tu - Technik im Unterricht Das Fach Technik in der Sekundarstufe (Vorschau)

E 3915
152
Neckar-Verlag 2. Quartal 2014
ZEITSCHRIFT FÜR TECHNIK IM UNTERRICHT
ISSN 0342-6254

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Impressum
Zeitschrift für
TechnikIm Unterricht
– 39. Jahrgang –
tu: „Technik im Unterricht“ erscheint vierteljährlich.
Sammelanschrift für Verlag, Anzeigen und Redaktion: Neckar-
Verlag GmbH, Klosterring 1, 78050 Villingen-Schwenningen,
oder Postfach 1820, 78008 Villingen-Schwenningen,
Telefon (07721) 8987-0,telefax (07721) 8987-50; E-Mail:
service@neckar-verlag.de, Internet: http://www.neckar-verlag.de
Herausgegeben vom Neckar-Verlag GmbH in Zusammenarbeit
mit Burkhard Sachs; begründet in Zusammenarbeit mit August
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skripte: Burkhard Sachs, Lichtenbergstr. 18, 79114 Freiburg im
Breisgau; Tel. (0761) 83759, Fax (0761) 8975283,
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auch für die gewerbliche Vervielfältigung per Kopie, die Aufnahme
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Letzter Annahmetag für Anzeigen und Redaktionsschluss ist
der 10. im ersten Monat des Quartals.
MitarbeiterDIeses Heftes
Werner Digel, E-Mail: Werner.Digel@gmx.de
Harald Hölz, Schorndorf, E-Mail: haraldhoelz@arcor.de
Prof. Dr. Peter Röben,
E-Mail: peter.roeben@uni-oldenburg.de
Prof. Dr. Wilfried Schlagenhauf, Pädagogische
Hochschule Freiburg, Kunzenweg 21, 79117 Freiburg,
E-Mail: schlagenhauf@ph-freiburg.de
Prof. Dr. Winfried Schmayl,
E-Mail: schmayl@ph-karlsruhe.de
tu: Fachdidaktik
tu: Inhalt
Inhalt
Wilfried SchLAGenhauf
Das Fach Technik in der Sekundarstufe –
Überlegungen zum aktuellen Stand,
zu Problemen und Entwicklungsperspektiven . . . . . 5
tu: Energietechnik
Peter Röben
Geschichte der Sonnenenergienutzung –
von Mouchot bis Quarzazate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
tu: Unterrichtspraxis
Werner Digel
Bau eines Warentransport-Roboters
Teil 1: Der Hybridschrittmotor und seine
Ansteuerung – Der Bau des Roboters . . . . . . . . . . . 20
tu: Werkstoffe
Harald Hölz
Verbundwerkstoffe – Teil 2 –
Einteilung nach der Geometrie des Verbunds . . . . . 30
tu: Allgemeine
tu: Technikwissenschaften
HelmutfIes
Technische Grundsachverhalte –
Einführung in die Technikwissenschaft(en) –
1. Tel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Titelseite: Abbildungen aus den Beiträgen von
P. Röben, H. Hölz und W. Diegel
www.neckar-verlag.de
tu 152 / 2. Quartal 2014
3

tu
Der Elektromotor wird Maschinenantrieb
Etwa ab 1890 begann die Industrie
den Elektromotor als Maschinenantrieb
zu verwenden. Er trat damit in
Wettbewerb zur Dampfmaschine und
zum Gasmotor. Im Vergleich zu ihnen
arbeitete er wirtschaftlicher und war
weniger unfallträchtig.
Der Elektroantrieb besaß einen guten
Wirkungsgrad, war schnell betriebsbereit
und brauchte im Stillstand keine
Energie. Sein Lauf verursachte weniger
Geräusche. Elektrisch betriebene
Maschinen waren freier aufzustellen,
so daß die Produktionsabläufe flexibler
organisiert werden konnten. Die gefährlichen
durch den Raum gehenden
Transmissionsriemen entfielen.
Trotz dieser auffälligen Vorzüge
brauchte es Jahrzehnte, bevor der
Elektromotor gängiger Antrieb bei
Arbeitsmaschinen wurde. Bis dahin
gab es je nach örtlichen Verhältnissen
Zwischenlösungen:
Manchmal trat der Elektromotor an
die Stelle der Dampfmaschine und
versorgte über die vorhandene Transmission
alle Maschinen des Betriebes.
In anderen Fällen diente der Elektromotor
als Gruppenantrieb für mehrere
Arbeitsmaschinen. Diese Lösung
vermied eine durch alle Säle gehende
Haupttransmission mit ihren großen
Reibungsverlusten. In Arbeitspausen
standen dann freilich alle Maschinen
der Gruppe still. Die meisten Freiheiten
bot der Einzelantrieb, bei dem jede
Maschine ihren eigenen Motor erhielt.
Das Foto von 1895 zeigt eine Fabrikhalle
mit Mischlösung. Die Hobelma-
schine im Vordergrund besitzt einen
elektrischen Einzelantrieb. Elektromotor,
Transmission und Maschine bilden
eine Einheit. Ansonsten beherrschen
noch die von der Decke kommenden
Transmissionsriemen das Bild.
Bildquelle:
Wolfgang Ruppert:
Die Fabrik. München 1983, S.281
Literatur:
König/Weber: Netzwerke Stahl und
Strom, Propyläen Technikgeschichte
Bd. 4, Frankfurt a. M./Berlin 1990,
S. 350 ff.
Winfried Schmayl
4
tu 152 / 2. Quartal 2014

Allgemeine Probleme
Das Fach Technik
in der Sekundarstufe
Überlegungen zum aktuellen Stand,
zu Problemen und
Entwicklungsperspektiven*
Von Wilfried Schlagenhauf
Situationsbeschreibung:
Seit Jahrzehnten setzen sich Personen
und Körperschaften für Technikunterricht
an allen Schulformen und Schulstufen
ein.
Eine besondere Rolle kommt dem Verein
Deutscher Ingenieure (VDI) zu. Auf
Bundesebene ist es vor allem dieser
Verein, der sich für technische Bildung
engagiert.
Ich erinnere an einige der vielen Vorstöße:
– 1984 Memorandum „Technikunterricht
an alle Schulen“ (mit Gewerkschaftsbund,
Arbeitgeberverband,
Industrie- und Handelskammer,
Handwerkskammertag) 1
– 1994 „Technische Bildung für alle
– Positionen und Informationen
zum Technikunterricht an allgemein
bildenden Schulen“, eine Bestimmung
von Leitidee und zentralen
Merkmalen einer allgemeinen technischen
Bildung
– 1999 Memorandum „Für die Stärkung
der naturwissenschaftlichen
und technischen Bildung“ (zusammen
mit dem Deutschen Philologenverband)
– 2000 Medienpaket „Jugend-Technik-Bildung“.
Informationsmaterial
für Bildungspolitiker, Lehrer, Eltern
und Studenten
– 2001 „Der Jugend eine Zukunft!
Naturwissenschaftliche und technische
Bildung stärken! Neun Thesen“
(zusammen mit dem Deutschen
Philologenverband)
tu 152 / 2. Quartal 2014
– 2004/2007 „Bildungsstandards
Technische Bildung für den Mittleren
Schulabschluss“
– 2006 „Empfehlungen des VDI zum
Bachelor-Master-Studiengang für
Techniklehrer an allgemeinbildenden
Schulen“
– 2012 Positionspapier „Technische
Allgemeinbildung stärkt den Standort
Deutschland“
Diese beispielhafte Auflistung macht
deutlich, wie beharrlich allein dieser
Verein über die Jahrzehnte den Technikunterricht
gefördert hat.
Mit ungleich geringeren Mitteln, aber
ebenfalls großem Engagement haben
die Mitglieder der Deutschen Gesellschaft
für Technische Bildung (DGTB)
seit Gründung dieser Gesellschaft im
Jahre 1996 das Anliegen einer Allgemeinen
Technischen Bildung vorangetrieben.
Meilensteine sind die Jahrestagungen,
Tagungsbände, Gespräche
und Korrespondenz mit vielen Entscheidungsträgern
mit den in der Gesellschaft
für Fachdidaktik (GFD) organisierten
anderen fachdidaktischen
Fachgesellschaften, Stiftungen, Lehrmittelfirmen
und vielem anderem mehr.
Wie erfolgreich waren all diese
Initiativen?
Es ist nicht schwer, einzelne Erfolge
festzustellen: positive Resonanz in
den Medien, große Zustimmung von
Bildungspolitik und Interessensverbänden,
regelmäßig verbunden mit
der nachdrücklichen Bestätigung der
tu: Fachdidaktik
Einsicht in die große Bedeutung der
Technik für alle Lebensbereiche. Immer
wieder zeigen die Bildungsstandards
des VDI Wirkung. So verweist
etwa das baden-württembergische
Kultusministerium in Stellungnahmen
zu Landtagsanfragen im Rahmen der
aktuellen Bildungsplanreform darauf,
dass die VDI-Bildungsstandards herangezogen
wurde, da von Seiten der
Kultusministerkonferenz keine vorliegen.
2
Dann aber sind wieder Alarmmeldungen
zu hören: So gibt es an vielen
Stellen Rückbau technikdidaktischer
Standorte und bei Bildungsplanreformen
regelmäßig die Schwächung
originären Technikunterrichts, z.B.
durch Einfügung in Fächerverbünde.
Über die Jahre war zu beobachten,
dass Technikunterricht wie kaum ein
anderes Fach die Verschiebemasse
bildet, auf der ideologische Profilierungen
vorangetrieben oder die durch
den Bildungsplanumbau entstandenen
Löcher gestopft werden können.
Dieses Phänomen tritt unabhängig von
der politischen Ausrichtung auf:
Beispiel 1: Baden-Württemberg. Unter
der Regie des CDU-geführten Kultusministeriums
wechselten sich Anfang
der 1980er Jahre vielfältige Ideen
zur Umgestaltung des Schulfaches
Technik ab: Die Vorschläge schwankten
zwischen einem musisch-kunsterzieherischen
Unterricht und einer
Fachidee ‚angewandte Naturwissenschaften‘.
Realisiert wurde schließlich
ein Fachansatz Werken (Pflichtfach,
Kl. 5/6), Natur und Technik (Wahlpflichtfach,
Kl. 7–10).
Beispiel 2: Unter der derzeitigen, seit
2011 regierenden grün-roten Landesregierung
Baden-Württembergs ist
die Vereinheitlichung der Schularten
vorrangiges Ziel. Um diesem näherzukommen,
entwickelte die Grünen-
Bildungspolitikerin Sarah Boser die
Vision, den Fächerkanon nach gymnasialem
Vorbild neu zu ordnen. Stö-
* Überarbeitete Fassung des Referats
auf dem Fachtag Technische Bildung
an der Pädagogischen Hochschule
Schwäbisch-Gmünd April 2014
1 Nachweise siehe Literaturliste
2 Landtagsanfrage 15/3912 Baden-
Württemberg v. 5.8.2013
5

tu: Fachdidaktik
Allgemeine Probleme
rende Fächer sollten beseitigt werden:
„Hauswirtschaft und Technik könnten
auch in andere Fächer integriert werden“,
meinte Boser. 3
Es zeigt sich also mit jeder Veränderung
der Bildungsplanstrukturen aufs
Neue, dass der Technikunterricht in
Gefahr gerät, abgeschafft oder deformiert
zu werden. Ganz offenbar gibt es
schwer greifbare, aber stark wirksame
Gegenkräfte.
Nach meiner Überzeugung sind immer
noch Deutungsmuster virulent, die die
Allgemeinbildungsberechtigung des
Technikunterrichts grundsätzlich bestreiten
und dies erstaunlicherweise
bei voller Anerkennung der Bedeutung
der Technik in allen Lebensbereichen.
Gründe und Hintergründe
Den Hintergründen dieser Denk- und
Zuschreibungsmuster möchte ich mit
einem weiten bildungshistorischen
Sprung zurück in die Antike nachgehen.
Wohl wissen wir, dass die Baumeister
und Ingenieure im antiken Griechenland
erstaunliche technische
Leistungen vollbracht haben, vom Tunnelbau
über Hydrotechnik und Schiffsbau
bis zur Militärtechnik. Bekannt ist
aber ebenso, dass Handwerk, Arbeit,
Technik in der Antike zwar als notwendig
und nützlich geschätzt, nicht aber
als bildungswürdig angesehen wurden.
Streng getrennt wird die téchne, die
durch Erfahrung und Übung erworbene
Kunstfertigkeit, von der theoria,
der Erkenntnis und Reflexion.
Eine Person, die gezwungen ist, einer
Erwerbsarbeit nachzugehen, ist ein
‚bánausos‘ (griechisch für Handwerker),
eine Bezeichnung, die bis heute
ihre abwertende Bedeutung behalten
hat! Nur für den auch von Erwerbsarbeit
freien Bürger gibt es die artes liberales,
die dann als die Sieben Freien
Künste in der Spätantike und im Mittelalter
kanonisiert wurden.
Diese uralte, wertende Trennung der
artes liberales als denjenigen Künsten,
die ihren Ursprung und ihr Ziel in der
Seele und im Geist haben, von den
artes mechanicae, deren Ursprung
und Zweck außerhalb, in der Erhaltung
nur des Leibes liegt 4 , hatte drastische
Konsequenzen im weiteren Gang der
Herausbildung der Schulfächer und
wirkt bis heute.
Aus dem Lehrplan der Artistenfakultät
des Mittelalters (welche die artes liberales
lehrte und auf die eigentlichen
Studienfächer Theologie, Recht und
Medizin vorbereitete) entstand später
der Fächerkanon des Gymnasiums. So
erklärt sich übrigens auch der oft gar
nicht hinterfragte Umstand, dass auch
zwei andere höchst lebensbedeutsame
Bereiche, nämlich Medizin und
Recht, aus dem schulischen Fächerkanon
bis heute ausgeschlossen blieben.
Trotz aller Verschiebungen und Veränderungen
hat sich ein zentrales Deutungsmuster
erhalten: die Dichotomisierung
von Geist und Leib, Kultur und
Natur, Freiheit und Notwendigkeit und
die entsprechende wertende Zuordnung
von Gegenstandsbereichen und
Schulfächern.
Die Frage stellt sich hier: Ist es also nur
ein auf den Bedingungen einer antiken
Sklavenhaltergesellschaft beruhender
Entwicklungsfehler unseres Schulsystems,
das so Naheliegende, nämlich
die Aufklärung über die unsere Zivilisation
prägende Technik, auszublenden?
Ist gar der sich auf die Antike beziehende
Neuhumanismus humboldtscher
Prägung für die Nicht-Einbeziehung
technischer Inhalte in den
Bildungskanon verantwortlich?
Hierzu ist zu sagen: Die preußische
Bildungsreform Wilhelm von Humboldts
anfangs des 19. Jahrhunderts,
die in der Folgezeit deutschlandweite
dauerhafte Wirkung entfalten sollte,
richtete sich tatsächlich vor allem darauf,
über die Stärkung der sprachlichen
Bildung die Grundlage sowohl
für Kulturerschließung wie für Persönlichkeitsformung
zu legen. Wie der
Humboldt-Süvernsche Lehrplan von
1816 ausweist, wird vor allem der Unterricht
in den neuen und alten Sprachen
betont, Inhalte der Technik ausgeschlossen.
Ein ‚Fächerverbund‘ Gemeinnützige
Kenntnisse wird abgelehnt.
„Eben so wenig bedarf es des
besondern Titels, ‘Gemeinnützige
Kenntnisse’, unter welchen häufig ein
Aggregat historischer naturwissenschaftlicher,
technischer und anderer
Notizen beigebracht wird. Diese Form
begünstigt den todten Mechanismus,
ist ihrer fragmentarischen Beschaffenheit
wegen dem Geiste des organischen
Denkens und Wissens geradezu
entgegen, und stumpft den Sinn
für jedes besondere Fach, der eigenthümlich
gepflegt sein will, ab.“ 5 Diese
geschliffene Formulierung könnte man
bei der Frage ‚Fach oder Fächerverbund‘
sicher auch heute noch erkenntnisfördernd
einsetzen.
Von Vertretern des Philanthropismus
war dieser Bereich der gemeinnützigen
Kenntnisse als Hauptlehrgegenstand
bestimmt worden, Realkenntnisse als
Werkzeuge der Humanität aufgefasst
worden 6 . Dagegen grenzt sich Humboldt
nicht aus technikbezogener Ignoranz
ab. Vielmehr ist die Reform vor
dem Hintergrund einer gesellschaftlichen
Entwicklung zu sehen, die gekennzeichnet
war von der Tendenz zu
Abrichtung und Unterwerfung unter die
Produktionsverhältnisse. Die Gefahr
einer verfrühten Ausrichtung auf spezifische
berufliche Tätigkeiten und damit
der Vereinnahmung des Individuums
für Partikularinteressen, insgesamt die
Nützlichkeits- und Verwertungsideologie,
musste aus dem Bildungskonzept
ausgeschlossen werden.
Insofern war es sicherlich gerade die
Nähe des technischen Gegenstandsbereiches
zum alltäglichen Lebensund
Arbeitskontext der Bevölkerung,
die einem Unterricht über Technik aus
neuhumanistischer Sicht im Wege
stand.
Aus gutem Grund setzt Humboldt die
Hürde sehr hoch, was die Aufnahme
eines Gegenstandsbereichs in die Allgemeinbildung
angeht. Ein zentrales
Kriterium einer allgemeinen Bildung,
nämlich zu allgemeinen und dadurch
übertragbaren Strukturprinzipien und
Wirkungszusammenhängen hinzufüh-
3 http://bildungsklick.de/a/84195/zweite-fremdsprache-fuer-realschulenverbindlich/
19.6.2012;
4 Sternagel 1966, S. 34
5 Süvern 1816 in Schulreform 1966, S.
60
6 Vgl. Schlagenhauf 1997, S. 219 f.
6 tu 152 / 2. Quartal 2014

