Ende Oktober 2005 - Science on Stage Deutschland

Sehr geehrte Damen und Herren,
Wir möchten Ihnen ein Schulprojekt vorstellen, das den normalen Rahmen von Projekten bei
Weitem sprengt. Im vergangenen Jahr hat das Max-Born-Berufskolleg das Projekt
„Weltraumaufzug“ die Lernatmosphäre der Schüler, die Lehrer und die gesamte Schule
nachhaltig verändert.
Worum ging es bei dem Projekt „Weltraumaufzug 2006“ des Max-Born-Berufskollegs
in Recklinghausen?
Es ging um die praktische Ausgestaltung einer faszinierenden Idee, die auf den russischen
Raumfahrttheoretiker Konstantin Ziolkowski (1857 – 1935) zurückgeht. Schon zu Beginn
des 20. Jahrhunderts träumten Weltraumpioniere davon, Reisende mittels einer Gondel
schnell und kostengünstig in den Weltraum zu befördern. Notwendig dafür wäre ein Seil, das
36.000 Kilometer lang ist und an dem Lasten oder Personen senkrecht nach oben steigen
können, wie in einem Aufzug. Das Seil würde aufgrund der Fliehkraft der sich bewegenden
Erde stabil senkrecht stehen bleiben. Schon heute gibt es sehr viele geostationäre Satelliten,
die im Abstand von 36.000 km die Rotation der Erde um sich selbst in 24 Stunden
mitmachen, allerdings ohne Seil und damit ohne ständigen festen Kontakt mit der Erde. Im
Kern läuft das Projekt Weltraumaufzug darauf hinaus, dass Lasten nicht mehr per Rakete,
sondern per Aufzug umweltfreundlicher, ökonomischer und gleichmäßiger ins
All befördert werden können. Es ist ein visionäres Konzept, auf jeden Fall Zukunftsmusik,
aber die NASA verfolgt das Konzept sehr ernsthaft.
Ausprobieren konnte es bislang niemand in Gänze, denn es fehlen bis heute Materialien, die
solchen Belastungen gewachsen wären. In Vorbereitung auf die Teilnahme am Wettbewerb
Space Elevator Games in Las Cruces in New Mexico, USA am 20. und 21. <strong>Oktober</strong> 2006
ging es in Recklinghausen am Max-Born- Berufskolleg zunächst darum, den Prototypen eines
kleinen und preiswerten Weltraumaufzug zu entwerfen, der den beschwerlichen Weg ins All
einfacher und kostengünstiger macht. Der Prototyp sollte in diesem Wettkampf für
Probeversuche auf kurzer Strecke realisiert werden (60 m).
Eine Chronologie des Projektes:
<strong>Ende</strong> <strong>Oktober</strong> <strong>2005</strong>:
Zufällig – zwischen Rasur und Frühstück, lehrertypisch bereits alle Antennen auf Unterricht
und dessen möglichst attraktive Gestaltung ausgerichtet – hört Jörn Lutat (Lehrer am Max-
Born Berufskolleg) einen Bericht über einen NASA-Konstruktionswettbewerb zum Thema
Welraumfahrstühle. Statt dieses Thema als Utopie mental direkt zu den Akten zu legen,
recherchierte er zu dem Thema im Internet. Fazit: Es dürfte für unsere Schule nicht unmöglich
sein, die Teilnahmebedingungen
zu erfüllen.
Anfang November <strong>2005</strong>:
In verschiedenen Klassen stellte Lutat das Thema vor, um die Motivation der Schüler zu
testen. Das Feedback war jedoch entgegen der Annahmen der Lehrer überraschend positiv,
die jungen Menschen fanden das Projekt „cool“ und wurden infiziert von der Idee, an der
Entwicklung einer Raketenalternative mitzuarbeiten. Zweifel blieben, ob genügend Schüler
das notwendige Durchhaltevermögen für ein derart langes Projekt haben wurden.
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<strong>Ende</strong> November <strong>2005</strong>:
Das Projekt wurde konkreter. Die Schulleitung, die „Steuergruppe Selbstständige Schule“ und
der Förderverein wurden informiert und gaben Rückendeckung für die Finanzierung kleinerer
Investitionen.
Fazit: Wir haben das Klassenzimmer verlassen – wichtige Entscheidungsträger sind mit im
Boot.
