3.2.2 Energie und Mobilität

3.2.2.1 Energie in Natur und Technik

Die Schülerinnen und Schüler sollen natürliche und technische Systeme hinsichtlich ihrer äußeren und inneren Energieströme analysieren können.

(1) die Bedeutung der Sonne für das Leben auf der Erde erläutern (zum Beispiel Fotosynthese, Windsysteme, Schiefe der Ekliptik)

Die Schülerinnen und Schüler sollen an Beispielen erklären können, dass die Erde nicht als abgeschlossenes System ohne die Sonne betrachtet werden kann. Dazu kann der NwT-Unterricht an sehr verschiedenen Stellen Beiträge leisten. Beispiele können die Fotosynthese und technische Solarenergienutzung, die Ausbildung von Klimazonen und Windsystemen, die Entstehung unterschiedlicher Jahreszeiten oder das Zustandekommen fossiler Energievorräte sein.

(2) die Begriffe Energiespeicher und Energieübertragung erläutern (zum Beispiel Körpertemperatur von Tieren, elektrochemischer Energiespeicher, Gebäudeheizung, Atmosphäre)

(3) Energieübertragungsketten in Systemen grafisch darstellen und erklären (zum Beispiel Lebewesen, Maschinen)

Energieströme überschreiten Systemgrenzen, stellen also die Wege der Energieübertragung in und aus dem System heraus dar. Bei einem Säugetier wären dies zum Beispiel Nahrung, Lichteinstrahlung, mechanische Energieübertragung, Wärmeeinstrahlung und Wärmeabstrahlung... Wechselwarme Tiere unterscheiden sich hier wesentlich.

Ein technisches System wie z.B. ein Reisewecker erhält ab und an eine neue Batterie (als Beispiel für einen elektrochemischen Energiespeicher) und gibt Energie mit Hilfe von Licht, Wärme oder Schall ab.

Die Energieübertragung kann mit Hilfe von (aus dem Physikunterricht bekannten) Energieübertragungsketten (hier am Beispiel eines Gezeitenkraftwerks mit Schwimmkörper) dargestellt werden.

Unterrichtlich geeignete Beispiele zur Einführung wären z.B. ein Gewächshaus, ein Motorschiff oder das Energieversorgungssystem einer Region.

(4) Energiedichten oder Speicherkapazitäten vergleichen (zum Beispiel Brennwert, Latente Wärme)

(5) Energieumsätze abschätzen, berechnen und vergleichen

Die Schülerinnen und Schüler sollen erkennen, dass man mit Energiespeichern auch quantitativ umgehen kann. Gedacht ist zum Beispiel an folgende Fragestellungen: „Wie lange kann eine Heizung mit einer Leistung von 8 kW mit einem 100 Liter-Propangastank versorgt werden?“ oder „Wie groß ist die Energiedichte von Mais im Vergleich zu Gülle für die Verwendung in der Biogasanlage?“ oder „Welche Masse wird bei einem Akku benötigt, um eine gewisse Energiemenge zu speichern?“ Ziel des Unterrichts muss auch sein, dass die Schülerinnen und Schüler die gebräuchlichen Einheiten für Leistung und Energie einzuschätzen lernen.

(6) aus individuellen oder regionalen Energieumsätzen eigenes und gesellschaftliches Handeln ableiten

Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit realen Energieumsätzen des menschlichen Lebens (z.B. „Verbrauch“ an „elektrischer Energie“, regionale Energiebilanz) auseinandersetzen und persönliche wie gesellschaftliche Handlungsoptionen zur Optimierung (z.B. Effizienzsteigerung, Einsparung) reflektieren.

(7) Wirkungsgrade und Leistungen berechnen und vergleichen (Wirkungsgrad in Energieübertragungsketten)

Die Schülerinnen und Schüler sollen in Erweiterung von (3) den Gesamtwirkungsgrad einer Energieübertragungskette als Produkt der Einzelwirkungsgrade berechnen und so deren Bedeutung begreifen können. Für Vergleiche von Systemen können sie die ökonomische und ökologische Bedeutung des Wirkungsgrades heranziehen.