Allgemeine Probleme
tu: Fachdidaktik
ren, zu „Einheit und Allheit“, wie Humboldt
sagt, ist dann nicht erfüllt, wenn
es um die bloße Vermittlung einzelner
für spezifische Zwecke brauchbarer
Kenntnisse oder Fertigkeiten geht.
Dies aber stellt ein nach wie vor gültiges
Bildungskriterium dar, an das zu
erinnern ist, wenn wieder einmal Gedanken
der Wirtschaftsförderung, der
Innovationssteigerung, der Standortsicherung
oder der Bekämpfung des
Fachkräftemangels zu vorschnellen
Forderungen an das allgemeinbildende
Schulwesen führen.
Der neuhumanistische Bildungsansatz
wurde dann im 19. Jahrhundert von
einem bildungsbürgerlichen Kulturbegriff
usurpiert, der in Pervertierung des
humboldtschen Ansatzes den Sprachunterricht
zum Abgrenzungsinstrument
gegenüber den niederen Klassen benutzte.
Der so verzerrte Bildungsbegriff
kann zugespitzt wie folgt gekennzeichnet
werden: „Ein ablativus absolutus ist
stets Teil der Menschenbildung – eine
Bauzeichnung nie!“ 7
Schlussfolgerungen
Unser Schulwesen wurzelt in einer
Tradition, die dem technischen Teil der
materiellen Kultur gegenüber ignorant
ist. Der Ehrentitel ‚Kultur‘ wird an Technikprodukte
nur dann verliehen, wenn
sie sehr alt sind.
Nun kann auch der Widerstrebendste
angesichts der auf höchstem Niveau
forschenden und lehrenden Technikwissenschaften
kaum umhin, diesem
Bereich jedenfalls Geist zuzubilligen –
was aber zu fehlen und die Bildungseignung
dieses Bereichs in Frage zu
stellen scheint, ist Freiheit.
tu 152 / 2. Quartal 2014
Das Gemälde, die Skulptur, auch die architektonische
Schöpfung werden als
Ausdruck geistiger Freiheit gewürdigt.
Dass dies nicht in gleicher Weise der
geistigen Leistung bei der Gestaltung
eines Leiterplattenlayouts oder eines
Fahrzeugantriebes gilt, geht wohl auch
darauf zurück, dass die Freiheitsgrade
der zugrundeliegenden Denk- und
Handlungsakte nicht wahrgenommen
werden: das Setzen von Zielen, den
schöpferischen Entwurf, die Suche
nach Handlungsalternativen, die Bewertung
und Entscheidung im Konflikt
der abzuwägenden Ziele und Kriterien.
Diese Aspekte als zentrale Momente
technischen Handelns wahrzunehmen
gelingt weder dem manualistischpraktizistisch
verkürzten Technikunterricht,
dem es in erster Linie um die
Schulung praktischer Fertigkeiten und
um möglichst fehlerlose handwerkliche
Reproduktion geht, noch der Position,
die Technik als angewandte Naturwissenschaft
auffasst.
Damit aber wird der Blick auf Technik
als Kulturbereich und auf Technikunterricht
als Kulturvermittlung verstellt.
Ansatzpunkte und
Perspektiven
Wenn diese Ursachenanalyse einen
oder den wesentlichen Punkt trifft,
dann ist nicht damit geholfen, immer
und immer wieder auf die Bedeutung
der Technik für unser Leben hinzuweisen:
Diese Tatsache wird ja von niemandem
bestritten, und ginge es um dieses Kriterium,
dann hätten der Geschichts-,
Kunst- oder altsprachliche und nicht
der Technikunterricht ein Rechtfertigungsproblem!
Insofern scheinen mir Interventionen
entlang dieser Argumentationsschiene
mit Blick auf eine langfristig dauerhafte
Konsolidierung des allgemeinbildenden
Technikunterrichts kaum erfolgversprechend.
Meines Erachtens sollten Maßnahmen
in zwei Richtungen ansetzen:
Zum einen leidet zwar nicht die Technikdidaktik,
wohl aber der real existierende
Technikunterricht unter Defiziten,
die einer vollen Anerkennung als
Bildungsfach im Wege stehen.
Wenn man sich Praxisbeispiele des
Technikunterrichts anschaut, dann
vermitteln diese häufig den Eindruck
eines Faches, das sich immer noch zu
einem guten Teil mit der Herstellung
einfacher Gebrauchsgegenstände
und Modelle begnügt und damit immer
noch erkennbar in der Tradition eines
Werkunterrichts steht, meist weniger
mit musischer als mit handwerklicher
Ausrichtung. Ich hatte diese Fertigungslastigkeit
bereits im Rahmen der
Jahrestagung der DGTB in Wolfsburg
2012 auf der empirischen Basis der
Untersuchung von unterrichtspraktischen
Beiträgen in ‚tu – Zeitschrift für
Technik im Unterricht‘ kritisiert 8 .
Ein Unterricht, dem es vor allem um
die sach- und fachgerechte Werkzeugund
Maschinenbedienung geht und in
dem der Kulturbereich der Technik
sowohl in der inhaltlichen Breite wie
theoretischen Durchdringung nicht angemessen
abgebildet wird, kann dann
leicht als ‚Blaujackenfach‘ aus dem
Gymnasium herausgehalten werden.
Hier muss (in Lehrerausbildung und
-fortbildung) vor allem auf ein angemessenes
Grundverständnis des Bildungsgegenstandes
Technik hingearbeitet
werden:
Im Zentrum steht der Mensch, der seine
Lebenswelt, ausgehend von seinen
Bedürfnissen, Wünschen und Interessen,
materiell ausgestaltet und dafür
naturale Ressourcen (Stoffe, Energien)
zielgerichtet in Anspruch nimmt.
Theorie und Praxis der Herstellung
stehen in unauflöslichem Zusammenhang
mit der Theorie und Praxis der
Verwendung. Gerade für den technischen
Laien, den Hauptadressaten
einer allgemeinen Bildung, ist die Verwendungsseite
der Technik, die Anschaffung,
Nutzung, Instandhaltung
und Außerbetriebnahme technischer
Produkte vorrangig wichtig.
Technikunterricht muss sich bemühen,
die wesentlichen Charakteristika
technischen Handelns zu zeigen und
erleben zu lassen und dabei deutlich
zu machen, dass die Freiheitsgrade in
dieser Domäne keineswegs geringer
sind, als dies für andere Kulturbereiche
zutrifft.
Das Zentralmerkmal der Kontingenz
oder Freiheit technischen Handelns
kann im Unterricht etwa dadurch erfahrbar
gemacht werden, dass die
Schüler selbst (synthetisierend) eine
konstruktive Lösung für ein gestelltes
Problem erarbeiten und dabei
die Notwendigkeit der zielbezogenen
Entscheidungen und Bewertungen
7 Fiedler 1972, S. 27
8 Vgl. Schlagenhauf 2013
7

tu: Fachdidaktik
Allgemeine Probleme
erleben, oder ebenso dadurch, dass
sie (analysierend) vorliegende technische
Produkte oder Verfahren auf
die zugrunde liegenden konstruktiven
Entscheidungen hin untersuchen. Dies
führt dazu, die technische Faktizität als
etwas Beabsichtigtes und bewusst Geschaffenes
wahrzunehmen.
Dieser Wechsel von konstruktiver und
dekonstruktiver Perspektive scheint
mir gut geeignet und zielführend zu
sein; er hat sich auch bei anderen Fächern
mit praktischer Ausrichtung, zum
Beispiel im Kunstunterricht, aber auch
im Fremdsprachenunterricht, seit langem
bewährt: Dort gibt es neben der
Anbahnung der Fähigkeit zur eigenen
Sprachproduktion selbstverständlich
auch das Gegenstück: das Lesen von
Texten und Lektüren, die analytische
Herausarbeitung der verwendeten
sprachlichen Mittel und die Klärung
von deren Sinn und Funktion.
Zum anderen scheint es mir notwendig,
nicht nur an Qualitätsverbesserung
des Technikunterrichts zu arbeiten,
sondern auch die Außenwahrnehmung
des Faches zu optimieren.
In der Sprache der Werbewirtschaft
gesprochen hat die ‚Marke‘ Technikunterricht
ein schwerwiegendes Marketingproblem.
Die Öffentlichkeit kennt
den Technikunterricht entweder überhaupt
nicht, versteht sein Grundanliegen
nicht oder glaubt, die Konkurrenz,
etwa der Physikunterricht, würde das
schon mit erledigen.
Das ‚Positionierungsziel‘ müsste darin
bestehen, diejenigen Stärken und
Qualitäten gezielt herauszustellen,
durch die wir uns in der Einschätzung
der Zielgruppe klar und positiv von Mitbewerbern
unterscheiden.
Aber: Bevor der Techniklehrer oder -didaktiker
überhaupt die Chance erhält,
mit seiner eigentlichen Zielgruppe, der
ganzen nachwachsenden Generation,
in Kontakt zu kommen, müssen
zunächst die bildungspolitischen Entscheidungsträger
überzeugt werden
,und diese sind wiederum direkt von
der öffentlichen und der veröffentlichten
Meinung abhängig.
Es wird darum gehen müssen, diese
Öffentlichkeit besser zu erreichen, als
das bisher der Fall war.
Dafür ist es von entscheidender Bedeutung,
ob es gelingt, Technikunterricht
im Gymnasialcurriculum zu verankern.
Nach wie vor stellt das Gymnasium
im Verständnis der Öffentlichkeit und
auch im Selbstverständnis seiner Vertreter
die ‚allgemeinbildendste‘ aller
Schularten dar. Fächer, die hier nicht
vorkommen, haben es schwer, überhaupt
wahrgenommen zu werden,
was auch darin begründet ist, dass die
politischen Entscheidungsträger in der
Regel selbst diese Schulart besucht
haben und sie auch bevorzugt für ihre
Kinder wählen.
Diesem Ziel der gesicherten Gymnasialexistenz
des Technikunterrichts sind
wir aber trotz aller Bemühungen bisher
nicht wirklich nähergekommen.
Wie eine – allerdings auch nicht mehr
ganz aktuelle – Zusammenstellung
des VDI klar zeigt, 9 gibt es nur in wenigen
Bundesländern eigenständigen
Technikunterricht am Gymnasium,
überdies durch Beschränkung auf einzelne
Klassenstufen und durch Wahlpflichtfachstatus
weiter geschwächt.
Der Frage danach, welche Handlungsoptionen
sich in dieser Situation anbieten
bzw. gewählt werden sollten, stellte
sich der im Jahre 2008 durchgeführte
VDI-Politikdialog „Technikunterricht in
Deutschland“, an dem Vertreter der
Kultusministerien fast aller Bundesländer
teilnahmen. Es zeichnete sich im
Verlauf ein klares Meinungsbild ab: Als
strategisch wenig erfolgversprechend
wurde es angesehen, am Ziel eines
eigenständigen Schulfaches Technik
in allen Schularten festzuhalten. Empfohlen
wurde stattdessen eine Option,
die lange Zeit aus guten Gründen abgelehnt
worden war: der Verbund mit
naturwissenschaftlichen Fächern und
hier wiederum vor allem mit der Physik.
Fächerverbünde bzw. Verbundfächer,
in denen Ziele und Inhalte unterschiedlicher
Fächer zusammengeführt
werden, sind nicht nur aus organisatorischen
Gründen oder aufgrund der
Kompetenzgrenzen der Lehrkräfte
problematisch; vielmehr besteht die
Gefahr, dass die inhaltlichen wie prozeduralen
Spezifika der einbezogenen
Domänen 10 nicht unbeschädigt erhalten
bleiben.
Bei Verbindungen naturwissenschaftlicher
mit der technischen Domäne
drohen insbesondere funktionalistische
und szientifische Verkürzungen.
Funktionalismus blendet sozioökonomische
und -ökologische, politische
und kulturelle Dimensionen aus; er
sieht nicht die menschlichen Motive,
Bedürfnisse, Interessen, die kulturellen
Deutungs- und Wahrnehmungsmuster,
die den technikbezogenen Bewertungen
und Entscheidungen zugrunde
liegen. Dies aber führt dazu, dass die
technischen Phänomene in ihrem Zustandekommen
und ihren Merkmalen
überhaupt nicht mehr angemessen
verstanden werden.
Der szientifische Zugang sieht vor
allem das, was mit (natur- oder technik-)wissenschaftlichem
Instrument zu
erfassen ist: Der Praxis technischen
Handelns, in welcher vielfältige sensumotorische
und kognitive Leistungen
zusammenwirken, wird er nicht gerecht;
gegenüber der ästhetischen
und symbolisch-expressiven Seite der
Technik zeigt er sich unweigerlich ignorant.
In Baden-Württemberg stehen wir derzeit
an einem Punkt von großer, vielleicht
historischer Bedeutung für die
Zukunft des Technikunterrichts.
Erstmals werden unter der Vorgabe
der Erhöhung der Durchlässigkeit des
mehrgliedrigen Schulsystems gemeinsame
bzw. abgestimmte Bildungspläne
für alle Schularten der Sekundarstufe
entwickelt. Dazu werden bestehende
Fächerverbundskonstrukte aufgelöst,
der Bereich Naturwissenschaft und
Technik teilweise neu geordnet.
Gerade mit der Weiterentwicklung des
seit Schuljahr 2007/08 eingeführten
Faches Naturwissenschaft und Technik
(NwT) am Gymnasium verbinden
sich Hoffnungen und Erwartungen,
dass sich technische Bildung auch im
gymnasialen Bildungsgang dauerhaft
etabliert und weiter entfaltet.
Im Verlauf der bisherigen Entwicklung
dieses Faches wurde bereits das große
Engagement erkennbar, mit dem sich
9 Vgl. Hartmann u.a. 2008 (Beiblatt)
10 Domänen, verstanden als kognitiv
kohärente Einheiten, deren Elemente
durch gemeinsame Regeln, Methoden
und inhaltlichen Sinn verbunden sind.
Vgl. Schlagenhauf 2008; BMBF 2003.
8 tu 152 / 2. Quartal 2014

Allgemeine Probleme
tu: Fachdidaktik
die betreffenden Lehrkräfte, wiewohl
ursprünglich naturwissenschafts- und
nicht technikdidaktisch ausgebildet,
auf den Weg gemacht haben, den Bildungsbereich
Technik zu erschließen.
Dabei scheint – diesen Eindruck
nehme ich aus Gesprächen mit Lehrkräften
mit – die Anziehungskraft des
Faches letztlich weniger aus Konzepten,
Modellen, Bildungsplänen oder
Lehrerfortbildungen zu entspringen.
Vielmehr zeigt sich das Faszinosum
des Faches in der realen Unterrichtserfahrung,
in denjenigen Lernsituationen,
in denen die Schüler beginnen,
sich das technische Problem zu eigen
zu machen, dabei die Freiräume
technischen Handelns entdecken und
sich ihrer technischen Produktivität
und Kreativität bewusst werden. Das
didaktische Prinzip der Problem- und
Handlungsorientierung des Technikunterrichts
wirkt sich hier sicherlich
attraktivitätssteigernd aus.
Dass NwT-Lehrkräfte auf der Suche
nach didaktischen Horizonten sind,
zeigt sich deutlich an einem vom VDI-
Landesverband Baden-Württemberg
herausgegebenen Heft mit dem Titel
„Technik im NwT-Unterricht – Erprobte
Beispiele für das Fach Naturwissenschaft
und Technik“ 11 . Ich ziehe es als
aktuelles Beispiel heran, obwohl es
keineswegs für alle Strömungen innerhalb
des NwT-Bereichs repräsentativ
ist.
Es finden sich darin Unterrichtsvorschläge,
die von technografischer
Kommunikation und Produktionstechnik
über Alltagstechnik und Medizintechnik
bis hin zur Automatisierungstechnik
reichen.
Es gibt eine Reihe von Punkten, die mir
positiv auffallen. Zwei davon möchte
ich herausstellen:
Das Unterrichtsbeispiel „Von der
Zeichnung zum Produkt“ ist offenbar
sorgfältig durchdacht, bringt verschiedene
Darstellungsformen (Handskizze,
Zeichnung, CAD) mit produktionstechnischen
Verfahren in Zusammenhang
(CAM mittels Schmelzschneidemaschine)
und führt die Schüler schließlich
auch noch hin zu einer Konstruktionsaufgabe
(Fluggleiter aus Styropor).
Des Weiteren ist das Bemühen erkennbar,
nicht nur konstruktiv-produktive
tu 152 / 2. Quartal 2014
Unterrichtsmethoden, sondern auch
analytisch ausgerichtete aufzunehmen
und darzustellen (Demontage-Analyse
eines Haartrockners, Analyse Blutzuckerspiegelmessung).
Dieser methodische
Ansatz (wenn auch nicht die
Umsetzung im Einzelnen) scheint mir
sinnvoll und zielführend.
Auf der anderen Seite zeigen sich am
Beispiel dieses Heftes auch ganz spezifische
Schwachpunkte und Auslassungen.
Zum einen erscheint die Auswahl der
Unterrichtsbeispiele willkürlich – es
gibt keine Hinweise, warum gerade
diese Inhalte und Ziele ausgewählt
wurden – ein grundlegender legitimatorischer
Mangel.
Zweitens fällt auf, dass die oben beschriebene
funktionalistisch verengte
Sicht vorherrscht: Das technische
Artefakt wird betrachtet, die soziotechnische
Einbettung bleibt defizitär;
so wird zwar bei der Analyse eines
Haartrockners sinnvollerweise der
Luftdurchsatz oder der Schall(druck)-
pegel gemessen, aber überhaupt nicht
thematisiert, welche Zwecke mit Hilfe
der Gerätefunktionen erfüllt werden
sollen, welche Nutzenerwartung damit
verbunden ist, in welche kulturellen Voraussetzungen
und Folgen diese oder
ähnliche Technik eingebettet ist usw.
Drittens bleiben die Beispiele weitgehend
im Speziellen verhaftet, ein
für allgemeine Bildung Essentielles
wird weitgehend außen vor gelassen,
nämlich Generalisierung, die Hinführung
zum Allgemeinen, zum Horizont
der Technik, zum Ganzen der Technik
(Schmayl), zu den sach- und soziotechnischen
Prinzipien, Gesetzmäßigkeiten,
Grundstrukturen. Es hat den
Anschein, als werde diese zentrale
didaktische Kategorie gar nicht in ihrer
Bedeutung erkannt.
Im Falle der Haartrockner-Untersuchung
wäre etwa – um eine Analysekategorie
beispielhaft aufzuführen – eine
allgemeintechnologische Einordnung
sinnvoll gewesen, mit der funktionale,
strukturale und hierarchische Aspekte
herausgearbeitet werden können, Erkenntnisse,
die potenziell auf andere
technische Systeme übertragbar sind.
Schließlich fällt auf, dass auf den vorhandenen
und seit Jahrzehnten erarbeiteten
Entwicklungsstand der Technikdidaktik
offenbar kaum zugegriffen
wird.
Das Vorwort offenbart die verblüffende
Ansicht, dass „in den vergangenen
Jahren … die Erkenntnis gereift (ist),
dass technische Kenntnisse und Kompetenzen
zur Allgemeinbildung gehören“.
Da überrascht es doch, dass ein knappes
halbes Jahrhundert Entwicklung
der Technikdidaktik in Forschung und
Lehre nicht zur Kenntnis genommen
und eben auch nicht zur Unterstützung
herangezogen wird.
Schlusswort:
Der bildungspolitische Status des
Technikunterrichts ist nach wie vor
ungesichert. Die Perspektive einer
Verbindung mit Naturwissenschaften,
wie insbesondere im Fach Naturwissenschaft
und Technik konzipiert, birgt
Chancen, aber auch Gefahren.
Der genuine Technikunterricht auf der
Sekundarstufe I hat sich didaktisch
gefestigt und ist präsentabel, braucht
aber Impulse zur Weiterentwicklung
hin insbesondere zur besseren Balance
von Herstellung und Verwendung,
von System-Synthese und System-
Analyse. Letztere sollte aus meiner
Sicht erheblich stärker berücksichtigt
werden, als dies bisher der Fall ist.
In den letzten Jahrzehnten wurden
bundesweit vielfältige Erfahrungen mit
unterschiedlichen technikdidaktischen
Ansätzen in den vielfältigen bildungspolitischen
Kontexten der Bundesländer
gesammelt, Wissen, das nun in die
Weiterentwicklung des Technikunterrichts
besonders auch am Gymnasium
eingebracht werden sollte.
Ich plädiere als Vertreter technischer
Bildung dafür, technisch-naturwissenschaftliche
Verbundfächer dann zu
unterstützen und zu deren Weiterentwicklung
beizutragen, wenn zu erkennen
ist, das zentrale Anliegen einer
technischen Allgemeinbildung weitgehend
unverkürzt und undeformiert zur
Geltung gebracht werden können.
11 Frank 2013
9

