Feinde oder andere Schädlinge in ihrem Anbaugebiet hat. er kann aber als Humus oder zu Pellets verarbeitet zur Biogasherstellung verwendet werden.

Die Wirkung auf Menschen ist bekannt. Purgiernuss wirkt abführend und reinigend (lat. purgire)

Der Bauer legte uns nahe zu untersuchen, ob kleine Zugaben von Purgiernuss-Presskuchen medizinisch angewendet werden können, z. B. bei Koliken von Pferden.

Auf Grund der Presseartikel in Münster erschien nach einem Interview im Januar 2009 ein Artikel in der Berliner Zeitung „Nüsse im Tank. Biodiesel aus Jatropha-Früchten findet Anklang in Industrie und bei Umweltschützern“.

Für die Radiosendung „Die Sonntagsfahrer“ gab es am 25. Janaur 2009 ein 10minütiges Live-Interview eines Berliner Radiosenders zu unserem Projekt.

Pflanze,Öl und Presskuchen
Eike und Luisa erklären

Stirling-Ausstellung im Schulfoyer

Kurzbeschreibung: Stirling-Ausstellung

Um andere MitschülerInnen für die nächste Jugend-forscht-Runde zu gewinnen, wurde angeregt, die diesjährigen Arbeiten im Foyer der Hildegardisschule zu präsentieren.
Daraus wurde ein umfangreiche erweiterte 1-wöchige Austellung mit Leihgaben von Privatpersonen und anderen Schulen.

Projekt: Stirling-Ausstellung im Schulfoyer

Da es in diesem Schuljahr in der Hildegardisschule zum ersten Male eine Beteiligung am Wettbewerb Jugend-forscht gab, wurde der Wunsch laut, eine Ausstellung der beiden Arbeiten zu den Themen Jatropha und Stirlingmaschinen im Foyer der Schule zu präsentieren.
Aus den eigenen Fotos und Filmen wurde unter Mithilfe von Mitschülerinnen des 13. Jahrgangs, Sina und Lea, eine musikunterlegte Powerpoint-Präsentation erstellt, die im Foyer auf einem Fernsehbildschirm tagsüber lief. Um das Thema Stirling von allen Seiten zu beleuchten, wurde die Ausstellung um Stirlingmaschinen als Leihgaben ergänzt.
Herr Lemper aus Altenberge lieh zwei historische Heinrici-Motoren aus. Sie wurden um 1900
für Drehständer oder Ventilatoren eingesetzt. Stirlingmotoren wurden zu der Zeit noch Heißluftmotoren genannt.
Das Gymnasium St. Mauritz lieh zwei Motoren aus:
einen kleinen 2 –W-Motor  und eine Schülerarbeit.
Schüler hatten für ihren Lehrer zum Abschluss der Schulzeit einen Stirlingmotor aus einem Pappfaltenbalg und einer Keksdose gebaut. Als Wärmequelle dienten ein paar Teelichter. Das Schillergymnasium lieh eine gläserne Demonstations-Stirlingmaschine aus, die in 3 Funktionen gezeigt werden konnte und zwar als
1.) Motor
2.) Kältemaschine
3.) Wärmepumpe.
Eindrucksvoll ist, dass die Kältemaschine mit einer Handkurbel betätigt wird und das Thermometer sofort sichtbar bis in den Minusbereich sinkt.
Es gab einen industriemäßigen 500-W-Stirlingmotor von Kufner in Betrieb zusehen, einen Flachplattenstirling nach Prof. Kolin, der mit Sonnenenergie laufen konnte. Es war eine Jugend-forscht-Arbeit aus den 90er Jahren, die Herr Rückamp an der  Friedensschule, der bischöflichen Gesamtschule, betreut hat. Unter seiner und Herrn Howars Leitung wurde dort auch der Murmelstirling zum Fahrzeug weiterentwickelt. Herr Howar führte den Bausatz und ein Fahrmodell im Foyer der Hildegardisschule vor.  
Ein großes Plakat, das die Entwicklungsstufen der Stirlingmaschinen von 1815 bis heute im Bild zeigt, wurde von Rebecca Poppenburg in einem schönen selbstgestalteten Bilderrahmen präsentiert, das noch heute das Foyer ziert.

Im Foyer wurde während der Ausstellungswoche an Hand von Schülerarbeiten, der ergänzenden Schautafeln und der Modelle Technikunterricht durchgeführt. Die Schautafeln zeigten z. B. alte Heißluftmotoren der Spielzeugfirma Märklin und neueste Motorentwicklungen mit solarem Antrieb, die zur Zeit in warmen Ländern getestet werden und Blockheizkraftwerke (BHKW).