Ein unterrichtsgeeignetes Beispiel ist der Vergleich der Energieübertragungskette vom Gaskraftwerk bis zu einer Glühlampe bzw. LED-Leuchte, eine Gesamtbilanz von vegetarischer und nichtvegetarischer Ernährung oder der ökologische Fußabdruck

3.2.2.2 Energieversorgungssysteme

Das Thema Energieversorgung hat in unserer Gesellschaft hohe Relevanz und stellt auch in Zukunft eine Herausforderung für Technik und politische Entscheidungsträger dar. Im NwT-Unterricht dient das Thema zugleich als Beispiel für ein „umfassendes System“, an dem Schülerinnen und Schüler exemplarisch erkennen können, wie naturwissenschaftliche Grundlagen, technische Fragestellungen und gesellschaftliche Anforderungen untrennbar mit einander verbunden sind.

(1) Grundbegriffe der Energieversorgung beschreiben (zum Beispiel fossile und regenerative Energieträger, Grund- und Spitzenlast)

Um gesellschaftliche Fragestellungen im Themenbereich „Energieversorgung“ diskutieren zu können, müssen die Schülerinnen und Schüler Grundbegriffe verstehen und anwenden können. Bei der Auswahl der Grundbegriffe bietet sich eine Orientierung an aktuellen gesellschaftlichen Debatten an.

(2) verschiedene Möglichkeiten der Nutzbarmachung von Energie beschreiben (Photovoltaik, Solarthermie, Windenergie, thermische Kraftwerke; höchster theoretischer Wirkungsgrad zum Beispiel Carnotwirkungsgrad oder Betz‘sche Leistungsentnahme)

(3) Möglichkeiten der Energieversorgung hinsichtlich ökologischer und wirtschaftlicher Kriterien vergleichen und bewerten

Die physikalischen Grundlagen der Energiewandlungstechnologien sollen in NwT nicht eigens eingeführt werden. Wenn es das Curriculum gestattet, sollten vorliegende Kenntnisse zum Beispiel über die Theorie der Solarzelle oder die elektromagnetischen Zusammenhänge im Generator aufgegriffen und angewandt werden. Der Carnotwirkungsgrad kann als „Umgang mit einer unbekannten Formel“ behandelt werden, da die Thermodynamik aus der Physik nicht zur Verfügung steht. [3.2.1 (5)]

Die Schülerinnen und Schüler sollen wissen, dass sich Technologien nicht bis zu einem Wirkungsgrad von 100% verbessern lassen. Dazu sollen sie exemplarisch eine theoretische Wirkungsgradgrenze mit einer anschaulichen Begründung kennen lernen. Als Beispiele genannt sind der Carnot-Wirkungsgrad als maximaler Wirkungsgrad für Wärmekraftwerke oder Verbrennungsmotoren sowie die Betz´sche Leistungsentnahme als theoretisches Wirkungsgradmaximum für Windkraftanlagen.

Hier ist nicht an eine fachsystematische Herleitung der Gleichungen, sondern an deren anwendungsbezogene mathematisch korrekte Nutzung gedacht.

Anknüpfungspunkte können die Energieversorgung Deutschlands, der ökologische Fußabdruck oder die Energiewende sein.

(4) ein Funktionsmodell eines energietechnischen Systems entwickeln, konstruieren, fertigen und die Energieumsetzung quantitativ auswerten (zum Beispiel Windkraftanlage, Photovoltaik, Anlage mit Brennstoffzelle, elektrochemischer Energiespeicher)

Die Schülerinnen und Schüler sollen sich an mindestens einem Beispiel technisch quantitativ mit den Schwierigkeiten der Energiewandlung auseinandergesetzt haben.

Die Wahl des Modells ist der Schule überlassen – es muss sich auch nicht jede Schülerin bzw. jeder Schüler mit der gleichen Energiewandlung beschäftigen. Beispiele wären hier die Optimierung von Wasser- oder Windrädern, die Frage der optimalen Ausrichtung von Solarzellen, die Optimierung eines Solarofens, die Analyse eigener elektrochemischer Energiewandler wie Akku oder Brennstoffzelle.

(5) Eignungsfaktoren eines Standorts für ein Energieversorgungssystem analysieren (zum Beispiel naturräumliche, technische, gesellschaftliche, ökologische, wirtschaftliche Faktoren)

Die Schülerinnen und Schüler sollen an einem Beispiel die Faktoren kennen lernen, die für die Eignung eines Standorts eines Energieversorgungssystems wichtig sind. Dabei sollte deutlich werden, dass es nicht „die eine optimale Energieversorgung“ für alle Regionen gibt.