tu: Fachdidaktik
Allgemeine Probleme
Inge Holtzhauer
Handbuch für Lehrer
Rechtsgrundlagen für
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Dieses Handbuch ist
hilfreich:
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Ob dies im Falle des Faches Naturwissenschaft
und Technik in Baden-
Württemberg der Fall sein wird, scheint
derzeit noch offen.
Literatur
BMBF (Bundesministerium für Bildung
und Forschung)(Hg.) (2003): Zur
Entwicklung nationaler Bildungsstandards.
Eine Expertise. Bonn: BMBF
Referat Öffentlichkeitsarbeit.
Fiedler, Ralph (1972): Die klassische
deutsche Bildungsidee. Ihre soziologischen
Wurzeln und pädagogischen
Folgen. Studien zur Soziologie des
Bildungswesens. Bd. 7, Weinheim, S.
27.
Frank, Roland (Hg.) (2013): Technik im
NwT-Unterricht. Erprobte Beispiele
für das Fach Naturwissenschaft und
Technik. Stuttgart: VDI e.V. Landesverband
Baden-Württemberg.
Hartmann, Elke; Kussmann, Michael;
Scherweit, Steffen (Hg.) (2008):
Technik und Bildung in Deutschland.
Technik in den Lehrplänen allgemeinbildender
Schulen. Eine Dokumentation
und Analyse. Düsseldorf: VDI
Verein Dt. Ingenieure.
Ropohl, Günter (2009): Allgemeine
Technologie. Eine Systemtheorie der
Technik. 3., überarb. Aufl. Karlsruhe:
Univ.-Verl. Karlsruhe; Univ.-Bibl.
Sachs, Burkhard; Verein Deutscher Ingenieure
(1994): Technische Bildung
für alle. Positionen und Informationen
zum Technikunterricht an allgemeinbildenden
Schulen. Düsseldorf: VDI
Verlag.
Schlagenhauf, Wilfried (1997): Historische
Entwicklungslinien des Verhältnisses
von Realschule und technischer
Bildung. Von den Anfängen
bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts.
Frankfurt am Main: Lang
Schlagenhauf, Wilfried (2008): Bildungsstandards
Technik für den Mittleren
Bildungsabschluss. Darlegungen und
Erläuterungen zu den Empfehlungen
des Vereins Deutscher Ingenieure
(VDI). In: tu – Zeitschrift für Technik
im Unterricht 33 (127), S. 5–15.
Schlagenhauf, Wilfried (2013): Methoden
des Technikunterrichts – Situationsanalyse
und Entwicklungsperspektiven.
In: tu – Zeitschrift für
Technik im Unterricht 38 (147), S.
9–16.
Schmayl, Winfried (2010): Didaktik allgemeinbildenden
Technikunterrichts,
Baltmannsweiler
Schulte, Hans (1999): Ein Plädoyer für
die Stärkung der naturwissenschaftlichen
und technischen Bildung in der
allgemein bildenden Schule. Gemeinsames
Memorandum von DPhV und
VDI. In: tu – Zeitschrift für Technik im
Unterricht 24 (92), S. 8–9.
Sternagel, Peter (1966): Die artes mechanicae
im Mittelalter. Begriffs- und
Bedeutungsgeschichte bis zum Ende
des 13. Jahrhunderts. Bd. 2. Kallmünz/
Opf.: Lassleben.
Süvern, Johann Wilhelm: Unterrichts-
Verfassung der Gymnasien und
Stadtschulen. Vom 12. Jan. 1816.
Auszug aus der Anweisung über die
Einrichtung der öffentlichen allgemeinen
Schulen im Preussischen Staate.
In: Lothar Schweim (Bearb.): Schulreform
in Preußen 1809–1819. Entwürfe
und Gutachten. Kleine Pädagogische
Texte. Bd. 30. Hrsg. v. Carl-Ludwig
Furck u.a. Weinheim 1966. S. 59–98.
Verein Deutscher Ingenieure (1984):
Memorandum: Technikunterricht an
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Online zugänglich unter http://www.
vdi-jutec.de/medienarchiv/ablage/original/bildungspolitik_1.pdf
(abgerufen
1.3.2014)
VDI Verein Deutscher Ingenieure (2001):
Der Jugend eine Zukunft! Naturwissenschaftliche
und technische Bildung
stärken! Neun Thesen. (Zusammen
mit dem Deutschen Philologenverband)
Online verfügbar unter http://
www.vdi-jutec.de/medienarchiv/ablage/original/bildungspolitik_6.pdf.
VDI Verein Deutscher Ingenieure (2004/
2007): Bildungsstandards im Fach
Technik für den mittleren Schulabschluss.
Verein Deutscher Ingenieure.
Düsseldorf.
VDI Verein Deutscher Ingenieure (2006):
Empfehlungen des VDI zum Bachelor-
Master-Studiengang für Techniklehrer
an allgemeinbildenden Schulen.
Düsseldorf: VDI Verlag.
VDI Verein Deutscher Ingenieure (2012):
Positionspapier: Technische Allgemeinbildung
stärkt den Standort
Deutschland.
10 tu 152 / 2. Quartal 2014

Energietechnik
tu: Sachinformationen
Geschichte der
Sonnenenergienutzung –
von Mouchot bis Quarzazate
Von Peter Röben
Die erneuerbaren Energien waren in Deutschland in den vergangenen Jahren so
erfolgreich, dass Solarzellen auf den Dächern von Häusern und Scheunen in ganz
Deutschland zum normalen Erscheinungsbild gehören. Anders als Windkraftanlagen,
bei denen es ein klares Nord-Süd-Gefälle gibt, sind Solaranlagen relativ
homogen verbreitet und liefern einen großen Beitrag zum jährlichen Elektrizitätsbedarf
der Gesellschaft, der alle Prognosen der Vergangenheit übertrifft. Ja, es
ist sogar so, dass die installierte Leistung der photovoltaischen Anlagen die aller
anderen Energieträger seit 2013 übertrifft. Ende 2012 waren in Deutschland
1,3 Millionen Solaranlagen mit einer Nennleistung von 32,4 GW installiert (Wirth
2013, S. 5). Das bedeutet, dass an einem sonnenreichen Tag im Sommer der
größte Teil der benötigten elektrischen Energie in Deutschland von Solaranlagen
produziert werden kann.
Eine solche Situation wurde in der Vergangenheit auch von Optimisten nicht für
möglich gehalten. Eher schon stimmten viele Experten solchen Aussagen zu, wie
der von Hans-Peter Villis, dem ehemaligen Vorstandsvorsitzenden der EnBW:
„Für eine effiziente, großtechnische Nutzung der Solarenergie scheint in Deutschland
zu selten die Sonne. Der Solaranteil an der Energieerzeugung wird auch 2020
noch bei gerade mal einem Prozent liegen.“ (Janzing 2011, S. 162)
Dieser Wert wird schon heute im Jahre 2013 um mehr als das Vierfache übertroffen.
Kann man im Fall von Villis unterstellen, dass er in der Nutzung der Solarenergie
eher eine Bedrohung seines Geschäftsmodells sah und seine Aussagen daher
weniger von Sachkenntnis geleitet waren denn vom Wunsch, eine unliebsame
Konkurrenz niederzuhalten, hätte man im Fall der Prognos AG, einem der ältesten
Wirtschaftsforschungs- und Beratungsunternehmen, mehr erwarten können. Eine
Prognos-Studie von 1998 schätzte allerdings die Stromerzeugung aus Solaranlagen
mit einem Wert von 0,44 TWh für 2020 ein. Dieser Wert wurde schon 2008 um das
zehnfache übertroffen (Pieprzyk und Rojas Hilje 2009, S.8). Wie konnte dieser
enorme Wandel der Energieerzeugung in so kurzer Zeit vonstatten gehen, dass
davon auch die meisten Fachleute überrascht wurden?
Grundlage der Einspeisung
von elektrischem Strom in
das Netz
Ein Teil der Antwort liefert die Betrachtung
der gesetzlichen Grundlagen.
Damit man überhaupt Strom von einer
privaten Solaranlage in das Netz einspeisen
kann, braucht es eine gesetzliche
Grundlage. Diese wurde durch
das Stromeinspeisungsgesetz von
1991 erstmals geschaffen. In diesem
Gesetz wurde die Einspeisung und
Vergütung von elektrischem Strom in
das öffentliche Netz verbindlich geregelt
(siehe Wikipedia: Erneuerbare-
Energien-Gesetz). Vor allem kleine
tu 152 / 2. Quartal 2014
Unternehmen konnten sich auf dieser
Grundlage gegen die etablierten
Stromkonzerne behaupten, die ihnen
den Zugang zum Netz verweigerten
oder erschwerten. Die eigentliche
Zielgruppe des Gesetzes waren zwar
die süddeutschen Wasserkraftwerke,
aber die zugesicherte Vergütung für
eingespeisten Strom löste in Norddeutschland
einen Windkraftboom
aus, obwohl für die Windkraft nur 90%
des Durchschnittserlöses der Energieversorger
gezahlt werden musste
(Janzing 2011, S. 95).
Mit dem 1.000-Dächer-Programm der
Bundesregierung von 1990 wurden private
Solaranlagen mit maximal 5 KW
Standardleistung bis zu 70% der Anlagen-
und Investitionskosten gefördert.
Im Jahre 2000 wurde durch die rotgrüne
Regierung das Stromeinspeisungsgesetz
durch das Erneuerbare-
Energien-Gesetz (EEG) abgelöst.
Außerdem wollte man den erreichten
Stand von 50 MW 1 bei der Photovoltaik
auf 300 MW ausdehnen und legte
dazu das 100.000-Dächer-Programm
auf. In diesem Programm wurde
der Aufbau von Photovoltaikanlagen
durch zinsgünstige Kredite der KfW
gefördert. Das Ziel dieses Programms
wurde bereits 2003 erreicht, aber die
weitere Förderung der Photovoltaik
wurde durch eine Novellierung des
EEG sichergestellt, die 2004 erfolgte.
Die Erfolge beim Ausbau der Photovoltaik
machten immer wieder Anpassungen
des EEG notwendig, zuletzt
die sogenannte Photovoltaiknovelle
vom Juni 2012.
Liberalisierung des
Strommarkts
Die gesetzliche Garantie eines fixen
Preises für Strom aus erneuerbaren
Energiequellen ist aber nur eine Neuerung
des Strommarkts. Die andere
als „Liberalisierung des Strommarkts“
bezeichnete Neuerung besteht in der
Einführung eines Strommarktes oder
sog. Strombörsen ab 2000. Heute
wird Strom an der European Energy
Exchange (EEX) in Leipzig gehandelt.
Das Nebeneinander von garantierten
Strompreisen für den Strom aus Solaranlagen
und dem Strommarkt an
der Strombörse in Leipzig verursacht
ein finanzielles Problem, das in seiner
Zuspitzung durch den Umweltminister
Altmeier 2013 eine breite Debatte und
ein vielfältiges Presseecho auslöste.
Vielfach wird berichtet, dass die erneuerbaren
Energien Opfer ihres Erfolgs
werden. Gemeint ist damit eine
Situation, in der die Strommengen, die
auf der Grundlage des EEG zu festen
Preisen aufgekauft werden müssen,
immer stärker ansteigen, der Strom-
1 Die Leistungsangaben bei Solarzellen
beziehen sich immer auf die sog.
Peakleistung, also die elektrische
Leistung, die die Solarzelle bei maximaler
Sonneneinstrahlung abgibt.
11

tu: Sachinformationen
Energietechnik
preis an der Börse in Leipzig aber
stark schwankt. Insbesondere zur
Mittagszeit – früher ein Zeitpunkt erhöhter
Stromnachfrage, die nach den
Gesetzen der Strombörse eigentlich zu
hohen Strompreisen führen sollte – liefern
die Photovoltaikanlagen die größte
Menge an Elektrizität, so viel, dass an
der Strombörse gelegentlich negative
Preise erzielt werden. Es kann dann
zu der paradoxen Situation kommen,
dass dem Abnehmer von Elektrizität
auch noch Geld gezahlt wird, anstatt
einen Preis von ihm zu verlangen. Die
eigentlich komfortable Situation eines
Überflusses an Energie zur Mittagszeit
wird durch den Mechanismus des EEG
zu einer problematischen Situation,
die dazu führt, dass obwohl der Strom
aus der Photovoltaik immer billiger
wird, der Strom für die Konsumenten
immer teurer wird. Angesichts dieser
paradoxen Situation, zeitweiliger Überschuss
an Strom aus erneuerbaren
Energiequellen einerseits, aber Verfall
der Strompreise an der Börse und
Anstieg der Konsumentenpreise für
Strom andererseits, wird ein weiterer
Blick auf die Geschichte spannend.
Auslöser des Problems ist die Verabschiedung
des EEG 2000, denn anders
als im Stromeinspeisungsgesetz
von 1991 wird im EEG keine Deckelung
vorgenommen und damit wurde
die Grundlage für das, was uns heute
als Problem präsentiert wird, gelegt.
Damals war es der Traum von Grünen
und Sozialdemokraten, dass es
gelingen möge, nach den Unfällen in
Harrisburg und Tschernobyl aus der
Kernenergie auszusteigen und auch
aus den konventionellen Formen der
Energieproduktion. Vielen war klar,
dass Kohle und Öl begrenzte Rohstoffe
sind, deren Verbrennung nicht
unbedingt die sinnvollste Weise ihrer
Verwendung darstellt. Auch ohne die
Erkenntnis, dass die Verbrennung
CO2 freisetzt und damit Ursache der
Erderwärmung ist, fanden sich seit
der Ölkrise 1973 viele gute Gründe,
aus der Verbrennung von Kohle und
Öl auszusteigen. Das Waldsterben in
den achtziger Jahren war eines der damals
bedeutendsten Umweltthemen,
und die 1980 gegründeten und 1983
in den Bundestag eingezogenen Grünen
überreichten dem neu gewählten
Kanzler Kohl einen Tannenzweig statt
Glückwünschen, um das Waldsterben
symbolisch im Bundestag zu thematisieren.
Die Träumer von damals hätten
sich allerdings nie träumen lassen,
dass dreißig Jahre später ausgerechnet
ein zeitweiliger Überschuss an
regenerativer Energie zu aufgeregten
Diskussionen führen würde.
Die technische Entwicklung im Bereich
der Photovoltaik wurde durch die Einspeisevergütung
so vorangetrieben,
dass die freigesetzten Potenziale sogar
von den Fachleuten nicht erkannt
wurden. Grundsätzlich war man sich
über den Energiegehalt der Sonnenstrahlung
schon im neunzehnten Jahrhundert
im Klaren. In unseren Breiten
erhält man Spitzenwerte der solaren
Leistung von ca. 1 kW pro Quadratmeter.
Über das Jahr aufsummiert liefert
die Sonne beispielsweise in Mannheim
eine Energie von 1200 kWh pro Quadratmeter.
Mit einem Quadratmeter
Solarzelle (aktueller Wirkungsgrad
hochwertiger Solarzellen: 22%) lassen
sich daraus rechnerisch 264 kWh
Strom erzielen. Der Strombedarf eines
Privathaushalts mit einer Person (im
Mittel 2050 kWh 2 ) könnte sich demnach
mit weniger als 10 qm Solarfläche
realisieren lassen.
2 http://www.bdew.de/internet.nsf/id/
DE_20100927_Energieverbrauch_
im_Haushalt/$file/Energie-Info%
20Energieverbrauch%20in%20
Haushalten%202009.pdf
3 http://www.solarserver.de/servicetools/photovoltaik-preisindex.html
4 http://www.solarserver.de/solarmagazin/nachrichten/aktuelles/
2013/kw36/duennschichtphotovoltaik-zsw-entwickeltflexible-solarzelle-auf-emaillierstahlmit-186-prozent-wirkungsgrad.html
Die Fachleute haben sich auch nicht
wirklich über dieses Potenzial der Sonnenenergie
getäuscht, sondern über
die Geschwindigkeit der technischen
Realisierung einer ökonomischen
sinnvollen Nutzung dieses Energieangebots
durch die Photovoltaik. Für den
unerwartet heftigen Anstieg des Ausbaus
der Photovoltaik ist neben der
Förderung der erstaunliche Verfall der
Preise für photovoltaische Solarmodule
als Ursache zu nennen. Allein zwischen
Mai 2009 und Mai 2013 ist der
Preis in € pro Watt peak von 2,61 (Europa)
bzw. 2,17 (China) auf 0,78 (Europa),
bzw. 0,54 (China) 3 gefallen. Das
ist ein Rückgang von zwei Drittel bei
den europäischen und ca. drei Viertel
bei den chinesischen Produkten. Da
ein Ende noch nicht abzusehen ist und
neue Techniken wie z. B. die flexiblen
Dünnschicht-Solarmodule permanent
weiterentwickelt werden – z. B. gibt es
neuerdings flexible Solarmodule auf
Emaillestahl mit Wirkungsgraden von
18,6% 4 –, wird es immer mehr Anwendungspotenziale
für eine kostengünstige
Stromproduktion aus Sonnenlicht
geben.
Ein weiterer Grund für den massenhaften
Ausbau von Photovoltaikanlagen
liegt in der Finanzkrise und dem
Mangel an sicheren Geldanlagemöglichkeiten
mit einer akzeptablen Verzinsung.
Gerade die aktuell zu verzeichnenden
Insolvenzen von Firmen
wie „Solarmillenium“ und „Prokon“ zeigen,
dass der Markt für regenerative
Energie nicht nur durch Umweltschutzgesichtspunkte
angetrieben wurde.
Die Anfänge der
photovoltaischen
Stromeinspeisung
Auch dies konnte sich am Beginn
sicherlich keiner der damaligen Solarpioniere
vorstellen. Als 1979 das
erste Mal eine Photovoltaikanlage im
Schweizer Kanton Aargau ausgerechnet
durch das Eidgenössische Institut
für Reaktorforschung Strom in das
Schweizer Netz einspeiste, waren die
Module „noch teurer, als wenn sie aus
purem Gold gefertigt wären“, wie der
Initiator Markus Real berechnet hat
(Janzing 2011, S. 54). Die Technik für
die Herstellung von Solarmodulen hat
sich in den siebziger Jahren zunächst
nur langsam entwickelt. Vor allem
der große Teil von zeitaufwendiger
Handarbeit im Montageprozess der
Solarmodule führte zu hohen Preisen.
Aber Investitionen in eine industrielle
Produktion ließen bei den damaligen
Marktaussichten auf sich warten.
Es war die Zeit der Idealisten, die
vom Solarstrom träumen, aber weit
davon entfernt waren, ihn zu konkurrenzfähigen
Preisen zu produzieren.
12 tu 152 / 2. Quartal 2014