Ein besonderer Leckerbissen war die Demonstration eines Heissluftmotors, der auf Eis lief. Das war ein schwer zu lösendes Rätsel.

Als Anregung für künftige Forscherinnen und Forscher waren alle 95 Jugend-forscht-Arbeiten der 7 Fachgebiete des diesjährigen Regionalwettbewerbs in Kurzfassungen beschrieben und ausgehängt.
Während der ganzen Ausstellungswoche stand ein Büchertisch für alle zur Verfügung, um
weitere Informationen zu den behandelten Themen zu bekommen.
Die Technikklasse FOS 12a drehte einen ersten Versuchsfilm mit Eindrücken aus der Ausstellung.

Heißluftmotor auf Eis

Bio-Hilde

Projektteam

Höhere Handelsschule der Hildegardisschule in Münster (Ober- und Unterstufe)

Kurzbeschreibung

In zwei Doppelstunden (Montags die Unterstufe und Dienstags die Oberstufe) arbeiten die Schülerinnen und Schüler in verschiedenen Gruppen an dem Projekt „Bio-Hilde“. Donnerstag und Freitags findet der Verkauf im Schulkiosk statt. Bestellungen kann man in einem Online-Shop unter www.bio-hilde.de abgeben.

 

Projektpräsentation

Im Jahr 2007 haben die Schülerinnen und Schüler der Hildegardisschule (damals noch Unterstufe) das Projekt begonnen. Sie haben sich Gedanken gemacht, welche Rechte und Pflichten eine Schulfirma hat und wie sie einen solchen Bioshop als Online-Shop betreiben können. Bevor sie ihre Internetseite veröffentlicht haben, mussten sie sich einen Lieferanten suchen, der ihren Bio-Onlineshop unterstützt und beliefert.

 

In ihrem Onlineshop kann man sich mit einem Kennwort und Passwort einloggen und verschiedene Bioprodukte bestellen und diese Donnerstags und Freitags in unserem Schulkiosk abholen.

 

Ihr Angebot war anfangs noch recht klein, da sie erstmal abwarten mussten, wie sich das Projekt entwickelt und wie es bei den Kunden ankommt. Aufmerksamkeit haben die Schülerinnen und Schüler durch Vorträge in ihrer Schule, Zeitungsartikel oder Flyer gewonnen. Das Produktangebot unterteilt sich in die Rubriken Molkereiprodukte, Eier, Obst, Gemüse, Brotaufstriche, Honig, Schleckereien, Kochbuch, Getränke, Nudeln und Reis.

 

Die Schülerinnen und Schüler der Unterstufe haben jeden Montag Unterricht in dem Differenzierungsfach „Schulfirma“ und beschäftigen sich mit der Personalabteilung und dem Verkauf der Produkte.

 

Die Oberstufe, die sich bereits im zweiten Jahr des Differenzierungsfaches „Schulfirma“ befindet, arbeitet jeden Dienstag an ihrem Projekt und ist unterteilt in die Abteilungen Marketing, Finanzen und Rechnungswesen. Die „Mitarbeiter“, die für den Bereich Marketing zuständig sind, beschäftigen sich vor allem mit Möglichkeiten, wie man noch weitere Kunden werben und interessant wirken kann (Werbeartikel, Werbefilm, …).  Ebenfalls ist es ihnen sehr wichtig, dass man der Nachfrage der Kunden nachkommt und neue Produkte in den Onlineshop einstellt.

 

In der Abteilung Finanzen beschäftigt man sich vor allem mit reellen finanziellen Problemen eines Unternehmens und stellt Problemlösungen den anderen „Mitarbeitern“ anschaulich in Präsentationen vor. Dieses hat den Effekt, dass Themen, die die Schülerinnen und Schüler in ihrem Hauptfach „Betriebswirtschaftslehre“ durchnehmen noch einmal vereinfacht in der Praxis wiederholt werden können.

 

Die Abteilung Rechnungswesen beschäftigt sich mit den Aufträgen des Onlineshops. Diese werden mit einem gängigen Computerprogramm bearbeitet. Außerdem behalten sie den Lagerbestand im Auge und bestellen je nach Bedarf neue Produkte beim Lieferanten. Weitere Aufgaben sind es, neue Kunden in der Kundenakte anzulegen, die Rechnungen, die eingegangen sind zu buchen und Ergänzungen des Sortiments zu bearbeiten.