Hier bieten sich eine geographische Standortanalyse, ein Standortvergleich, die Analyse eines Windatlas oder ggf. eine Exkursion an.

3.2.2.3 Bewegung und Fortbewegung

Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die Erzeugung gezielter Bewegungen in Natur wie in der Technik eine Mechanik erfordert, die zum Beispiel im menschlichen Skelett und in vielen Maschinen durchaus vergleichbar umgesetzt ist. An vielen Stellen des NwT-Unterrichts haben Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, die einmal erkannten Prinzipien wiederzuentdecken oder in eigenen Konstruktionen anzuwenden.

(1) Bewegungen in Natur und Technik vergleichen (zum Beispiel aktive und passive Bewegungen)

Die Schülerinnen und Schüler erkennen an Beispielen (z.B. Tiere, Fahrzeuge, Planeten), dass es unterschiedliche Formen der Bewegung gibt und können diese klassifizieren (z.B. aktive und passive Bewegungen, gleichförmige und beschleunigte Bewegungen, Translation und Rotation, periodische Bewegung). Sie vergleichen z.B. auch Fortbewegungstechniken beim Mensch, bei Tieren und Maschinen bzw. an Land, im Wasser, in der Luft und im Weltraum.

Ziel ist nicht, dass diese Bewegungen mathematisch beschrieben werden. Vorkenntnisse aus dem Physikunterricht können zur Beschreibung von Bewegungen aber aufgegriffen werden.

(2) Antriebsmöglichkeiten für Bewegungsabläufe beschreiben (zum Beispiel Muskel, Elektromotor)

(3) Rückstoß, Auftrieb oder Reibung als Ursache für die Fortbewegung in Natur und Technik beschreiben (zum Beispiel Rakete, Heißluftballon)

Viele Bewegungen werden von einer „Antriebskomponente“, zum Beispiel einem sich kontrahierenden Muskel oder einer drehenden Motorwelle bewirkt. Im Unterricht sollen Antriebe aus Natur und Technik an einem Beispiel (z.B. Armbeugung, Fahrrad, Motorrad) beschrieben werden, um das Wirkprinzip Antrieb-Bewegung zu verdeutlichen.

Die innere Funktionsweise der Antriebe und deren biologische, chemische bzw. physikalische Entstehung stehen dabei nicht im Vordergrund. Vorhandene Grundlagen aus diesen Fächern sollen aber aufgegriffen werden.

Bei der Beschreibung der Ursachen der Fortbewegung wird die theoretische Durchdringung an die altersgemäßen Vorkenntnisse angepasst.

(4) Hebelwirkung, Drehmomente und Drehzahlen bestimmen (zum Beispiel Zusammenwirken von Muskulatur-Knochen-Gelenk, Motor-Welle-Lager)

Die Schülerinnen und Schüler lernen mechanische Bewegungen zunehmend genauer zu verstehen, zu analysieren (z.B. Ellenbogengelenk) und quantitativ zu beschreiben (Einheiten, Formeln).

In Klasse 8 kann „Drehmoment“ (zunächst ggf. einfach als Fachausdruck für eine Kraftübertragung durch eine Welle) anschaulich eingeführt und erst später präzisiert werden. (6)

(5) Systeme zur Wandlung von Dreh- und Längsbewegungen erläutern

Die Schülerinnen und Schüler erkennen wiederkehrende Grundprinzipien bei der Umwandlung zwischen Längsbewegungen (Translationen) und Drehbewegungen (Rotationen) und können diese auch in unterschiedlichem Zusammenhang erklären (vgl. Tabelle).

(6) Übersetzungen dimensionieren und Getriebe konstruieren (Drehrichtung, Drehzahl, Drehmoment)

(7) ein Objekt mit Antrieb entwickeln, konstruieren, fertigen und optimieren

Die Schülerinnen und Schüler sollen in der Lage sein, die mechanischen Bewegungen auch quantitativ zu verstehen. Basis dafür sind das Hebelgesetz (4), die Größe Drehmoment (4) und das Getriebegesetz (Übersetzungsverhältnisse z.B. beim Fahrrad), die sich über die „goldene Regel der Mechanik“ begründen lassen.

Schülerinnen und Schüler können diese Gesetze an einfachen Beispielen (z.B. auch aus der Anatomie) kennen lernen und nutzen sie zunehmend auch in Kombination miteinander. Sie sollen so in der Lage sein, ein eigenes Getriebe vor dem Bau zu berechnen.

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