Energietechnik
tu: Sachinformationen
In Deutschland wurden Solarzellen
schon in den sechziger Jahren z. B.
von Telefunken in Heilbronn produziert.
Sie waren für die Energieversorgung
der Satelliten des deutschen
Raumfahrtprogramms gedacht, das
1969 mit dem Start des Satelliten
Azur begann.
Auch Siemens und AEG begannen mit
der Fertigung von Solarzellen. Die hohen
Preise spielten in der Weltraumfahrt
keine entscheidende Rolle, weil
die Kosten für Solarzellen immer noch
niedriger waren als die der alternativen
Energielieferanten, z. B. Radioisotopgeneratoren.
Eine ernsthafte Suche nach Alternativen
zu Kohle und Öl setzte in
Deutschland erst nach der Ölkrise
1973 ein. AEG, BBC, Dornier, Phillips
und RWE gründeten 1975 in Essen
die Arbeitsgemeinschaft Solarenergie,
die ab 1978 als Bundesverband Solarenergie
firmierte (Janzing 2011, S. 23).
Auch in den Reihen der Wissenschaft
entstanden Institute, die sich der Erforschung
der Solarenergie widmeten,
so z. B. die Deutsche Gesellschaft
für Sonnenenergie, die von Wissenschaftlern
des Max-Planck-Instituts
für Plasmaphysik in München 1975
gegründet wurde. Diese Gesellschaft
bezweckte neben der Forschung vor
allem auch Lobbyarbeit. 1981 wurde
das Fraunhofer-Institut für Solare
Ener giesysteme (ISE) gegründet. Sah
man in dieser Zeit auch in den Reihen
der Fraunhofer-Wissenschaftler die
Befassung mit Photovoltaik noch als
verqueres Hobby an, so wuchs das
ISE doch zum inzwischen zweitgrößten
Institut in der Fraunhofer-Gesellschaft
mit mehr als 1000 Mitarbeitern
heran (Janzing 2011, S. 35).
tu 152 / 2. Quartal 2014
Einer der wichtigen Schritte auf dem
Weg zur Industrialisierung der Modulproduktion
ist das Projekt „Cyrus“ von
1995, mit dem Greenpeace 4400 Kaufinteressierte
für eine Solaranlage mit
einem Preis von damals 13.500 Mark
pro Kilowatt (6,75 E pro Watt peak) gewann
und die Adressen an zwei sich
neu konstituierende Solarfertigungsbetriebe
vermittelte: „Solon“ in Berlin
und die „Solar-Fabrik“ in Freiburg (Janzing
2011, S. 127). In einer Zeit, in der
die Großen der Branche Deutschland
als Fertigungsstandort als zu teuer ansahen,
etablierte sich ein Mittelstand
der Solarindustrie. Salvamoser, dem
Gründer der Solar-Fabrik in Freiburg,
gelang es, seine Firma 2002 als Aktiengesellschaft
erfolgreich an den
Markt zu bringen. Ein weiterer wichtiger
Erfolg ist die Gründung der S.A.G
Solarstrom AG durch Salvamoser und
Ritter 1998. Dieses Unternehmen fing
an, Solarkraftwerke im großen Stil zu
finanzieren, zu bauen und zu vermarkten.
Ein Beispiel für die neue Größenordnung
von Photovoltaikanlagen ist
das von S.A.G. betriebene Solarfeld
Erlasee, welches bis 2007/08 die größte
Photovoltaikanlage der Welt war. Mit
einer Nennleistung von 11,4 MW speiste
diese Anlage nun in das 20-kV-Netz
ein, und man kann zu Recht von einem
Solarkraftwerk reden. Heute werden
Anlagen mit 266 MW (Mount Signal
Project in Kalifornien) projektiert und
sind in Bau, während die Antelope Valley
Solar Ranch One (Kalifornien) mit
100 MW in Betrieb genommener Leistung
das derzeit (2013) größte Photovoltaikkraftwerk
der Welt ist. 5
Vor allem das Aufkommen von starken
Konkurrenten aus Asien, insbesondere
China, hat die Situation auf dem
Solarmodulmarkt extrem verschärft.
So extrem, dass viele Hersteller aus
Deutschland Insolvenz angemeldet
haben und viele Hoffnungen auf einen
Aufschwung der heimischen
Solarbranche vor allem in den neuen
Bundesländern begraben werden
mussten.
Die Technik der
Photovoltaikanlagen
Die Technik zur Herstellung von Photovoltaikanlagen
war schon in den
siebziger Jahren nicht wirklich neu.
Sie basiert auf Verfahren, die in der
Halbleiterindustrie bereits länger etabliert
waren. Doch der technische Fortschritt
in der Halbleitertechnik führte
zu einem rapiden Verfall der Preise
und einem scharfen Wettbewerb, der
immer wieder dazu führte, dass Unternehmen
aus der Konkurrenz ausschieden.
Unter den umsatzstärksten
5 http://solarmedia.blogspot.de/p/
grosste-pv-anlagen-der-welt.html
Halbleiterherstellern der Welt, die von
Intel, Samsung und Texasinstruments
angeführt werden, findet sich nur noch
ein deutsches Unternehmen (Infineon)
auf Platz 12. Die Liste der Solarzellen-Hersteller
wurde 2011 von der
chinesischen Firma Suntech Power
angeführt, die allerdings im März 2013
Insolvenz angemeldet hat. Das ehemals
deutsche Unternehmen Q-Cells
belegte 2011 noch Platz 13, meldete
aber 2012 Insolvenz an und wurde an
die südkoreanische Firma Hanwha
verkauft. Die Bonner Firma Solarworld
kam 2011 noch auf Platz 20, ist
inzwischen aber auch in erheblichen
Schwierigkeiten und schlingert nach
einem Schuldenschnitt in eine ungewisse
Zukunft.
Die Herstellung von Solarzellen ist
zwar eng verwandt mit der Herstellung
von integrierten Schaltkreisen, aber
weniger komplex. Für die Erzeugung
des elektrischen Stroms ist nur die
Herstellung einer Sperrschicht vonnöten
(bei den neueren Entwicklungen
auch zwei oder drei), aber keiner komplexen
Struktur wie in einem Mikroprozessor.
Die Anforderungen an die
Qualität des Rohstoffs Silizium liegen
unter denen in der Halbleiterindustrie.
Auf dem Markt für Silizium ist es in den
letzten Jahren zu einem drastischen
Preisverfall gekommen, was Firmen
wie z. B. der Wacker-Chemie in Bayern
schwer zu schaffen macht.
Die besonderen Herausforderungen in
der Solarindustrie liegen in der Produktion
vergleichsweise großer Flächen
des Halbleitermaterials und der Fertigung
zu Solarmodulen und deren Montage
zu Solaranlagen. Der industrielle
Fertigungsprozess wird heute unter
Einsatz von Robotern durchgeführt.
Sowohl beim Fertigungsprozess als
auch beim Wirkungsgrad sind große
Fortschritte erreicht worden. Die ersten
Solarzellen in der Weltraumfahrt begnügten
sich mit einem Wirkungsgrad
im einstelligen Prozentbereich. Heute
erreicht man mit kristallinen Siliziumsolarzellen
ca. 25% Wirkungsgrad,
mit polykristallinen Solarzellen sind
es ca. 20%. Im Labor erreichte man
im September 2013 mit neuen Materialien,
die es erlauben, das Sonnenlicht
mit drei Sperrschichten statt nur
einer einzufangen, und einer optischen
Konzentration der Sonnenstrahlen auf
13

tu: Sachinformationen
die Solarzelle um den Faktor
297 einen Wirkungsgrad von
44,7%. 6 In den nächsten Jahren
ist damit zu rechnen, dass
die Solarzellen billiger und
effektiver werden, außerdem
werden sie immer mehr Anwendungsfelder
erobern.
Die erste Solarzelle
der Welt
Von den heutigen Wirkungsgraden
konnten Daryl Chapin,
Calvin Fuller und Gerald Pearson
von den Bell-Laboratorien
1953 nur träumen, als sie die
erste Solarzelle der Öffentlichkeit vorstellten.
Wenige Jahre nach der Entwicklung
des ersten Transistors (1945)
erkannten sie, dass die Halbleitertechnik
nicht nur in der Elektronik – also
bei der Steuerung und Kontrolle von
eher schwachen Strömen – eine Umwälzung
der technischen Produkte
verursachen wird, sondern auch in der
Stromerzeugung ein Potenzial hat. Allerdings
waren die Leistungen, die in
den ersten Jahren von Solarmodulen
produziert wurden, so bescheiden,
dass man nicht ernsthaft daran denken
konnte, hierin eine Konkurrenz
zu Kohle, Öl und Uran zu sehen. Man
konnte zwar schon flächige Solarmodule
herstellen, aber ihre Preise waren
extrem hoch. Die Weltraumfahrt war
der Einsatzbereich, in dem sich Solarzellen
schnell durchsetzen konnten
und wo ihre hohen Kosten akzeptiert
wurden, weil es keine ernsthaften Alternativen
gab. 1958 wurde der erste
Satellit (Vanguard 1, Abb. 1) ins All geschossen,
der eine Stromversorgung
mit Solarzellen an Bord hatte. Die Photovoltaik
ersetzte die Stromproduktion
von Zellen, die auf der Basis des radioaktiven
Zerfalls arbeiteten. Der Strom
aus Solarzellen stand zuverlässiger
zur Verfügung und bald auch preisgünstiger
(Perlin 2002, S. 32).
Vorläufer der ersten Silizium-Solarzelle
reichen bis in das Jahr 1883 zurück,
als der New Yorker Charles Fritts ein
6 http://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/
presseinformationen-2013/weltrekordsolarzelle-mit-44-7-prozent-wirkungsgrad
Abb. 1: Vanguard 1, Stromversorung durch Solarzellen.
Energietechnik
erstes Solarmodul aus Selen präsentierte.
Werner Siemens war einer der
Experten, die nach einer Prüfung die
Echtheit der technischen Funktion bestätigten
und ein ungeheures Poten zial
für diese Technik voraussahen (Perlin
2002, S. 18). Fritts nutzte einen Effekt,
der 1875 schon von William Grylls
Adams entdeckt worden war. Die prinzipielle
Machbarkeit der Umwandlung
von Sonnenlicht in Elektrizität war also
schon im 19. Jahrhundert belegt, aber
der Wirkungsgrad der Selenzelle war
sehr bescheiden. Für die Weiterentwicklung
der Technik erwies sich der
Mangel an Verständnis für die zugrundeliegenden
physikalischen Prozesse
als absolute Barriere. Man verstand
nicht, was in dem Material vor sich ging,
wenn das Sonnenlicht in elektrischen
Strom umgewandelt wurde. Die Zufallsentdeckung
konnte daher nicht in
eine systematische Weiterentwicklung
überführt werden: Man wusste schlicht
nicht, was man an den Materialien verändern
sollte, um den Wirkungsgrad
zu steigern. Erst die mit den Untersuchungen
von Ferdinand Braun (1850–
1918) zum Gleichrichtereffekt an Halbleitern
eingeleitete Forschung an den
elektrischen Eigenschaften von Halbleitern
und die quantenmechanische
Ausarbeitung der Elektronentheorie
der Metalle und der Halbleiter, z. B.
durch Felix Bloch (1905–1983), Rudolf
Peierls (1907–1995) und Walter Schottky
(1886–1976), schaffte die dafür notwendigen
theoretischen Grundlagen.
Das Interesse der Öffentlichkeit für Arbeiten,
die versprachen aus Sonnenlicht
elektrischen Strom zu gewinnen,
war sehr groß. Im 19. Jahrhundert hatte
z. B. Jules Verne mit seinen
Romanen diese Idee in die
Köpfe seiner Leserschaft gepflanzt.
Sollte sich durch real
existierende Technik tatsächlich
realisieren lassen, was
der Science-Fiction-Autor in
seinen Romanen beschrieben
hatte, so war das für die Presse
mehr als nur eine Meldung
wert. Für einen ersten kleinen
Pressehype sorgte z. B. Bruno
Lange vom Kaiser Wilhelm Institut
für Silikatforschung, als
er am 31.12.1929 eine Photozelle
vorstellte, die einen kleinen
Elektromotor antreiben
konnte, wenn Sonnenlicht auf
sie fiel (Mener 2001, S. 96f.).
Die Entwicklung der Halbleiterforschung
erreichte 1947 einen Höhepunkt
durch die Realisation des Transistors
durch John Bardeen (1908–1991),
Walter Brattain (1902–1987) und William
Shockley (1910–1989), den man
als Beginn der Mikroelektronik sehen
kann. Nun verstand man die Vorgänge
im Halbleiter nicht nur theoretisch,
sondern war auch praktisch in der
Lage, Halbleiter gezielt zu verändern,
z. B. durch das Dotieren, um die Eigenschaften
gezielt zu verändern.
Die auf diesen Grundlagen möglich
gewordene Solarzelle fand neben dem
Einsatz im Weltraum nach und nach
auch auf der Erde vielfältige Einsatzmöglichkeiten
(vgl. Perlin 2002), aber
zunächst in Nischen: Beispielsweise
wurden viele Solarzellen auf Bohrinseln,
Bojen und anderen Einrichtungen
verwendet, die weit weg von
den Stromversorgungsnetzen waren
und Geräte beherbergten, die kontinuierlich
mit Energie versorgt werden
mussten, auch ohne Personal vor Ort,
welches z. B. Generatoren in Betrieb
halten konnte. Die Unkompliziertheit
der Solarzellen und ihre hohe Zuverlässigkeit
erwiesen hier schon früh
nützliche Dienste.
In abgelegenen Gebieten Amerikas
und Australiens wurden Photovoltaikzellen
eingesetzt, um sog. Repeater
im Telefonnetz zu betreiben. Das sind
technische Einrichtungen, die das Telefonsignal
auf langen Strecken verstärken
müssen, damit es nicht zu sehr
verrauscht und untauglich wird.
14 tu 152 / 2. Quartal 2014