 

Die Schülerinnen und Schüler der „Schulfirma“ erhoffen sich, dass sie mit diesem Projekt Erfahrungen für die Zukunft sammeln können und diese für den späteren beruflichen Werdegang sinnvoll anwenden können.

Wärme aus Kälte

Es gibt mehrere 12-Volt-Kühlschränke auf dem Markt. Wir befassten uns mit einem Kühlaggregat, das auf dem Stirlingprinzip beruht und stellten fest, dass es sehr energieeffizient ist, wenn es über eine Elektronik gesteuert wird.

Projekt: Kälte aus Wärme mit der Stirling-Kältemaschine

Kältemaschine

Bei  der Demonstration von naturwissenschaftlichen Versuchen bei dem jährlichen Schulfest lernten die Schülerinnen Ann-Christin Artmeier, Julia Naatz und Rebecca Poppenborg die Stirling-Kältemaschine der japanischen Firma Twinbird kennen, die vom Münsteraner Verein Nütec (Natürliche Überlebenstechnik e. V.) zur Verfügung gestellt worden war. Sie wurde mit 12 Volt Gleichspannung betrieben und kühlte einen kurzen zylindrischen Kältekopf von 3 cm Durchmesser in wenigen Minuten bis -700 C.
Die Maschine besaß zwar eine Elektronik-Platine, ließ sich aber nicht regeln. Sie lief nur mit voller Leistung von 40 Watt.

Sie entschlossen sich, am Jugend-forscht-Wettbewerb im Fachgebiet Technik teilzunehmen und stellten damit in ihrer Freizeit  zusammen mit ihrem Betreuungslehrer Werner Rückamp einfacheVersuche an: Kühlung von Wasser und Luft in einer Thermosflasche. Das Wasser gefror am Kältekopf. Eine Kältebox mit Peltierelementen wurde fürd en Betrieb mit der Stirlingmaschine umgebaut. Der Deckel ließ sich nicht schließen. Sie entwarfen eine eigene Kältebox mit einer seitlichen Öffnung für den Kältekopf und ließen sie aus Metall bauen. Der Kühlraum wurde mit Kunststoff ausgeschlagen.
In der Zwischenzeit befassten sie sich mit der Elektronik. Im Internet fand sich ein technisches Handbuch, aus dem die Anschlüsse für Potis zu sehen waren, damit sowohl  die elektrische Leistung als auch die gewünschte Kühltemperatur voreingestellt werden konnte.

Sie machten sich mit Lötkolben und Lötzinn vertraut und bauten auch ein Schaltbrett für die Regler. Die Skalen wurden experimentell ausgemesssen und gezeichnet.
Als alles zusammengebaut war, lief es einwandfrei.

Als Spannungsquelle reichte ein Solarmodul von passender Leistung mit Pufferakku und Entladediode.  Der Kältekopf ragte in einen 10-Liter-Kühlraum. Bald schlug sich soviel Eis auf ihm nieder, dass es zu stark isolierte.
Die Kühlleistung wurde verbessert, als eine Seite des Kühlraums das Kupferblech erhielt, das für die erste Kältebox angepasst war. Mit Metallsäge und Trennscheibe wurde es für diesen Kühlraum wieder umgebaut. Die Graphen zeigen deutlich die Verbesserung. Noch besser würde es, wenn alle 6 Seiten mit Kupfer ausgeschlagen würden.

Beim Löten
Kupferblech anpassen
Schaltpult vorläufig beschriftet
Unsere Kältebox

Beim Jugend-forscht-Wettbewerb kam der erste Härtetest. Bei einer Lufttemperatur von mindestens 250 C wegen der Scheinwerfer auf dem Solarmodul hielt der Kühlraum die voreingestellte Temperatur von 80 C über mehrere Stunden bei einem Einsatz von 4 W. Dabei fielen 2 W auf den verbesserungswürdigen Lüfter, die restlichen 2 W auf die eigentliche Kältemaschine. Es gibt wohl  kaum etwas Energieeffizienteres auf diesem Sektor.
Der Stirlingmotor ist nach der Dampfmaschine die älteste Wärmekraftmaschine der Welt.
Wenige Jahre nach der Erfindung im Jahre 1815 fand man heraus, dass sie bei äußerem Antrieb je nach Drehrichtung als Wärmepumpe oder als  Kältemaschine benutzt werden kann.Die Maschine besitzt außer dem Arbeitskolben einen Verdrängerkolben zur Steuerung des eingeschlossenen Gasvolumens
Die Twinbird-Kältemaschine ist eine Freikolbenmaschine. Beide  Kolben schwingen in einem gekapselten Raum, der zur Effizienzsteigerung mit Helium unter einem Druck von 26 bar gefüllt ist. Das Gas muss nicht erneuert werden. Angeregt wird die Schwingung über einen elektrischen Linearmotor mit Elektro- und Permanentmagnet. Der Energiezufuhr ist daher so niedrig, weil die Kolben mit fast 80 Hz in  Resonanz schwingen.