Weihnachtsfeier <strong>2005</strong>:
Die Schulgemeinde beging in feierlichem Rahmen das <strong>Ende</strong> des Einstein-Jahres. Am Rande
dieses Ereignisses konnten wir Prof. Dr. Mache von der Technischen Fachhochschule
Agricola in Bochum als Partner gewinnen. Er vermittelte uns auch als zweiten Partner die
California State University in den USA. Ein Rad griff ins andere. Mit ein paar klangvollen
Namen sollte die Suche nach Sponsoren nun nicht mehr ganz aussichtslos sein und wir
meldeten uns zum Wettbewerb in New Mexico an.
Dezember <strong>2005</strong>:
Projektstart in den Klassen A1M, B2M und der Fachschule für Technik. Die konkrete Arbeit
begann mit Zeichen- und Konstruktionsübungen. Die ungewöhnlichen Aufgaben förderten bei
allen Beteiligten Kreativität und Motivation.
Ca. 15 Schüler der Klasse „AHR 11 Maschinenbau“ (Dies ist eine Klasse die an unserer
Schule das Abitur absolvieren in der Jahrgangstufe 11 mit dem Leistungskurs
Maschinenbautechnik) arbeiteten im Rahmen der CAD- Arbeitsgemeinschaft an ersten
Plänen für den Weltraumaufzug. Die Klasse FHR/Assistenten 12 Maschinenbau
(Fachhochschulreife, Jahrgangstufe 12) erstellte zeitgleich Entwürfe für eine Teststrecke. In
der Fachschule für Technik wurden Ideen für den Antrieb erarbeitet. Immer mehr
Lerngruppen und Kollegen wurden in das Projekt eingebunden. Aber es fehlte noch eine
geeignete Lichtquelle. Für Solarzellen fehlte das Geld. Immer häufiger und immer bewusster
hörten wir den Song „Der Weg“ von Xavier Naidoo. Lange bevor er von der deutschen
Fußballmannschaft okkupiert wurde, begleitete er unser Tun mit seiner programmatischen
Titelzeile „Dieser Weg wird kein leichter sein“.
April 2006:
Die Planungsphase war beendet und die Fertigung des Antriebstrangs sowie des Halterahmens
wurde begonnen. Es stand immer noch keine geeignete Lichtquelle zur Verfügung. Das
Technische Hilfswerk in Recklinghausen lieh uns Scheinwerfer, aber diese hatten leider einen
viel zu großen Öffnungswinkel. Das Motto der nächsten Monate hieß „mehr Licht“.
Gespräche mit einigen Universitätsinstituten zum Thema Laser verliefen ernüchternd. Über
den Bau eigener Scheinwerfer wurde nachgedacht, aber aus Zeitmangel wurde dieser
Gedanke schnell verworfen. Außerdem existierte dafür kein Budget. Auch die Suche nach
Original-Flakscheinwerfern verlief erfolglos.
Im Betriebswirtschaftslehre wurden Strategien und Entwürfe für die Akquise von
Sponsorengeldern erstellt. Erste Sachspenden erreichen uns.
Es gab sie offenbar – die Menschen, die an uns glaubten.
Juli 2006
Ein Solarzellenhersteller erklärte sich bereit, uns 4m² hochwertige Solarzellen zu schenken.
Wir hatten immer noch kein Licht. Und niemand dachte daran, den Faktor Reisekosten in die
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Kalkulation einzubeziehen. Mittlerweile kannte ganz Fußballdeutschland den Ohrwurm „Der
Weg“ – Wir sind jedoch davon überzeugt, dass der Titel uns gewidmet ist.
September / <strong>Oktober</strong> 2006
Im Grunde stand das ganze Projekt vor dem Abbruch. Technisch wurden die Probleme von
Tag zu Tag (ja sogar von Nacht zu Nacht) weniger, aber eine leistungsstarke Lichtquelle
fehlte weiterhin. Auch die Frage der Transportkosten blieb ungelöst, die Teilnahme am
Wettbewerb der NASA offen. Der September endete überaus erfreulich: Es trafen endlich
größere Spenden ein, wodurch die Finanzierung gesichert wurde. Das
Beleuchtungsunternehmen, das auch für das Musikfestival der Schülervertretung tätig ist,
erklärte sich bereit, ihre Superscheinwerfer und den Service zur Verfügung zu stellen.
Amerika, wir kommen ...