Energietechnik
tu: Sachinformationen
Der Beginn der Stromproduktion
aus Sonnenlicht
tu 152 / 2. Quartal 2014
Ein erster Einsatz der Photovoltaik für
die Zwecke der Einspeisung von elektrischem
Strom in das Netz erfolgte
allerdings noch lange nicht. Dennoch
wurde in Kalifornien auf der Grundlage
des ersten Energieeinspeisungsgesetzes
der Welt schon Anfang der
achtziger Jahre elektrischer Strom aus
Sonnenlicht in das Elektrizitätsnetz
eingespeist. Erzeugt wurde dieser aber
nicht durch Photovoltaik, sondern mit
einer Technik, die sehr viel älter ist und
die auch heute noch weltweit ca. die
Hälfte des Stromertrags aus Sonnenenergie
produziert. Die Rede ist von der
photothermischen Stromproduktion.
Der zugrundeliegende physikalische
Effekt, die Erwärmung von Substanzen,
die von der Sonne bestrahlt werden,
wird von der Menschheit seit den
Anfängen der Sesshaftigkeit technisch
genutzt. Schon die ersten Bautechniker
wussten durch die Ausrichtung der
Gebäude den Effekt der Erwärmung zu
nutzen (vgl. Butti und Perlin 1981). Allerdings
war dies eine rein thermische
Art der Nutzung der Sonnenenergie.
Die Nutzung für Zwecke der Energietechnik
kam erst im 19. Jahrhundert
auf. Es musste sich ja überhaupt erst
einmal eine Energietechnik moderner
Art etabliert haben: die Dampftechnik,
die Grundlage für Dampfmaschine
und -turbine. Technisch gesehen sind
Dampfmaschinen Wärmekraftmaschinen,
also Maschinen, die Wärme in
mechanische Energie umwandeln. Mit
der Dampfmaschine gelang es dem
Menschen, sich von der Muskelkraft,
seiner eigenen oder der von Tieren,
endgültig zu emanzipieren. Vor der
Dampfmaschine gab es schon Maschinen,
die die Wasserkraft und den
Wind nutzten, aber die Dampfmaschine
stellte eine viel höhere Energiedichte
ortsunabhängig und unabhängig
von den zufälligen Schwankungen
der Naturkräfte zur Verfügung. Damals
war die Nutzung der Muskelkraft
so selbstverständlich, dass James
Watt die Leistung eines Pferds zum
Standard erhob, an dem die Leistung
der neuen Maschine und vor allem
ihre Überlegenheit gemessen wurden.
Die Pferdestärke hat sich im
Kfz-Bereich bis heute gehalten, und
vermutlich macht sich kaum noch einer
von denen, die diese Einheit bis in
die heutigen Tage verwenden, Gedanken
darüber, was es bedeutet, wenn
man z. B. 100 PS unter der Haube
hat. Heute misst man die Leistung
generell nicht mehr in PS, sondern in
Watt. Diese Einheit, die vormals nur
für die elektrische Leistung verwendet
wurde, wird heute allgemein verwendet
und macht bewusst, dass der z. B.
Wärmebedarf eines Hauses ein Energiebedarf
ist, den man daher in derselben
Einheit misst wie den Bedarf
nach Elektrizität, den der Elektromotor
eines Autos benötigt.
Sonnenkraftwerke
mit konventioneller Stromerzeugungstechnik
Schon 1982 wurde ein solares Turmkraftwerk
in den USA fertiggestellt,
das 1984 Elektrizität ins Netz einspeiste.
Zu einem ersten Meilenstein
der solaren Stromerzeugung wurden
allerdings die neun Parabolrinnenkraftwerke,
7 die in Kalifornien auf der
Grundlage des Energieeinspeisungsgesetzes
zwischen 1984 und 1991
in Betrieb genommen wurden. Denn
sie belegten, dass man die Energie
der Sonne tatsächlich für den Zweck
der Produktion von Elektrizität nutzen
konnte. Ihr Betrieb lieferte nicht nur
den Nachweis, dass dies überhaupt
möglich war, denn dieser war lange
vorher erbracht worden, sondern
die se neuen Anlagen mit Leistungen
von 13,8 MW bis 80 MW pro Einheit
zeigten schon die Zuverlässigkeit
einer Stromproduktion aus Sonnenenergie
über viele Jahre hinweg.
Grob vereinfacht dargestellt wird
in diesen Kraftwerken mit Hilfe der
Sonnenenergie Wasser in Dampf
umgewandelt. Der Dampf treibt eine
Turbine an und dabei verwandelt
sich Wärmeenergie in mechanische
Energie. Der allergrößte Teil der weltweiten
Stromproduktion basiert auf
dieser Dampftechnik. Der Umwandlungsschritt
von Wärme in mechanische
Energie in Form der Rotation
einer Welle, auf der dann auch
7 Siehe den entsprechenden Abschnitt
unter dem Stichwort „Sonnenwärmekraftwerk“
in Wikipedia: http://
de.wikipedia.org/wiki/Sonnenwämekraftwerk.
der Generator für die Erzeugung der
Elektrizität angebracht ist, weist allerdings
ganz grundsätzliche Grenzen
der Effizienz auf, weil die Gesetze
der Thermodynamik greifen und der
maximale Wirkungsgrad durch den
sogenannten Carnot-Wirkungsgrad
festgelegt wird. Zwar ist mehr als genug
Sonnenenergie vorhanden, um
auch bei einem schlechten Wirkungsgrad
den Strombedarf der Menschheit
zu befriedigen. Aber der physikalische
Wirkungsgrad der Anlage beeinflusst
direkt den ökonomischen Wirkungsgrad:
Je schlechter er ist, desto
teurer wird die Anlage. Auch wenn
der Brennstoff, die Sonnenenergie,
kostenlos zur Verfügung steht, muss
die Anlage, die diesen Brennstoff in
Strom verwandelt, bezahlt werden.
Je schlechter der Wirkungsgrad, desto
höher sind die Kosten, die für die
Anlage vorgeschossen werden müssen,
und desto länger dauert es, bis
der Amortisationspunkt erreicht wird.
Aus diesem Grund ist der Nachweis
der Langlebigkeit der Komponenten
und der Zuverlässigkeit des jährlichen
Stromertrags aus einer solchen Anlage
von eminenter Wichtigkeit. Die Anlage
in Kalifornien hat ihn spätestens
Ende der neunziger Jahre erreicht.
Doch was passierte? Es passierte
nichts. Keine weiteren Anlagen wurden
gebaut. Erst 17 Jahre nach der
Inbetriebnahme der letzten Anlage in
Kalifornien wurde 2007 eine weitere
Anlage mit dieser Technik errichtet.
Diese Anlage steht in Nevada und
trägt den etwas großspurigen Namen
„Nevada Solar One“. Großspurig
ist dies nicht nur, weil ja schon die
SEGS Anfang der achtziger Jahren
errichtet wurde, oder weil es Pilotanlagen
schon in den siebziger Jahren
gegeben hat, sondern weil man einer
Technik den Namen „Solar One“ gibt,
97 Jahre nachdem diese Technik das
erste Mal in einer Pilotanlage erprobt
wurde (1912) und 119 Jahre nachdem
das erste Mal eine Wärmekraftmaschine
mit der konzentrierten Energie
der Sonne auf der Pariser Weltausstellung
1878 demonstriert wurde.
Es ist Augustin Mouchot (Abb. 2), der
für seine Maschine den Titel „Solar
One“ zu Recht reklamieren könnte
(Mouchot et al. 1987, ursprünglich
1879).
15

tu: Sachinformationen
Energietechnik
Mouchot war der erste Solarpionier
und hat in einer
Zeit, in der die Kohlevorkommen
von verschiedenen
Autoren für
unendlich gehalten
wurden, aufgrund
der damals neuen
Erkenntnis des
Energieerhaltungssatzes
den Schluss
gezogen, dass die
Energieproduktion aus
Kohle niemals unendlich
lange andauern kann. Ihm
schien die Nutzung der Sonnenenergie
viel naheliegender
zu sein und er machte ab 1860 erste
Experimente. Zwei Beobachtungen
führten ihn dazu, dass man die Energie
der Sonne für Dampfmaschinen nutzen
kann. Die physikalischen Grundlagen
der Thermodynamik machen es
erforderlich, dass zwei Temperaturen
betrachtet werden müssen: eine hohe
Temperatur, die das Medium (z. B.
Dampf), dem die Energie entzogen
werden soll, am Anfang dieses Prozesses
besitzt, und eine niedrige Temperatur,
die das Medium am Ende des
Energiewandlungsprozesses erreicht.
Je größer die Differenz zwischen diesen
beiden Temperaturen, desto größer
der Wirkungsgrad. Damit die Energie
der Sonne optimal genutzt werden
kann, muss man also erst einmal hohe
Temperaturen des technischen Mediums
erreichen. Dazu wurden zwei
physikalische Prozesse angewendet.
Das Entzünden brennfähigen Materials
Abb. 2: Augustine Mouchot,
1825–1912.
durch das Fokussieren
von Sonnenstrahlen
faszinierte bereits
Archimedes, wenn
auch die kriegstechnische
Anwendung,
Holzschiffe in Brand
zu setzen, eine Legende
ist (Schneider
1969). Wie auch immer,
die Leistung der
Technik muss also darin
bestehen, eine zweckmäßige
Apparatur zur Konzentration
der Sonnenstrahlen zu konstruieren
und zu realisieren. In einem Parabolrinnenkraftwerk
wird dies mit parabelförmigen
Spiegeln erreicht.
Der zweite Effekt betrifft die Begrenzung
der Verluste. Hat man nämlich
erst einmal ein Medium auf hohe
Temperaturen gebracht, treten unausweichlich
weitere physikalische
Prozesse ein: Wärmestrahlung und
Wärmeleitung. Damit diese Prozesse
die Temperaturerhöhung durch die
Konzentration der Sonnenstrahlen
nicht zum Teil wieder zunichtemachen,
braucht man technische Vorrichtungen,
die das heiße Medium
davor bewahren, dass es seine Energie
abgibt, bevor die Umwandlung in
mechanische Energie vollzogen ist.
Mouchot gelang es schon, diese physikalischen
Prozesse technisch weitgehend
in den Griff zu bekommen.
Die Abbildungen 3 und 4 zeigen seine
Maschine, die genug Dampf erzeugte,
dass man damit eine Dampfmaschine
betreiben konnte.
Diese Maschine stellte er auf der Weltausstellung
1878 vor und erzielte mit
dieser Pionierleistung eine Goldmedaille.
Heute baut man solare Wärmekraftmaschinen
mit Leistungen von
mehreren 100 MW (wie z. B. die SEGS
in Kalifornien mit 354 MW oder die Solana
Generating Station in Arizona mit
280 MW). 8
Da man gerade erst damit angefangen
hat, diese Kraftwerke im großen Maßstab
zu bauen, ist davon auszugehen,
dass noch größere Kraftwerke realisiert
werden. Man arbeitet auch daran, den
Wirkungsgrad weiter zu steigern, z. B.
indem man geschmolzenes Salz oder
direkt Wasser statt Thermoöl im Wärmekreislauf
verwendet 9 . Auch wenn
die Photovoltaik weiter Fortschritte
macht: Die Solarthermie braucht man,
um Sonnenkraftwerke auch nach Sonnenuntergang
betreiben zu können,
wenn die Photovoltaik keine Energie
mehr liefert, aber die gespeicherte
Wärme den Stromerzeugungsprozess
weiter ermöglicht. In Kombination mit
klassischer Heiztechnik wird ein solarthermisches
Kraftwerk grundlastfähig,
d. h. es reagiert zuverlässig auf die Anforderungen
des Stromversorgers.
8 http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_
solar_thermal_power_stations
9 http://www.theguardian.com/
environment/2010/jul/22/firstmolten-salt-solar-power
Abb. 3: Schematische Darstellung der Solar-Dampfmaschine
von Augustine Mouchot.
Abb. 4: Auf der Weltausstellung 1878 in Paris wurde die solarbetriebene Dampfmaschine
nicht nur von den Besuchern bestaunt, sondern auch von einer Fachkommission
mit einer Goldmedaille gewürdigt.
16 tu 152 / 2. Quartal 2014

Energietechnik
tu: Sachinformationen
Es lässt sich heute bereits erahnen,
zu welchen Leistungen die Technik
der konzentrierenden Solarthermie
noch fähig sein wird, da intensiv daran
geforscht wird, die Konzentration
der Sonnenstrahlen weiter zu steigern.
Ein Beispiel ist das Solarturmkraftwerk,
bei dem man eine Temperatur
von 1000 °C erreichen kann,
um den Carnot-Wirkungsgrad weiter
zu steigern. 10 Allerdings erkauft man
sich die Steigerung der Konzentration
mit einem gesteigerten Aufwand bei
der Steuerung der Spiegel, die das
Sonnenlicht konzentrieren. Die hohen
Temperaturen, die im Brennpunkt entstehen,
führen zu ganz erheblichen
Materialbelastungen: ein Problem
aber, an dem inzwischen auch erfolgreich
geforscht wurde. Denn große
Turmkraftwerke sind schon in Bau wie
z. B. die Ivanpah Solar Power Facility
in Kalifornien mit 392 MW, dessen
erste Unit im September 2013 ans
Netz gegangen ist und das Anfang
2014 als weltgrößtes Solarkraftwerk
gilt. Insgesamt sind zz. 2828 MW an
Kraftwerksleistung der konzentrierenden
Solarthermie installiert und
liefern Strom ins jeweilige Netz, knapp
2500 MW sind im Bau. Knapp 4000
MW sind allein in den USA projektiert,
930 in Spanien und über 4000 MW in
anderen Ländern wie z. B. China, Marokko,
Israel, Iran und Chile (Angaben
nach Wikipedia, siehe Fußnote 8).
Das größte „Problem“ für die solarthermische
Elektrizitätserzeugung
ist wohl der Erfolg der Photovoltaik
und der Preisverfall bei den Modulen.
Photovoltaische Kraftwerke werden
in der gleichen Größe wie die bereits
genannten Solarkraftwerke gebaut.
Das zz. größte Photovoltaikkraftwerk
Agua Caliente Solar Project in Arizona
liefert zz. 251,3 MW und ist für 397
MW projektiert. 11 Die weltweit installierte
Leistung solcher Photovoltaikanlagen
beträgt in 2013 ca. 5400 MW, 12
wenn man nur die Anlagen mit mehr
als 50 MW berücksichtigt. Wenn man
die Planungen zusammenzählt, dann
wird das Ausmaß der Photovoltaikkonkurrenz
deutlich: Über 31.000 MW
Phototvoltaik-Kraftwerksleistung ist in
Planung oder im Bau. 13
Solange es aber keine preisgünstige
Speicherung der erzeugten Elektrizität
gibt, werden die solarthermischen
tu 152 / 2. Quartal 2014
Kraftwerke eine wichtige
Rolle spielen, da die
gespeicherte Wärme
solche Kraftwerke
grundlastfähig macht
und ihnen daher eine
wichtige Rolle im
Elektrizitätsnetz verschafft.
Mouchot hat den
ersten Prototypen
eines solchen Sonnenkraftwerks
gebaut
(Abb. 4 und 5). Die Zeitgenossen
waren sehr beeindruckt
davon, dass man mit
der kostenlosen Energie der Sonne
eine Dampfmaschine antreiben kann.
Zur damaligen Zeit war Kohle in Frankreich
noch sehr teuer, weil man die
heimischen Vorkommen noch nicht
erschlossen hatte und Kohle importieren
musste. Vor diesem Hintergrund
erschien ein kostenloser Treibstoff als
geradezu konkurrenzlos günstig.
Allerdings hatte die Maschine von
Mouchot einen Mangel, der sich in
Paris sehr gut erkennen ließ. Die Konzentration
der Sonnenstrahlung gelingt
in ausreichendem Maße nämlich
nur dann, wenn der Himmel möglichst
wolkenlos ist. Heute redet man von
der sogenannten Normaldirektstrahlung.
Jeder hat die Erfahrung sicherlich
schon einmal gemacht, dass es nur
bei unverdeckter Sonne gelingt, mit
dem Brennglas etwas zu entflammen.
Wenn Wolken die Sonne verdecken,
kann man ihre Strahlen nicht mehr mit
dem Brennglas oder dem Parabolspiegel
konzentrieren. In unseren Breiten
würde daher der Prozess der Wärmegewinnung
in einem Solarkraftwerk nur
selten ausreichend lang funktionieren,
um damit sinnvoll Strom zu produzieren.
Dennoch gibt es ein solches Kraftwerk,
wenngleich nur zu Forschungszwecken
in Deutschland (in Jülich). 14
Aber was unsere Breiten zu wenig haben,
haben andere zu viel. In den Wüsten
der Welt ist Platz ohne Ende und
die Sonne scheint häufig und ausdauernd.
Die amerikanischen SEGS, von
denen bereits die Rede war, sind in der
Mojave-Wüste errichtet worden. Die
Daten für die Ausbeute sprechen für
sich. Heute werden in Ländern wie Algerien,
Ägypten, den Vereinigten Arabischen
Emiraten, Chile, Indien, China,
Abb. 5: Frank Shuman,
1862–1918.
Marokko und im Süden
Spaniens solche
Anlagen erfolgreich
betrieben. Die Solarthermie
ist eines
der Zugpferde der
weltweiten Sonnenenergienutzung.
Die
Photovoltaik kennt die
Beschränkungen auf
die Normaldirektstrahlung
nicht und sie ist daher
auch in den nördlichen
Regionen verbreitet.
Die Erkenntnisse von Mouchot blieben
nicht unbeachtet von anderen Forschern.
Außerdem war er auch nicht
der Einzige, den die Idee der Solarthermie
umtrieb. So hatte z. B. John
Ericsson bereits 1872 einen Solarmotor
konstruiert, der nur mit erwärmter
Luft funktioniert. Ein Parabolspiegel
konzentriert die Sonnenstrahlen und
erwärmt die Luft, die im Gasmotor in
mechanische Energie umgewandelt
wird. Ein weiterer wesentlich leistungsfähigerer
Prototyp einer Solaranlage
wurde in Amerika von der bereits 1892
gegründeten Solar Motor Company
(Aubrey Eneas) errichtet. 1902 war
der Prototyp einer großen Anlage fertig
und zog die Aufmerksamkeit eines
großen Publikums auf sich. 15
Frank Shuman (Abb. 5) war es, der
das Projekt der Energiegewinnung
10 http://www.dlr.de/sf/ Stichwort
Konzentrierende Solarsysteme für
Wärme-, Strom- und Brennstofferzeugung.
Eine Besuch der Seite zum
Solarthermischen Versuchskraftwerk
in Jülich ist ebenfalls empfehlenswert:
solarturm-juelich.de
11 http://en.wikipedia.org/wiki/Agua_
Caliente_Solar_Project
12 http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_
photovoltaic_power_stations
13 http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_
photovoltaic_power_stations Dies
darf man nicht verwechseln mit der
installierten Leistung von Photovoltaik
insgesamt, denn die betrug Ende
2013 ca. 140 GW.
14 http://www.dlr.de/sf/desktopdefault.
aspx/tabid-8560/15527_read-38159/
15 http://renewablebook.
com/2010/08/03/chapter-excerptaubrey-eneas-and-the-birth-of-solarsteam-power/
17