Die 3 Mädels erreichten beim Wettbewerb mit ihrem Stirlingprojekt den 2. Platz im Fachgebiet Technik. Die Zeitungen lobten die Arbeit und stellten besonders heraus, dass sie bewiesen haben, dass Frauen und Technik zusammenpassen

Vortrag im Umwelthaus

Auf Einladung des Umweltforum Münster e.V. und Nütec e.V. hielten wir einen öffentlichen Experimentalvortrag zum Thema Stirlingmaschinen. Wir stellten die Stirling-Kältemaschine aus der Jugend-forscht-Arbeit vor und vergleichbare 12-Volt-Kühlaggregate anderer Hersteller.
Ferner gab es einen geschichtlichen Abriss der Heißluftmotoren von der ersten Erfindung bis zum heutigen Stand der Stirling-BHKW.

Projektbeschreibung

Da Nütec e.V. uns die Kältemaschine der japanischen Firma Twinbird zu Untersuchungs-zwecken zur Verfügung gestellt hatte, nahmen wir das Angebot gerne an, im Umwelthaus einen öffentlichen Bericht über unsere Arbeitsergebnisse abzugeben. Das machten wir mit Hilfe der beigefügten Powerpoint-Präsentation.
Wir stellten heraus, dass nach unseren Untersuchungen die Kältemaschine die effektivste aller uns bekannten 12-Volt-Kältemaschinen ist. Zum Vergleich wurden Kühlaggregate der Firmen Kissmann und Waeco herangezogen. Der Unterschied des Stirlingaggregats zu diesen ist, dass
die Twinbird-Kältemaschine ohne Kältemittel auskommt und dass das  Gas keinen Aggregats-zustandsänderungen unterworfen ist. Es ist erheblich leichter und kann tiefere Temperaturen erreichen. Freikolben-Kühlaggregate wurden im Irakkrieg eingesetzt zur Kühlung von Soldat und Gerät, z. B. Nachsichtgeräten. Die Infrarotsensoren von Satelliten werden ebenfalls von Stirlingmaschinen gekühlt. Stirlingmaschinen sind nicht anfällig und kommen praktisch ohne Wartung aus.
Unser Betreuungslehrer, Herr Werner Rückamp, gab anschließend einen Überblick über den Stand der Stirling-Blockheizkraftwerke (BHKW). In den 90er Jahren gab es Entwicklungen der Firma Herrmann im Ruhrgebiet und der  Firma Solo. Beide Firmen meldeten Insolvenz an.
Die langjährigen Entwicklungen von Solo werden von Sanevo und WhisperGen weitergeführt.
Heute stehen fast geräuschlose BHKWs mit dieser Technik zur Verfügung.
Heißluftmotoren gerieten um die Wende zum 20. Jahrhundert durch  das Aufkommen von Explosions- und Elektromotoren in Vergessenheit. Die holländische Firma Philips suchte in den 30er Jahren für ihre Radiogeräte Absatzgebiete außerhalb von Europa. Dabei stießen sie auf Stirlingmotoren, die man in heißen Ländern wie Afrika zum Antrieb von Generatoren benutzen konnte, um den Strom für Radios zu erzeugen. Heute baut Philips sog. Kryogeneratoren. Das sind Stirling-Kältemaschinen zur Erzeugung von Temperaturen unter -2000C, der Temperatur zur Verflüssigung von Luft. Die Universität Münster hat für die Klinik solch ein Aggregat in Betrieb.
Es gab ferner einen Überblick über Leistungs-Stirlingmoren für U-Boote, LKWs, Busse  und PKWs.
In der Diskussion nach dem Vortrag stellte ein Teilnehmer dar, dass auch die Stadtwerke Münster ein Stirlingaggregat in Betrieb haben.

Historische Stirling-Maschine