Der technische Fortschritt trat durch die logistischen und finanziellen Schwierigkeiten
zwischenzeitlich etwas in den Hintergrund. So mussten die Bremsen in allerletzter Minute
gefertigt und montiert werden. Die Steuerung, so hatten wir entscheiden, sollte vor Ort in den
USA angepasst werden. Einen Tag vor dem Versand der Kisten per Luftfracht fand der letzte
Pressetermin in Recklinghausen statt. Erstmalig wurden alle Komponenten zusammen
öffentlich vorgeführt. Es gab kaum Probleme. Wir waren zufrieden und freuten uns auf New
Mexico. In den USA mussten wir zunächst erfahren, dass der US-Zoll unsere Transportkisten
nicht freigeben wollte. Nach unzähligen Telefonaten und E-mails sowie zwei Tagen
Zwangspause mit touristischem Notprogramm konnten wir schließlich mit der Montage des
Elevators beginnen. Die Präsentation des Aufzugs verlief zwar mit Verzögerungen, aber am
<strong>Ende</strong> konnten wir uns qualifizieren. Nur sechs von 20 Teams haben das geschafft! Leider
verliefen unsere ersten beiden Wettbewerbsfahrten dafür umso erfolgloser. Zweimal gelang
uns der Start nicht. Wind und Probleme mit der Steuerung verhinderten die Fahrt.
Zwischenzeitlich versuchte uns der Vermieter der Generatoren den Strom abzudrehen.
Ansonsten verlief alles nach Plan. Erst im dritten Versuch gelang es, den Elevator zu starten.
Die Fahrt verlief einschließlich Abstieg fast perfekt. Nur die Zeit konnten wir nicht einhalten,
da in großen Höhen die Strahlung der Scheinwerfer leider mehr nachgelassen hatte, als
erhofft. Zufrieden mit dem dritten Platz fuhren wir wieder nach Hause. Auch ohne die
Siegprämie hatten wir alle das Gefühl, mehr als erfolgreich dieses Projekt bewältigt zu haben.
Fächerübergreifender Ansatz
Das Projekt hat nach und nach einen Umfang erreicht, der nur durch das Ineinander greifen
von verschiedenen Fächern und Bildungsgängen erarbeitet werden konnte. Es waren die
Fächer Englisch, Physik, Betriebswirtschaftslehre, Informatik und Maschinenbautechnik
vertreten. Die Inhalte der Fächer soll im folgenden erläutert werden.
Maschinenbautechnik:
Im Leistungskurs Maschinenbautechnik wurde den Schüler die Idee der Teilnahme an dem
Wettbewerb vorgeschlagen, um den Mechanik- und Werkstoffkundeunterricht anschaulicher
zu gestalten.
Als erstes haben wir das bestehende Materialproblem angesprochen und bearbeitet. Der
Elevator könnte gegenwärtig nicht zum Mond reisen, da kein bisher existierender Werkstoff
für ein 36000m langes Seil vorhanden ist. Sie würden unter ihrem Eigengewicht reißen. Doch,
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wenn die Nanotechnologie weiter voran schreitet, könnte in der Zukunft eine Lösung
auftauchen.
Im Wettbewerb ging es jedoch nur um 60m, in denen ein solches Werkstoffproblem nicht
auftritt. Nachdem wir vorerst das Reglement analysiert hatten, fingen wir damit an, Skizzen
zu entwerfen. Anschließend berechneten und erprobten wir statische und mechanische
„Problemstellen“.
Da die Schüler schon jetzt sehr motiviert waren, wurde eine AG gegründet, welche sich mit
der Erstellung einer technischen Zeichnung am Computer auseinander setzte. Im Anschluss
konnten wir jedes Teil anhand einer Zeichnung in der schuleigenen Werkstatt fertigen.
Das Engagement der Schüler wuchs parallel zu den Fortschritten der Fertigung. Da es bald
auch von Sponsoren zur Verfügung gestellte Materialien gab, konnten wir ohne
Unterbrechungen arbeiten und hatten schon bald einen testfahrtfähigen Aufzug erstellt.
Auf der Baustelle des Schulneubaues des Max-Born-Berufskollegs wurde uns zeitweise ein
60 m hoher Baukran zur Verfügung gestellt. Wir nutzten diese Gelegenheit für diverse
Testfahrten. Durch eine vollständige filmische Begleitung der Testfhrten konnten wir anhand
von Videoanalysen kleinere Mängel erkennen und sie zum nächsten Test beheben.
Nach diversen Fahrversuchen stand für die Klasse fest, dass sie sich vor der Konkurrenz nicht
verstecken müssten. Aufgrund der guten Zusammenarbeit zwischen der Schule und Firmen,
Instituten und Stiftungen konnte genug Geld aufgetrieben werden, dass der Fahrt nach
Amerika nichts mehr im Wege stand.