tu: Sachinformationen
Energietechnik
aus Sonnenenergie auf eine neue Stufe
brachte und 1913 das erste großtechnische
Solarkraftwerk der Welt
in Ägypten errichtete (vgl. Dittmann
2012).
Die von Shuman 1907 gegründete
Solar Power Company baute den Vorläufer
der modernen solarthermischen
Kraftwerke in der auch heute noch
gebräuchlichen Form mit der Parabolrinne,
in deren Brennlinie ein Receiver
die Energie der Sonne aufnimmt und
einer Dampfmaschine zuführt. Denn
um die Leistungsfähigkeit des Solarkraftwerks
zu steigern, braucht man
rinnenförmige Parabolspiegel auf einer
großen Fläche. Mit kreisrunden Receivern,
wie Mouchot, Ericsson und auch
Eneas sie genutzt hatten, kommt man
nur sehr umständlich auf hinreichend
große Leistungen für den Kraftwerksbetrieb.
Diese lassen sich aber besser
der Sonne nachführen, was ja Mouchot
schon realisiert hatte: Seine Nachführmechanik
erlaubte nicht nur die Verfolgung
der Sonne während eines Tags,
sondern sie ließ sich auf verschiedene
Jahreszeiten ebenso einstellen wie
auf verschiedene Breitengrade. Mouchot
war davon überzeugt, dass seine
Maschine im Sonnengürtel der Erde
sinnvoll eingesetzt werden könnte, und
hat sie gleich so konstruiert, dass sie in
verschiedenen Ländern einsetzbar ist.
In den heutigen Turmkraftwerken werden
die Heliostaten ähnlich der Sonne
nachgeführt, wie es Mouchot bereits
vorgemacht hatte.
Shuman hatte eine Anlage gebaut
(Abb. 6 und 7), die die Leistungsfähigkeit
der Parabolrinnentechnik belegte.
Shuman erzeugte so hohe Temperaturen
in seinem Solarfeld, dass die
von ihm verwendeten Metalle sogar
zu heiß wurden und die Dampfdichtigkeit
der Apparatur litt. Dabei handelte
es sich um typische Probleme in der
Entwicklungsphase einer neuen Technik.
Dennoch sahen Inspektoren der
britischen Regierung die Probleme
der Anlage als so gravierend an, dass
sie die Mittel für die Weiterentwicklung
einstellten. Mit dem Ausbruch des Ersten
Weltkriegs 1914 war an eine Weiterentwicklung
des Solarkraftwerks
nicht mehr zu denken. Nach dem Ende
des Kriegs begann der Siegeszug des
billigen Erdöls. Die Solartechnik hatte
ohne Förderung keine Chance, gegen
diese Konkurrenz zu bestehen. Hermann
Scheer sprach von einem Jahrhundertversäumnis,
weil die Chancen
der Solartechnik ignoriert wurden.
Mouchot, dem anerkannten Solarpionier,
und auch Shuman zollten Politiker
und Behördenvertreter allerdings keine
weitere Anerkennung – von weiterer
Förderung ganz zu schweigen. Mit
dem Ende des Projekts von Shuman
landete die Solartechnik für viele Jahrzehnte
in einer Sackgasse und wurde
weitgehend vergessen. Heute setzt
die Weiterentwicklung dieser Technik
voraus, dass sie zu konkurrenzfähigen
Gestehungskosten Energie produzieren
kann. Konkurrenz entsteht dieser
alten Technik inzwischen wie schon
erwähnt aus der Photovoltaik. Aber
das Rennen zwischen diesen beiden
Techniken ist noch längst nicht entschieden,
die nächsten Etappen bleiben
spannend.
Schlussfolgerungen
Die Produktion von Elektrizität aus
Sonnenlicht hat das Potenzial, einen
erheblichen Beitrag zur Stromversorgung
zu leisten. Dies ist heutzutage
keine Vermutung mehr oder
der Wunsch von Idealisten, sondern
die Geschäftsgrundlage von vielen
Firmen, die in Solarkraftwerke investieren.
Die Sonnenenergie stellt ein
Ener giereservoir dar, das alle anderen
Energierohstoffe gewissenermaßen
in den Schatten stellt. Die Weiterentwicklung
der beiden hauptsächlichen
Techniken zur Erzeugung von Elektrizität
aus Sonnenenergie wird von vielen
Faktoren bestimmt, aber zwei seien
hier hervorgehoben. Die Photovoltaik
ist technisch sowohl für eine zentrale
als auch eine dezentrale Stromerzeugung
geeignet. Die Netzparität ist bereits
erreicht, d. h. durch Photovoltaik
produzierter Strom ist in Deutschland
billiger als der Strompreis für private
Kunden. Viele Bauherren nutzen die
Photovoltaik, um sich autonom mit
Energie zu versorgen, und eine längst
abgeschriebene Anwendung – das
Heizen mit Strom – wird unter den neuen
Bedingungen wieder interessant.
Dezentrale Erzeugung und Verbrauch
des Stroms entlastet die Netze und
wird daher von der Bundesregierung
Abb. 6: Die Anlage von Shuman in Ägypten
vermutlich zur Mittagszeit, weil die Sonne
dann am höchsten steht und die Parabolrinnen
die senkrecht einfallenden Sonnenstrahlen
auf den Receiver abbilden.
gefördert. Die massenhafte dezentrale
Anwendung der Photovoltaik kann
dazu führen, dass den großen Stromerzeugern
weitere Teile ihres bisherigen
Geschäfts wegbrechen. In Diskussionen
wird schon gefordert, den
Selbstversorgern eine Extragebühr für
den Anschluss an das Stromnetz abzuverlangen,
wenn sie sich nicht vollständig
vom Netz abnabeln, sondern
im Fall ausbleibender Sonneneinstrahlung
doch Strom beziehen wollen. Da
sie aber auch dann nur vergleichsweise
wenig Strom beziehen, zahlen sie
auch nur wenig für das Netz, da das
sogenannte Netznutzungsentgelt über
den Verbrauch abgerechnet wird.
Die Solarthermie lässt sich zur Stromerzeugung
ökonomisch nicht sinnvoll
dezentral betreiben. Große Unternehmen
hatten daher die Vision, dass in
den Wüsten Nordafrikas Elektrizität für
Europa produziert werden sollte. Das
Projekt Desertec setzt auf Strom aus
Wind und Sonne aus einem europäischen
Grid, in das auch Nordafrika
eingebunden ist. Doch das Konsortium
bröckelt. 2013 sind Siemens und
Bosch aus dem Konsortium ausgeschieden.
2014 folgten E.ON und HSH
Nordbank. Die Zukunftsaussichten des
Desertec-Projekts haben sich deutlich
verschlechtert, aber die Aussichten für
die Stromerzeugung mit Parabolrinnenkraftwerken
und Photovoltaik nicht. Die
Länder aus dem sonnenreichen Gürtel
der Erde fangen an, aus eigenem Inte-
18 tu 152 / 2. Quartal 2014

Energietechnik
tu: Sachinformationen
Abb. 7: Die Anlage von Shuman in Ägypten. Man sieht fünf Segmente
des Solarfeldes und die Dampfleitung, die zur Dampfmaschine im Maschinenhaus
führt.
Abb. 8: Aktie der The Sun Power Company, unterzeichnet von Frank
Shuman und seiner Frau Constantine.
resse eine umweltfreundliche Form der
Stromerzeugung aufzubauen. So wird
das weltgrößte Solarkraftwerk der Welt
mit 500 MW zurzeit in Quarzazate, Marokko,
gebaut. Marokko verfolgt den
ehrgeizigsten Solarplan der Welt: 42%
der Energie soll aus Solar-, Wind- und
Wasserkraftwerken kommen, und zwar
schon 2020!
Nachdem sich die Fachleute in der
Vergangenheit über die Weiterentwicklung
dieser Techniken so getäuscht
hatten, bleibt eines ganz gewiss: Die
Zukunft ist offen. Welche Technik sich
durchsetzen wird, hängt von den Entscheidungen
der Gegenwart ab. Die
Energiewende ist keine Frage der
technischen Möglichkeiten, sondern
eine Frage der Entscheidungsgründe.
Wäre man den Visionen von Frank
Shuman gefolgt, der 1907 eine Streitschrift
zur umfassenden Nutzung der
Sonnenenergie verfasst und in Umlauf
gebracht hat, wäre die Stromerzeugung
aus Sonnenenergie längst Alltag.
Aber auch Shuman war Unternehmer,
er ging davon aus, dass die Kohlevorräte
bald erschöpft sein würden, und
warb um Investoren für seine Sun Power
Company (Abb. 8).
Überlässt man die Auswahl der Stromproduktionstechnik
also den Marktmechanismen,
werden sich die Umweltprobleme
weiter verschärfen, denn
auch heute gibt es noch genug Braunund
Steinkohle. Aber warum soll man
diese Rohstoffe verbrennen, die Luft
verschmutzen, den Klimawandel verschärfen?
Von den Entscheidungen
der Gegenwart hängt ab, wie die
Stromproduktion der Zukunft aussehen
wird. Entscheidet man sich heute
tu 152 / 2. Quartal 2014
für ein neues Kohlekraftwerk, ist damit
für 40 Jahre eine Weichenstellung getroffen
worden. So lange dauert es, bis
sich die Investition amortisiert hat und
die finanziellen Interessen der Kraftwerksbetreiber
befriedigt worden sind.
Es ist Zeit, die Lehren aus der mehr
als 130 Jahre währenden Geschichte
der solarthermischen Energietechnik
zu ziehen.
Literaturverzeichnis
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thread. 2500 years of solar architecture
and technology. London: Boyars.
Dittmann, F. (2012): Frank Shuman und
die frühe Nutzung der Solarenergie.
In: Fraunholz, U.; Wölfel, S. (Hrsg.):
Ingenieure in der technokratischen
Hochmoderne. Münster: Waxmann, S.
181-193.
Janzing, B. (2011): Solare Zeiten. Die
Karriere der Sonnenenergie; eine
Geschichte von Menschen mit Visionen
und Fortschritten der Technik.
Freiburg: Picea-Verlag.
Mener, G. (2001): Zwischen Labor und
Markt. Geschichte der Sonnenenergienutzung
in Deutschland und den
USA 1860–1986. Ludwig-Maximilians-
Universität, München.
Mouchot, A.; Griese, F.; Weber, R.
(1987): Die Sonnenwärme und ihre
industriellen Anwendungen. Oberbözberg,
Schweiz: Olynthus (Alte
Forscher – aktuell, 1).
Perlin, J. (2002): From space to earth.
The story of solar electricity. 1. Harvard
University Press ed. Cambridge,
Mass: Harvard University Press.
Pieprzyk, B.; Rojas Hilje, P. (2009): Vergleich
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mit der tatsächlichen Entwicklung
erneuerbarer Energien. Deutschland
– Europa – Welt. Agentur für erneuerbare
Energie e.V. Berlin. Online
verfügbar unter http://opus.kobv.de/
zlb/volltexte/2013/20597/pdf/Prognose_Analyse_aktualisierte_Fassung.
pdf; zuletzt geprüft am 12.03.2014.
Schneider, I. (1969): Die Entstehung der
Legende um die kriegstechnische
Anwendung von Brennspiegeln bei
Archimedes. Technikgeschichte 36,
S. 1-11.
Wirth, H. (2013): Aktuelle Fakten zur
Photovoltaik in Deutschland. Fraunhoferinstitut
für Solare Energiesysteme
(ISE). Freiburg. Online verfügbar
unter http://www.ise.fraunhofer.de/
de/veroeffentlichungen/veroeffentlichungen-pdf-dateien/studien-undkonzeptpapiere/aktuelle-fakten-zurphotovoltaik-in-deutschland.pdf;
zuletzt geprüft am 12.03.2014.
Bildnachweise
1 http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Vanguard1.jpg
2 http://en.wikipedia.org/wiki/Augustin_
Mouchot
3 Mouchot, A.; Griese, F.; Weber, R.
(1987): Die Sonnenwärme und ihre industriellen
Anwendungen. 2. Auflage,
Oberbözberg, Schweiz: Olynthus (Alte
Forscher – aktuell, 1), Abb. 43: S. 199.
4 http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Mouchot1878x.jpg
5 http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Frank_Shuman.jpg
6 Deutsches Museum, Bildarchiv
7 Deutsches Museum, Bildarchiv
8 http://solarthermalworld.org/sites/
gstec/files/Solar%20Thermal%
20Power%20and%20Energy%
20Storage%20Historical%
20Perspective.pdf S. 20
19

tu: Unterrichtspraxis
Bau eines
Warentransport-Roboters
Teil 1: Der Hybridschrittmotor und seine
Ansteuerung – Der Bau des Roboters
Von Werner Digel
Der Bildungsplan der Realschule in Baden-Württemberg für das Fach Technik
in Klasse 10 zielt u. a. auf den Kompetenzerwerb bzw. die Erweiterung
und Vertiefung von Kompetenzen aus dem Problem- und Handlungsfeld
Information und Kommunikation (IuK) ab.
Fundamentale Einsichten und Handlungsmuster sollen durch eine intensive
Auseinandersetzung mit exemplarischen technischen Inhalten vermittelt
werden. Die dazu notwendige bzw. weiterzuentwickelnde technische Grundbildung
sollte aber nicht zu einem einengenden Spezialwissen führen,
sondern im Gegenteil zu einer objektiven ganzheitlichen Betrachtungsweise
des Projektes anleiten, die sowohl technische wie ökologische und soziale
Aspekte beinhaltet.
Ein handlungs- und problemorientierter Technikunterricht, in dem sich
Phasen der Wissensvermittlung und der praktischen Arbeit sinnvoll und
ergänzend abwechseln, sowie eine Projektauswahl, die der Erfahrungswelt
des Schülers entnommen ist, erleichtern nicht nur den Einstieg in ein Projekt,
sondern auch die Durchführung. Idealerweise bietet ein Projekt auch
Einblicke in ganze Berufsfelder.
Das Zielprojekt Warentransportroboter
erfordert Kenntnisse/Kompetenzen
aus den Bereichen Mechanik, Elektrik
und Elektronik und Informatik. Die
Schnittmenge aus diesen 4 Bereichen
zeigt das Berufsbild des Mechatronikers.
Auszüge aus dem Bildungsplan für
Realschulen in Baden-Württemberg
für das Fach Technik; Inhalte des Problem-
und Handlungsfeldes Information
und Kommunikation bezogen auf die
Handlungsperspektive:
– Probleme mit elektrotechnischen
und elektronischen Schaltungen
lösen;
– Problemstellungen im Bereich
Steuern und Regeln mit dem Computer
lösen;
– Computerunterstützt Produkte entwickeln
und herstellen. Diese Kompetenz
sollte bereits am Ende der
8. Klasse erreicht sein.
Inhalte des Problem- und Handlungsfeldes
Information und Kommunikation
bezogen auf die
Kenntnis- und Strukturperspektive:
– Aufgabe, Funktion und den groben
Aufbau der IuK-Systeme, die im
Unterricht eingesetzt werden, erklären;
– Funktion, Schaltzeichen und Einsatz
von im Unterricht verwendeten
elektrotechnischen und elektronischen
Bauteilen erklären;
– Eigenschaften befehlsprogrammierter
IuK-Systeme nennen.
Elektrotechnik / Elektronik
Stationen auf dem Weg
zum Zielprojekt
Warentransportroboter:
Gesamtplanung, Vorwissen und
vorbereitende Aufgaben
Mit den Schülern einer 10. Klasse der
Realschule hatte ich zu Beginn des
Schuljahres begonnen, mit einem
selbst gefertigten Elektronikbaukasten
die unterschiedlichsten Probleme aus
dem Bereich Elektronik zu lösen.
Hergestellt haben wir unter anderem
eine 7-Segment-Anzeige, die über die
parallele Schnittstelle zu steuern war.
Die Schüler haben bei der Planung und
Herstellung der 7-Segment-Anzeige
mit den Programmen MegaCAD und
Nccad 7 (CAD/CAM) gearbeitet und
die Platine für die 7-Segment-Anzeige
mit einer CNC-Fräse hergestellt. Nach
dem Bestücken der Platine mit LEDs
und einem Sub-D-Stecker-25-polig für
den Anschluss der 7-Segment-Anzeige,
über Druckerkabel und Schnittstelle
an den PC sowie dem obligatorischen
Funktionstest haben sich die Schüler
in die Programmiersprache FreeBasic
eingearbeitet und auf verschiedenste
Art und Weise die 7-Segment-Anzeige
zum Leuchten gebracht. Blinklicht,
Lauflicht, Aufbaulicht, Countdown waren
einige der zu lösenden Aufgaben.
Es wurde nur das besprochen und
geübt, was für die Ansteuerung der
7-Segment-Anzeige notwendig war.
Für die Programmierung einer Schrittmotorsteuerung
war dies dennoch eine
solide Grundlage.
Das Interface
Planung und Herstellung eines Parallelport-Interfaces,
hieß die zweite praktische
Arbeit.
Hier war Überzeugungsarbeit notwendig,
denn die Schüler wollten natürlich
wissen, was man mit diesem
Interface alles anfangen kann. Sie erhielten
folgende Informationen: Während
die 7-Segment-Anzeige über ein
Druckerkabel direkt mit der parallelen
Schnittstelle verbunden werden
konnte, da die LEDs mit der Schnittstellenspannung
und dem Strom der
20 tu 152 / 2. Quartal 2014