Der erfolgreiche Wettkampf machte uns besonders stolz, da außer uns ausschließlich
Universitäten und diverse Ingenieurbüros an diesem Wettbewerb teilnahmen.
Physik:
Ergänzend zum Fach Maschinenbautechnik investierten wir die Unterrichtszeit in
Berechnungen, welche die Kräfte im radialen Schwerefeld betrafen. Den Schüler sollte
hierbei klar werden, welche Längenverhältnisse und Kräfte im Weltall herrschen, um in
Bezug zum Technologieunterricht die Materialwahl und -berechnung zu erleichtern. Wir
haben uns auf die Verwirklichung eines solchen Aufzuges konzentriert. Dafür mussten die
Wetterverhältnisse eingeplant werden.
Betriebswirtschaftslehre (BWL):
Auch in dem Fach BWL wurde an Hand des Projektes „Space Elevator“ der Unterricht
gestaltet.
So wurde der Bereich Marketing aus dem Lehrplan vorgezogen, um den Schülern diesen mit
einem Ziel nahe zu bringen. Es wurde mit den Schülern eine komplette Marketingstrategie
entworfen, welche von der Theorie bis zur Durchführung reichte.
Die Schüler wurden in Gruppen aufgeteilt und erarbeiteten Segmente wie Werbeflyer,
Firmenbriefe, PowerPoint-Präsentationen und Strategien um potentielle Sponsoren zu
gewinnen.
Des weiteren ermöglichte das Projekt den Schülern persönlich an Firmen und Unternehmen
heran zu treten, ihre vorbereiteten Präsentationen vorzutragen und das freie Sprechen bzw.
Präsentieren zu üben.
Dieses machte sich später bei den zahlreichen Fernsehauftritten, Interviews mit Presse und
Radio, anderen (ausländischen) Studenten und schließlich auch Professoren bemerkbar.
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Den Schülern wurde es ermöglicht wichtige Fertigkeiten für ihr späteres Berufsleben zu
erlernen und anzuwenden.
Auch der Aufbau von Betrieben, welchen man im Vorjahr thematisiert hatte, konnte bei
diesen Präsentationen angewandt werden, so wussten die Schüler, an wen sie sich zu wenden
hatten und konnten so seriöser an die Firmen und Unternehmen herantreten.
Informatik:
In dem Fachbereich Informatik haben die Schüler sich mit verschiedensten
steuerungstechnischen Problemstellungen des Space-Elevators auseinander gesetzt. Parallel
zu den ersten Konstruktionsversuchen des Aufzugs erlernten die Schüler elementare HTML
Kenntnisse um eine Homepage zu erstellen. Sinn und Zweck dieser Homepage war die
Anwerbung neuer Sponsoren und gleichzeitig auch die Erstellung eines Infoportals für
Interessierte und bereits unterstützende Unternehmen. Nahezu täglich schilderten die Schüler
den aktuellen Zustand des Elevators und die angestrebten Fortschritte, um auf diesem Wege
Sponsoren ein Feedback geben zu können. Verantwortlich für diese Homepage waren
lediglich die Schüler, die diese Aufgabe sehr ernst genommen haben und sie seit Beginn des
gesamten Projektes zu keiner Zeit vernachlässigt haben.
Nachdem der Elevator bereits diverse Starts per Fernbedienung absolviert hatte, stand den
Schülern eine große Hürde bevor: die vom Wettbewerb vorgeschriebene vollautomatische
Steuerung. Die Schüler erlernten die Arbeitsweise einer Steuereinheit und begannen mit der
strukturierten Programmierung dieser Einheit (SPS).
Fazit und didaktische Konsequenzen:
Die Schüler und Lehrer des Max-Born-Berufskollegs hinterließen mit ihrem „Turbo-Crawler“
(so nannten wir in Amerika unseren Weltraumaufzug) einen sehr guten Eindruck in den USA.
„Das deutsche Team war gut organisiert, trat einheitlich und freundlich auf und hatte
augenscheinlich einen Climber konstruiert, der die besonderen Tugenden der deutschen
Ingenieurskunst widerspiegelte“, so formulierte es Dr. Brad Edwards von der Spaceward
Foundation/Elevator 2010. Der Software- Ingenieur Ted Sermon, der den „Official Blog of
the Space Elevator Games“ redigiert, brachte es auf den Punkt: „Coopertition“ (Wettbewerb
und Kooperation in einer interessanten englischen Wortschöpfung).
In einer Zeit, in der die Schulen in den Medien nicht selten nur eine Beschreibung von
Missständen erleben, hebt sich dieses konstruktive, optimistisch stimmende und Begeisterung
für Technik und Naturwissenschaften weckende Beispiel eines Schulprojekts wohltuend ab.
Eine solch differenzierte und erfindungsreiche Aufgabenstellung lässt sich wohl am ehesten
mit den technischen Ausstattungen und Kooperationspartnern eines Berufskollegs angehen.
Das Projekt wird am Max-Born-Berufskolleg auf mehreren anderen Ebenen fortgesetzt und
trägt als fächerübergreifendes, ökonomisches und umweltbezogenes Projekt dauerhaft zur
schulischen Weiterentwicklung des Max-Born-Berufskollegs bei. Das Projekt ist eine
Klammer für verschiedene didaktische Konzepte in unterschiedlichen Bildungsgängen des
Max-Born- Berufskollegs.
Allen Sponsoren und besonders den Projektteilnehmern sei sehr herzlich gedankt und Respekt
gezollt. Schüler und Lehrer des Max-Born-Berufskollegs haben mit ihrer komplexen Arbeit
einen positiven, kompetenten und kooperationsbereiten Eindruck hinterlassen, der nachhaltig
wirkt.
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Wir denken, wir haben mit diesem Projekt Spannung in die Schule gebracht.
Während der Vorbereitung des Wettkampfs haben ca. 100 Schüler (größtenteils in ihrer
Freizeit) an diesem Projekt mitgearbeitet und alle sind stolz auf den erfolgreichen Abschluss.
Dank dieses Projektes und dem starken medialen Interesse (Fernsehberichte: Heute Journal,
Bayrischer Rundfunk, WDR, ZDF etc. Zeitungsberichte: Astronomie Heute, Zeit,
Süddeutsche Zeitung, PM Magazin und die örtlichen Tageszeitungen bis hin zur
Internationalen Presse aus den USA und Russland ) können wir für das nächste Schuljahr eine
Verdreifachung! der Anmeldezahlen für den Bereich der gymnasiale Oberstufe mit dem
Leistungskurs „Maschinenbautechnik“ verzeichnen.
Die Schüler, die bereits an unserer Schule sind, haben massiv eine Fortführung von ähnlichen
Projekten gefordert, damit sie in Form von Arbeitsgemeinschaften ähnliche Erfahrungen
machen können.
Uns ist bewusst, dass sich solch ein Erfolg nicht so ohne weiteres wiederholen lässt, jedoch
haben wir dem Drängen der Schüler nachgegeben und haben beschlossen, an einem anderen
Wettbewerb der NASA teilzunehmen. Dabei geht es um die Entwicklung eines Modell-
Roboters der auf dem Mars eingesetzt werden soll.
Die teilnehmenden Schüler zeigen nach unseren Einschätzungen eine deutlich höhere
Begeisterung für die naturwissenschaftlichen Zusammenhänge als Vergleichsgruppen aus den
Jahren davor. Sie haben erlebt, dass die Naturgesetze berechenbar sind und dass das
konsequente Umsetzen in eine Konstruktion zum Erfolg führen kann.
Eine wichtige Erkenntnis für uns ist, dass man, wenn man mit einer interessanten Aufgabe,
einem guten Konzept aber einer schwierigen Finanzsituation (wie sie in Schulen an der
Tagesordnung ist) auf eine breite Unterstützung durch Stiftungen und andere spendenwillige
Einrichtungen zurückgreifen kann. Die Verantwortung für eine zeitgemäße und
abenteuerreiche Unterrichtsgestaltung wird von einer großen Öffentlichkeit ernster
genommen, als wir es erhofft haben.
Mit dieser Erkenntnis fühlen wir uns auch für die Zukunft ermutigt, Projekte in dieser
Größenordnung durchzuführen und bewerben uns
mit dem Projekt „Weltraumaufzug“ des Max-Born Berufskolleg aus Recklinghausen
für
den Lehrerwettbewerb "Spannung in die Schule" - 2007
mit freundlichen Grüßen
Dr. Schultes-Bannert
Max-Born Berufskolleg
Kemnastr. 11
45657 Recklinghausen
klu@Max-Born-Berufskolleg.de
Tel.: 02361 942600
Anlage:
Bilder von dem Projekt:
CD mit Fernsehberichten
Faltblatt als PDF
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Montage in der Schulwerkstatt 1
Qualifikation bei Nacht 1
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Qualifikation bei Nacht 2
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Wettkampftag 1
Erfolgreicher Abschluss 1
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