Elektrotechnik / Elektronik
tu: Unterrichtspraxis
Ausgabeleitungen betrieben werden
konnten, benötigen stärkere Verbraucher,
wie etwa Roboter, ein Interface,
das sie mit höheren Spannungen und
stärkeren Strömen versorgt und das
über die Schnittstelle gesteuert werden
kann. Unser Interface ist also ein
Verstärker, der von den schwachen
digitalen Signalen der Schnittstelle
gesteuert wird, und gleichzeitig ein
Schutzschild, der verhindert, dass
Kurzschlüsse oder Überlastung die
Schnittstelle zerstören.
Durch die Verwendung des Verstärkers
ICs ULN2003A und Opto-Kopplern
konnte bei der Herstellung des Interfaces,
Zeit und Schaltungsaufwand
gespart werden sowie der Schutz der
Schnittstelle erreicht werden.
Der Roboter
Wenn Schüler „Roboter“ hören, denken
sie oftmals an humanoide Roboter oder
gar an Androiden, also Roboter, deren
Konstruktion der menschlichen Gestalt
nachempfunden ist. Auch Staubsauger-Roboter
oder Rasenmäher-
Roboter waren den Schülern bekannt.
Ebenso die Roboter, die in der Automobilproduktion
eingesetzt werden, z.
B. als Schweiß- oder Lackierroboter,
und zur Gruppe der Industrieroboter
gehören. Die menschliche Gestalt ist
hier oftmals auf einen Arm reduziert,
der allerdings sehr beweglich konstruiert
wurde (Gelenkarmroboter). Unser
Zielprojekt sollte ein solcher Industrieroboter
sein, genauer gesagt ein
Warentransportroboter (WTR), in einer
von Schülern zu bewältigenden, etwas
einfacheren Ausführung.
Mit einem sicherlich interessanten
Ziel vor Augen war das Interesse der
Schüler geweckt. Ein spezielles Interface
herzustellen erfüllte nun keinen
sinnlosen Selbstzweck mehr, vielmehr
wurde es als notwendige und damit
wichtige Teillösung auf dem Wege zum
Zielprojekt WTR eingeordnet.
Entsprechend motiviert gingen die
Schüler ans Werk.
tu 152 / 2. Quartal 2014
Nach der Herstellung des Interfaces
führten die Schüler zur Einstimmung
auf den WTR eine Internetrecherche
zum Thema Industrieroboter durch.
Bei Wikipedia fanden sie nicht nur interessante
Bilder, sondern auch eine
Definition dieses Robotertyps.
http://de.wikipedia.org/wiki/Roboter
Definition nach VDI-Richtlinie 2860:
„Industrieroboter sind universell einsetzbare
Bewegungsautomaten mit
mehreren Achsen, deren Bewegungen
hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen
bzw. Winkeln frei (d. h. ohne mechanischen
Eingriff) programmierbar
und gegebenenfalls sensorgeführt sind.
Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder
anderen Fertigungsmitteln aus rüstbar
und können Handhabungs- und/
oder Fertigungsaufgaben ausführen.“
Die Schüler wurden aufgefordert zu
überlegen, ob es im Technikbereich
Maschinen gibt, die nach dieser Definition
als Industrieroboter zu bezeichnen
sind.
Sehr schnell konzentrierten sich die
Meinungen der Schüler auf unsere
CNC-Fräse.
Sie hat 3 Achsen, eine X-, Y- und Z-
Achse.
Die Bewegung dieser 3 Achsen ist frei
programmierbar, über NC-Code oder
CAD/CAM.
Der Fräsmotor ist mit unterschiedlichen
Werkzeugen (Fräser, Bohrer)
ausrüstbar.
Sie kann unterschiedliche Fertigungsaufgaben
automatisch ausführen.
Eine weitere Gemeinsamkeit vieler Industrieroboter
ist sicherlich die Eigenschaft
des präzisen Arbeitens. Aus
Kostengründen lohnt sich ihr Einsatz
oftmals nur in der Serienproduktion.
Hier müssen enge Toleranzen, über
die ganze Serie hinweg, eingehalten
werden. Diese wichtige Eigenschaft,
präzises Arbeiten über viele Wiederholungen
hinweg, musste auch unser
Warentransportroboter besitzen, um
die an ihn gestellten Anforderungen zu
erfüllen.
Doch wie gelingt es einem Industrieroboter/unserer
CNC-Fräsmaschine, so
genau zu arbeiten?
Hinführen
Die Schüler haben des Öfteren unsere
CNC-gesteuerte Fräse im Einsatz
gesehen. Manche durften sie auch,
nach einer notwendigen gründlichen
Einarbeitung, benutzen und waren sicherlich
beeindruckt, mit welcher Genauigkeit
und Geschwindigkeit diese
CNC-Fräsmaschine arbeitet.
Stellt man den Schülern die Frage, wie
es möglich ist, dass eine CNC-Fräse
so genau arbeitet, hört man oft: weil
sie computergesteuert ist.
Ein Computerprogramm ist sicherlich
in der Lage, auch stärkere Elektromotoren
in einer CNC-Maschine über ein
geeignetes Interface zu steuern, das
heißt die Elektromotoren zum richtigen
Zeitpunkt ein- und auszuschalten.
Aber ließe sich damit eine Präzision
erreichen, wie wir sie von unserer
CNC-Fräse kennen?
Probleme erkennen
Ein einfacher Versuch kann dies klären.
Man benötigt einen etwas größeren
E-Motor mit aufgestecktem Propeller
(6 – 12 V). Ein Schüler soll das
CNC-Programm darstellen, das seine
Ein- und Ausschaltbefehle an die
CNC-Steuerung, dargestellt von einem
2. Schüler am Schalter des E-Motors,
weitergibt.
Mit dem Ruf „einschalten!“ gibt das
CNC-Programm den Steuerbefehl an
die CNC-Steuerung. Der 2. Schüler
schaltet den E-Motor zeitgleich ein.
Mit dem Ruf „ausschalten!“ gibt das
CNC-Programm den nächsten Steuerbefehl
an die CNC-Steuerung. Der 2.
Schüler schaltet den E-Motor zeitgleich
aus, doch der E-Motor läuft durch die
Massenträgheit nach.
Übertragen auf unsere CNC-Fräsmaschine
könnte dies z. B. bedeuten,
dass eine auszufräsende Nut nicht
50 mm sondern 52 mm lang wird. Der
Elektromotor ist nun ausgeschaltet
und steht still. Wenn nun äußere mechanische
Kräfte auf den Elektromotor
einwirken, wie z. B. das Gewicht des
Fräsmotors an unserer CNC-Fräse auf
die Z-Achse, so kann sich die Welle
eines leichtgängigen Elektromotors,
der die Z-Achse antreibt, um einige
Grad drehen und ebenfalls zu Ungenauigkeiten
führen. Schüler 2 versucht
als äußere Kraft, den stillstehenden E-
Motor allein durch Anblasen des Propellers
zu drehen. Das gelingt! Fazit:
21

tu: Unterrichtspraxis
Elektrotechnik / Elektronik
Ein „normaler“ E-Motor ist als Antrieb
für eine CNC-Maschine ungeeignet,
trotz bester Computersteuerung.
Anforderungen an eine Lösung
formulieren
Die Anforderungen an einen geeigneten
E-Motor und seine Steuerung
müssten demnach lauten:
a) In kleinsten Schritten/Winkeln
steuerbar durch eine geeignete
Software. (CAM). Nur ganze Umdrehungen
des E-Motors in die geometrischen
Berechnungen einer
CAM-Software (Computer-aided
manufacturing, dt. rechnerunterstützte
Fertigung) einfließen
zu lassen, würde der angestrebten
Präzision, die im 1/10-mm-Bereich
liegen soll, schnell Grenzen setzen.
b) Kein Nachlaufen sowie ein hohes
Haltemoment, damit eine erreichte
Drehposition der Motorwelle nicht
verschoben wird.
Angedachte Lösungsansätze von
Schülern
c) Verwendung einer Elektronik, die
auch kleinste Drehungen der Motorwelle
registriert und zu einem
Ablaufprogramm verarbeitet. Diese
Lösung tendiert in Richtung Servomotor
mit Positionsbestimmungssensor
und Servoregler.
d) Ein E-Motor, der auf Grund seiner
Bauart nur kleinste Drehbewegungen
zulässt, ähnlich dem Rasten
eines Mehrfach-Drehschalters.
Es ist naheliegend, bei einem elektrisch
betriebenen Motor das EIN-
RASTEN mit „elektrischen Mitteln“
zu lösen. Denkbar wäre eine „elektromagnetische
Bremse“. Bei dieser
Lösung müsste die Software in
der Lage sein, dieses „Rasten“ zu
steuern, zu zählen und zu einem
Ablaufprogramm zu verarbeiten.
Diese Lösung tendiert in Richtung
Schrittmotor.
Fazit
Ohne Einsatz eines geeigneten E-
Motors, dessen Drehbewegungen von
einem Computerprogramm in kleinsten
Schritten gesteuert werden konnte,
war das Zielprojekt Industrieroboter
nach Meinung der Schüler zum Scheitern
verurteilt.
Von Schülern kann nicht erwartet werden,
dass sie „das Rad ständig neu
erfinden“. Wobei das Rad, im Gegensatz
zum Schrittmotor, sicherlich die
leichtere Aufgabe wäre. Ausgehend
von den beiden Lösungsansätzen, die
lobend erwähnt auch technisch umsetzbar
sind, lenkte ich die Schüler in
Richtung Schrittmotor, da dieser nicht
nur einfacher zu begreifen, sondern
auch einfacher zu steuern ist. Die möglichen
Schrittverluste eines einfachen
und preiswerten Schrittmotors fielen
bei unserem Projekt kaum ins Gewicht.
Auflösung des Rätsels
Schrittmotor
Natürlich wollten die Schüler wissen,
welche besonderen E-Motoren die
CNC-Fräse antreiben, wie sie aussehen,
wie groß sie sind, was sie kosten
und vor allem wie sie funktionieren.
Die Schrittmotoren unserer CNC-
Fräse sind äußerlich nicht sichtbar.
Deshalb zeigte ich den Schülern eine
kleine Sammlung unterschiedlicher
Schrittmotoren, die sich in Form, Größe,
Gewicht, Leistung, Anzahl der
Anschlüsse und Preis unterschieden.
Wichtige technische Daten, die auch
den Schülern geläufig waren, rundeten
das Bild ab.
Die Diskussion, welcher Schrittmotor
für unseren Modell-Warentransportroboter
der geeignetste wäre, war
schnell beendet, als ich erklärte, dass
der Techniketat nur preiswerte Restposten
zulässt, die nicht immer angeboten
werden, dann aber sehr schnell
vergriffen sind und deshalb beim Einkauf
keine große Auswahlmöglichkeit
besteht.
Der eingekaufte Schrittmotor war mit
2,95 € äußerst preiswert und wurde
mit folgender Produktbeschreibung
angeboten:
Unipolarer, kugelgelagerter Steppermotor
mit hohem Drehmoment und
kompakten Maßen.
Technische Daten:
● Schrittwinkel 3,6° (100 Schritte)
● Betriebsspannung 24 V
● Strangwiderstand 140 Ω
● Strangstrom 160 mA
● Achse (ø x L): 5 x 11 mm
● Motormaße ohne Welle (L x B x H):
35 x 42 x 42 mm
Also ein kräftiger, mechanisch gut verarbeiteter
Schrittmotor mit noch geeigneten
Außenmaßen.
Bei diesem Preis war zu verschmerzen,
dass die Schüler mit der für die
Schnittstelle gefährlichen Spannung
von 24 V den Schrittmotor und damit
auch das Interface betreiben mussten.
Datenblatt für Stepper-Motor Howard Ind.
Schutzmaßnahmen:
Intern schirmt unser Interface mit
Optokopplern, Dioden, Widerständen
und Freilaufdioden in den ICs die
Schnittstelle gut von den 24 V ab. Seit
aber eine herabfallende Schraube
dieses Sicherheitssystem durch einen
unglücklichen Zufall überbrückte und
durch Kurzschluss die Schnittstellenkarte
zerstörte, müssen die Schüler
a) ein schützendes Gehäuse um das
Interface bauen, müssen
b) alle sonstigen blanken und stromführenden
Teile sicher isoliert werden
und
c) es darf am WTR und Interface nur
gearbeitet werden, wenn keine Verbindung
zum Computer besteht.
d) Bei eingeschaltetem Computer darf
keine Verbindung zur Schnittstelle
hergestellt oder getrennt werden.
22 tu 152 / 2. Quartal 2014

Elektrotechnik / Elektronik
tu: Unterrichtspraxis
tu 152 / 2. Quartal 2014
Die im Technikunterricht verwendeten
kleinen Elektromotoren haben gewöhnlich
2 Anschlüsse.
Der Schrittmotor, den die Schüler verwenden
sollten, besaß 5 Anschlusskabel
in verschiedenen Farben.
Ein guter Schüler der Technikgruppe
sollte mit Hilfe eines 24-V-Netzgerätes
den Schrittmotor zum Laufen bringen.
Alle Versuche scheiterten.
Erst als ich helfend den gemeinsamen
Mittelabgriff der 2 Spulen des Schrittmotors,
ein schwarzes Kabel, an den
Plus-Pol des Netzgerätes anschloss
und der Schüler mit dem Minus-Pol des
Netzgerätes die anderen Anschlüsse
des Schrittmotors antippte, zeigte sich
eine kleine Reaktion, eigentlich mehr
ein Zucken, wie ein springender Sekundenzeiger.
Das war alles.
Mein Hinweis: Dies war der erste
Schritt von 100 Schritten, die eine Umdrehung
ergeben.
Ohne die Funktionsweise eines Schrittmotors
zu kennen, wäre für die Schüler
die Suche nach der richtigen Reihenfolge
oder Kombination der restlichen
Anschlüsse dem Zufall überlassen
worden.
100 Schritte für eine Umdrehung, das
wollten die Schüler testen und sehen!
Jede Dreiergruppe bekam die abgebildete
Testvorrichtung, ihren Schrittmotor
mit aufgesteckter Fahne und die
Aufgabe, die folgenden Kombinationen
zu testen und die Schritte zu zählen:
1. weiß, rot, grün, braun, schwarz an
Pluspol
2. braun, grün, rot, weiß, schwarz an
Pluspol
3. weiß, rot, grün, braun, schwarz an
Minuspol
4. braun, grün, rot, weiß, schwarz an
Minuspol
In diese einfache von einem Schüler
gebaute Testvorrichtung können 4 Bananenstecker
in unterschiedlicher Reihenfolge
von unten gesteckt werden.
Der obere schwarze Bananenstecker
berührt die unteren Stecker durch die
Ansenkung und den geringen Abstand
sehr sicher und schnell in der zu testenden
Reihenfolge. Die Schritte können
gut gezählt werden, und die aufgesteckte
Fahne zeigt die
Bewegungsrichtung.
Ergebnis:
Die getesteten Reihenfolgen
der Anschlüsse funktionierten
alle. 100 Schritte
ergaben eine Umdrehung.
Eine umgekehrte Reihenfolge
der farbigen
Anschlüsse,ergab auch
eine umgekehrte Drehrichtung.
Der gemeinsame Mittelabgriff
der beiden Spulen (schwarz)
konnte sowohl an den Pluspol wie an
den Minuspol angeschlossen werden.
Ein Wechsel dieser Pole führte zu
einem Wechsel der Drehrichtung.
Ein Schüler verglich den Schrittmotor
mit einer Uhr, deren Sekundenzeiger
für eine Umdrehung, 60 hüpfende
Schritte benötigt.
Zwei Möglichkeiten, wie man einen
Schrittmotor anschließen kann, um ihn
vorwärts und rückwärts laufen zu lassen,
hatten die Schüler nun erfahren.
Seine Funktion zu erarbeiten, war der
nächs te Schritt.
Was hatte sich im Innern unseres
Schrittmotors abgespielt, als die verschiedenen
Anschlusskombinationen
getestet wurden?
Mit Hilfe der Abbildungen 1 bis 4 (zum
besseren Verständnis ist nur 1 Polpaar
des Rotors eingezeichnet) und unserer
Abb. 1: 1. Halbschritt (Zwischenschritt)
Testvorrichtung
Anschlussfolge – braun, grün, rot, weiß
am Minuspol und schwarz am Pluspol
– haben wir Folgendes erarbeitet:
Im Folgenden werden die Halbspulen
nach ihren verschiedenfarbigen Anschlüssen
benannt.
Die Statorzange oben = B
Die Statorzange links = A
AA und BA = Spulen-Anfang
AE und BE = Spulen-Ende
Gedankenspiel:
Der Zeiger einer Uhr (= der Nordpol
des Rotors) kann auf 3, 6, 9, 12 Uhr
zeigen.
Die 4 Halbspulen sind so auf dem
„Zifferblatt“ angeordnet, dass die zusammengehörenden
Halbspulen sich
gegenüberstehen.
Weiße Halbspule liegt an 6 Uhr
Grüne Halbspule liegt an 12 Uhr
Rote Halbspule liegt an 9 Uhr
Braune Halbspule liegt an 3 Uhr
23

tu: Unterrichtspraxis
Elektrotechnik / Elektronik
Abb. 2: 2. Halbschritt
Abb. 3: 3. Halbschritt
Anschlüsse: Braune Halbspule an
Minuspol – Mittelabgriff (schwarz) an
Pluspol (nur die grüne Hälfte der Spule
wird von Strom durchflossen und ist
damit wirksam!); die angeschlossene
unbewegliche Statorzange B wird
durch die stromdurchflossene braune
Halbspule zum Elektromagneten
mit einem Nord- und Südpol (siehe
Merksatz Seite 25). Die Pole der Statorzange
ziehen die Gegenpole des
beweglichen Rotors an. Der Rotor bewegt
sich um einen Schritt (90°), zeigt
mit seinem roten Nordpol auf 3 Uhr, da
dort die braune Halbspule einen Südpol
bildet, und mit seinem grünen Südpol
auf 9 Uhr, da dort der Nordpol der
braunen Halbspule liegt.
Um den Rotor zu einem weiteren
90°-Schritt in Pfeilrichtung (der rote
Nordpol des Rotors zeigt dann auf
12 Uhr) zu bewegen, müssen nun die
braune Halbspule ausgeschaltet und
gleichzeitig die grüne Halbspule eingeschaltet
werden.
Anschlüsse:
Grüne Halbspule an Minuspol
Mittelabgriff:
Schwarzes Kabel an Pluspol
Nur die grüne Hälfte
der Spule ist wirksam!
Um den Rotor zu einem weiteren
90°-Schritt in Pfeilrichtung zu bewegen
(Rotor-Nordpol auf 9 Uhr), müssen nun
die grüne Halbspule ausgeschaltet und
gleichzeitig die rote Halbspule eingeschaltet
werden.
Anschlüsse:
Rotes Kabel an Minuspol
Mittelabgriff:
Schwarzes Kabel an Pluspol
Im Gegensatz zur Abb. 1 muss nun die
Statorzange B so umgepolt werden,
dass bei 9 Uhr ein Südpol und bei 3
Uhr ein Nordpol entsteht.
Dies erreicht man durch eine besondere
Schaltung der Spulen. Jede Spule
wurde durchgehend in einer Richtung
auf den Stator aufgewickelt, vom roten
Anschluss bis zum braunen Anschluss,
und mit einem schwarzen Anschluss
in der Mitte versehen. Jede Spule hat
also 3 Anschlüsse. Ein Umpolen der
Elektromagnete wird folgendermaßen
erreicht:
In Abb. 1 ist auf dem Stator
B die braune Halbspule an
Minus angeschlossen (BE),
die Spule ist, vom braunen
Anschluss her betrachtet,
gegen den Uhrzeigersinn
gewickelt. Nach dem Merksatz
Seite 25 entsteht dort
ein Südpol, ab dem Mittelabgriff
ein Nordpol.
In Abb. 3 ist auf dem Stator
B die rote Halbspule an
Minus angeschlossen (BA),
die Spule ist, vom roten Anschluss
her betrachtet, auch
gegen den Uhrzeigersinn
gewickelt. Nach dem Merksatz
entsteht dort ein Südpol,
ab dem Mittelabgriff ein
Nordpol.
Die oftmals schon zu Beginn gestellte
Frage von Schülern, wieso nicht
die ganze Spule genutzt wird, um ein
stärkeres elektromagnetisches Feld
zu erzeugen, dürfte nun geklärt sein.
Die notwendige Umpolung zwischen
den Schritten 1 und 3, bzw. 2 und 4,
gelingt am einfachsten mittels dreier
Anschlüsse pro Spule und der Einschränkung,
nur eine Halbspule nutzen
zu können, was ein geringeres
Drehmoment zur Folge hat.
Anschlüsse:
Weiße Halbspule an Minuspol
Mittelabgriff:
Schwarzes Kabel an Pluspol
Im Gegensatz zu Abb. 2 muss nun die
Statorzange A so umgepolt werden,
Abb. 4: 4. Halbschritt
24 tu 152 / 2. Quartal 2014

Elektrotechnik / Elektronik
tu: Unterrichtspraxis
dass bei 6 Uhr ein Südpol und bei 12
Uhr ein Nordpol entsteht.
Dies erreicht man durch die jetzt bekannte
Umpolung, indem die weiße
Halbspule an Minus gelegt wird und
somit bei AA ein Südpol entsteht, ab
dem Mittelabgriff ein Nordpol.
Zusammenfassung
Der Rotor besteht im einfachsten Fall
aus einem Dauermagneten mit Nordund
Südpol. Das den Rotor umgebende
Gehäuse besteht aus 2 Statorzangen
(A + B), auf denen je eine
Spule aufgewickelt ist.
Jede Spule wird durch einen Anschluss
in der Mitte in 2 gleiche Halbspulen,
mit gleicher Wickelrichtung,
geteilt. Fließt Strom durch eine Halbspule,
wird die umwickelte Statorzange
zum Elektromagneten, ebenfalls
mit einem Nord- und Südpol. Diese
Pole der gleichen Statorzange liegen
sich im Gehäuse gegenüber. Da sich
ungleichnamige Pole anziehen, dreht
sich der Rotor mit seinem Südpol zum
feststehenden Stator-Nordpol bzw.
der Nordpol des Rotors zum Stator-
Südpol.
Dies nennt man einen Schritt. Nun
muss die in Drehrichtung nächste
Halbspule, die auf der anderen Statorzange
liegt, so gepolt eingeschaltet
werden, dass der Rotor einen weiteren
Schritt angezogen wird.
Durch die beschriebene Umpolung
der 1. Statorzange folgt der Rotor in
einem 3. Schritt dem in Drehrichtung
vorauseilenden Stator-Magnetfeld.
Durch Umpolung der 2. Statorzange
vollendet der Rotor in einem 4. Schritt
die Umdrehung. Mit dem Umpolen der
1. Statorzange wird die 2. Umdrehung
eingeleitet.
Merksatz
„Linke Faust-Regel“ zur Bestimmung
der Richtung des Magnetfeldes:
Umfasst man (gedanklich) mit der
Faust die Spule und zeigen dabei
die Finger in Stromrichtung, so
zeigt der Daumen zum Nordpol.
Unser Schrittmotor funktioniert, wir
nützen aber von den 2 Spulen = 4
Halbspulen nur eine Halbspule.
Macht eine solche „schwache“ Ansteuerung
einen Sinn?
Betreibt man einen unipolaren Schrittmotor
im Halbschrittbetrieb, wird ein
solcher Schritt, bei dem nur eine Halbspule
wirksam ist, als Zwischenschritt
zwischen 2 Vollschritte eingefügt (die
Vollschritte werden ab Abb. 5 erklärt).
Dadurch erreicht man die doppelte Anzahl
an Schritten für eine Umdrehung
und damit eine höhere Positioniergenauigkeit.
Welche Möglichkeiten gibt es, ein
stärkeres elektromagnetisches Feld
aufzubauen, um den Rotor kräftiger
anzuziehen, also das Drehmoment zu
verstärken?
1. Vorschlag der Schüler:
Die Schaltungen aus Abb. 1 und Abb.
2 kombinieren.
Die Lösung: der unipolare Schrittmotor
mit Vollschritt-Ansteuerung.
Anschlüsse:
Grünes Kabel an Minuspol
Braunes Kabel an Minuspol
Mittelabgriff:
Schwarzes Kabel an Pluspol
Nur die braune Halbspule und die grüne
Halbspule sind eingeschaltet.
An AE und BE entstehen Südpole, an
AA und BA Nordpole.
Da die elektromagnetischen Felder,
die die Halbspulen in den Statorzangen
erzeugen, gleich stark sind,
stellt sich der Rotor mit seinen ungleichnamigen
Polen genau zwischen
die Statorzangen mit gleichnamigen
Polen. Da stets eine Halbspule auf
jeder Statorzange eingeschaltet ist,
können die Positionen 3, 6, 9 und 12
Uhr niemals angesteuert werden. Ein
solcher Schritt wird als Vollschritt bezeichnet.
Da je 2 gleichnamige Pole der 2 Statorzangen
auf den Gegenpol des Rotors
einwirken, aber nicht direkt, sondern
seitlich, steigt die elektromagnetische
Kraft nicht um das Doppelte, sondern
nur um das 1,414-Fache.
In Drehrichtung muss nun folgendermaßen
geschaltet werden:
Abb. 5: 1. Vollschritt
Abb. 6: 2. Vollschritt
tu 152 / 2. Quartal 2014
25

tu: Unterrichtspraxis
Elektrotechnik / Elektronik
Anschlüsse:
Stator A mit Halbspule grün
bleibt unverändert
Stator B wird umgepolt, durch
Anschlusswechsel von braun (BE)
nach rot (BA)
Mittelabgriff:
Schwarzes Kabel an Pluspol
3. Vollschritt (ohne Abb.)
Anschlüsse:
Stator B mit Halbspule rot
bleibt unverändert
Stator A wird umgepolt, durch
Anschlusswechsel von grün (AE)
nach weiß (AA)
Mittelabgriff:
Schwarzes Kabel an Pluspol
4. Vollschritt (ohne Abb.)
Anschlüsse:
Stator A mit Halbspule weiß
bleibt unverändert
Stator B wird umgepolt, durch
Anschlusswechsel von rot (BA)
nach braun (BE)
Mittelabgriff:
Schwarzes Kabel an Pluspol
Der Kreis schließt sich: Vollschritt
1 (Abb. 5)
Anschlüsse:
Stator B mit Halbspule braun
bleibt unverändert
Stator A wird umgepolt, durch
Anschlusswechsel von weiß (AA)
nach grün (AE)
Mittelabgriff:
Schwarzes Kabel an
Pluspol
Um ein noch höheres
Drehmoment des Schrittmotors
zu erreichen, ist es
notwendig, stärkere elektromagnetische
Felder zu
erzeugen. Der unipolare
Schrittmotor in Vollschrittansteuerung
nutzt nur
jeweils die Hälfte seiner
beiden Spulen. Diesem
Nachteil steht der Vorteil
gegenüber, auf einfachste
Weise, mit geringstem
steuerungstechnischem
Aufwand, eine Umkehrung
der Stromrichtung
und damit eine Umpolung in den Statorzangen
zu erreichen.
2. Vorschlag der Schüler:
Den Mittelabgriff der beiden Spulen
nicht anschließen, dafür die komplette
Spulenwicklung nutzen und mit ihrem
Anfang und Ende anschließen.
Die Lösung: der bipolare Schrittmotor
Beim bipolaren Schrittmotor (Abb. 7) in
seiner einfachsten Bauform (2 Spulen mit
4 Anschlüssen) werden beide Spulen
vollständig von Strom durchflossen,
erzeugen also stärkere elektromagnetische
Felder, welche wiederum für ein
größeres Drehmoment sorgen.
Abb. 7: Der bipolare Schrittmotor
Die Problematik liegt in der Ansteuerung
der beiden Spulen, die im Wechsel
umgepolt werden müssen. Dies
wird durch eine externe Umpolung des
Stromflusses erreicht.
Die Abb. 8 + 9 zeigen die Umpolung
der Statorzange B, mit Hilfe des Schalters
S2 von Hand, um den 2. Vollschritt
anzusteuern.
Für den 3. bipolaren Vollschritt müsste
wieder die Statorzange A umgepolt
werden, mit Hilfe des Schalters S1. Der
Rotor-Nordpol zeigt dann auf 4:30 Uhr.
Der 4. und letzte bipolare Vollschritt für
eine Umdrehung erfordert dann wieder
eine Umpolung der Statorzange B.
Soll diese Umpolung „automatisch“
erfolgen, verwendet man ICs wie den
L298 oder den stärkeren L6205N.
Abb. 8: 1. bipolarer Vollschritt
Abb. 9: 2. bipolarer Vollschritt
26 tu 152 / 2. Quartal 2014

Elektrotechnik / Elektronik
tu: Unterrichtspraxis
Abb. 10: H-Brücke
Abb. 11: H-Brücke nach dem Umschalten
Diese ICs beinhalten 2 sogenannte H-
Brücken für die Umpolung der 2 Spulen
eines bipolaren Schrittmotors.
H-Brücke deshalb, weil diese Schaltung
die Form eines H besitzt (Abb. 10
und Abb. 11).
Natürlich beinhalten diese ICs keine
normalen mechanischen Schalter wie
S1 – S4. An Stelle der Schalter muss
man sich Transistoren vorstellen, die
so angesteuert werden, dass sie entweder
sperren oder leiten.
In Abb. 11 fließt der Elektronenstrom
über die Schalter S2 und S3 in umgekehrter
Richtung durch die Spule, wie
in Abb. 10 über die Schalter S4 und S1.
Dies führt zu der gewünschten Umpolung
der Spule.
Da unser Zielprojekt, Modell eines
Warentransportroboters, keine großen
Drehkräfte erfordert, entschieden wir
uns für die einfachere Lösung mit unipolaren
Schrittmotoren in Vollschrittansteuerung.
Warentransportroboter (WTR)
In tu 132 S. 38 – 46 beschreibt Jürgen
Mohr das Projekt Transportroboter
TR08. Sein Transportroboter hebt eine
Stahlkugel mit Hilfe eines Elektromagneten
vom unteren Ende einer Rinne
auf und transportiert sie zum oberen
Ende der Rinne.
Die Steuerung erfolgt durch eine Gabellichtschranke
zusammen mit einem
bistabilen Multivibrator.
tu 152 / 2. Quartal 2014
Da der TR08 nicht programmierbar ist,
eignet er sich ohne Umbau nur für diese
eine Aufgabe.
Der WTR kann innerhalb erreichbarer
räumlicher Grenzen in 2 Ebenen unterschiedliche
Bewegungen ausführen,
indem er erneut durch ein Teach-
In programmiert wird. Dies macht ihn
vielseitiger einsetzbar.
Um den Schülern exemplarisch die
Funktion und den Bau eines Warentransportroboters
aufzuzeigen, genügt
es meiner Ansicht nach, sich auf 2
Bewegungsachsen zu beschränken
und die Aufgabe des Greifers mit Hilfe
eines Elektromagneten zu lösen.
Diese Beschränkung auf das Wesentliche
bringt einige Vorteile:
Bis zu 2 Schrittmotoren kann man ohne
großen Aufwand über die Druckerschnittstelle
steuern (Ausgänge D0
bis D7).
Der Aufwand für die Mechanik, Elektronik
und das Steuerprogramm ist geringer,
der Zeitdruck nicht ganz so groß.
Vorüberlegungen zum
Bau des WTR
Anforderungen und Eigenschaften:
stabil, einsichtig, unkompliziert, leicht
veränderbar, Schwierigkeitsgrad an
Leistungsfähigkeit der Schüler angepasst,
zeitlich nicht zu belastend, mögliche
Vorbereitung durch den Lehrer,
niedrige Kosten.
Grundfunktionen
Unser WTR (Soft- und Hardware) soll
erkennen, dass eine Ware (Stahlkugel)
am Aufnahmepunkt (rechts unten,
Abb. 20) zum Transport bereitliegt.
Er steuert seinen Arm mit dem E-Magneten
durch horizontale Bewegungen
des Armes und vertikale Bewegungen
des E-Magneten genau über die Stahlkugel
(geringer Luftspalt).
Durch Einschalten des E-Magneten
wird die Stahlkugel aufgenommen.
Die Stahlkugel wird über 180° halbkreisförmig
an das andere Ende (links
Mitte) befördert.
Durch Ausschalten des E-Magneten
fällt die Stahlkugel in die höher gelegene
Rinne/Kugelkanal und rollt zum
Aufnahmepunkt zurück. Dieser Vorgang
soll über viele Wiederholungen
präzise ablaufen.
Zum Bau des WTR
Die wichtigsten Materialvorbereitungen
des Lehrers pro Schüler:
1 Grundplatte 275 x 260 x 20
2 Dachlattenstücke 200 x 45 x 20 mm
oder Ähnliches als Stütze für die Platte.
In der Mitte eine Nut 20 x 20 mm
2 Schrittmotoren
1 Stahlkugel
1 Elektromagnet
Verschiedene Zahnräder +
1 Schnecke
27

tu: Unterrichtspraxis
Elektrotechnik / Elektronik
Der Warentransportroboter:
Zeichnung des WTR
Gelochte Metallwinkel + Streifen
Gewindestangen M6 + M4
Jeder Schüler bekommt außer den Materialien
einen Plan für den Nachbau
des WTR. Dieser Plan darf nach eigenen
Ideen und Materialien verändert
werden.
Hilfreiche Vorgaben:
● Der Arm des WTR muss genau
mittig und senkrecht mit der Gewindestange
M6 gelagert werden.
Der Antrieb erfolgt über eine
Schnecke am Schrittmotor 1 auf
ein Stirnzahnrad auf der Gewindestange
M6. Der Arm muss 180°
drehbar sein.
● Die Schrittmotoren wurden teilweise
nur mit Heißklebstoff befestigt/
fixiert. Beachte: Manche Schrittmotoren
werden sehr warm!
● Möglichst genau arbeiten! Darauf
achten, dass nirgendwo zu viel
„Spiel“ entsteht.
● Beim Schraubengetriebe, das den
E-Magneten hebt und senkt, beachten,
dass die Muttern links auf
dem Lochstreifen festgelötet werden
und rechts fest angezogen
werden, evtl. mit Federring.
Foto 1: Schülerarbeit
Fotos von Teilen des WTR
Ein Microsoft-Video (.AVI) zeigt den
WTR in Aktion: Der WTR-Roboter in
Aktion (siehe Hinweis Seite 29).
28 tu 152 / 2. Quartal 2014

Elektrotechnik / Elektronik
tu: Unterrichtspraxis
Ausblick auf Teil 2
Foto 2: Schrittmotor mit Schnecke
Wenn der Bau des WTR abgeschlossen
ist und sich seine beiden Achsen
von Hand leicht drehen lassen, erfolgt
der Anschluss der beiden Schrittmotoren
ans Interface. Das Interface kann
dazu an die parallele Schnittstelle (falls
vorhanden), an eine parallele Schnittstellenkarte
auf dem Mainboard (fast
immer auch auf modernen Mainboards
vorhanden), oder an einen funktionierenden
USB-zu-parallel-Adapter angeschlossen
werden. Die Programme
werden mit FreeBasic erstellt, eine
moderne kostenlose Windows-Programmiersprache,
die überwiegend
kompatibel zu Microsoft-Q-Basis ist.
Selbst alte Q-Basic-Bücher können
weitgehend benützt werden. Ziel wird
im Teil 2 sein, Programme zur Handsteuerung
über die Tastatur bis zum
TEACH-IN-Verfahren zu entwickeln.
Der WTR-Roboter in Aktion
Video Abrufbar unter:
www.neckar-verlag.de – TU 152
Foto 3: Schraubengetriebe für E-Magnet
Foto 4: Kugelrinne, Warenaufnahme
Literatur:
Link, Wolfgang: Messen, Steuern und
Regeln über die Parallel-Schnittstelle
Hardware, Software und Know-How
für die Praxis. Franzis Verlag GmbH,
85586 Poing 2002
Reber, Friedrich: Messen, Steuern und
Regeln mit Windows. Franzis Verlag
GmbH, 85586 Poing 2003
Internet-Adresse: http://de.wikipedia.org/
wiki/Roboter
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Fax 09 61 / 3 45 41
tu 152 / 2. Quartal 2014
29

tu: Sachinformationen
Werkstoffe
Verbundwerkstoffe – Teil 2 –
Einteilung nach der
Geometrie des Verbunds
Von Harald Hölz
Dieser Artikel bildet die Fortsetzung des in „tu“ 151 erschienenen einleitenden
Beitrags „Verbundwerkstoffe – Teil 1 – Grundlagen und Übersicht“.
Im vorliegenden Beitrag werden die ersten zwei der insgesamt fünf Gruppen
nach geometrischer Einteilung vorgestellt. Siehe die rote Markierung
in Abb. 1.
Nach der Geometrie des Verbunds (Abb. 1) werden Verbundwerkstoffe
unterschieden tu: Sachinformationen
1. Faserverbundwerkstoffe
2. Teilchenverbundwerkstoffe (Dispersionswerkstoffe)
3. Durchdringungsverbundwerkstoffe
4. Schichtverbundwerkstoffe (Laminate)
5. Strukturverbundwerkstoffe.
Matrix (Mutterphase) eingebracht. Die
Länge der Fasern und deren Ausrichtung
müssen allerdings exakt auf den
Einsatzbereich berechnet und ausgewählt
werden.
Für die Wahl des Matrixstoffes ist die
Temperatur des Einsatzes des Verbundwerkstoffs
das entscheidende
Auswahlkriterium. Bei niedrigen Temperaturen
werden Kunststoffe (Polymere),
bei höheren Temperaturen
Metalle und bei extrem hohen Temperaturen
Keramiken verwendet.
Aufgabenverteilung
Verbundwerkstoffe können nach ihrer Geometrie eingeteilt werden oder stofflich.
Die Verstärkungsfaser steigert die
Festigkeit und Steifigkeit. Die Matrix
übernimmt neben der Gestalt- und
Oberflächengebung die Aufgabe, den
Werkstoffe
Verbundwerkstoff zusammenzuhalten
und auftretende Kräfte abzuleiten.
Bei faserverstärkten Keramikmatrixen
ist zu erwähnen, dass die oben genannten
Rollen vertauscht sind: Hier
übernimmt die Faser die Zähigkeit und
die Matrix die Steifigkeit.
Nach der Geometrie des Verbunds (Abb. 7) unterscheidet man
1. Teilchenverbundwerkstoffe (Dispersionswerkstoffe)
Faserverbundwerkstoffe
2. Faserverbundwerkstoffe pe innerhalb der Verbundwerkstoffe
3. Schichtverbundwerkstoffe sind (Laminate)
die Faserverbundwerkstoffe. Faserwerkstoffe
Die 4. am Durchdringungsverbundwerkstoffe
häufigsten verwendete und In Faserverbundwerkstoffen werden
technisch 5. Strukturverbundwerkstoffe
ausschlaggebendste Grup-
Fasern (Verstärkungsphase) in eine
Als Faserwerkstoffe dienen vor allem
Glasfasern und zunehmend auch Koh-
Abb. 1: Einteilung der Verbundwerkstoffe nach der Geometrie des Verbunds
Abb. 7: Einteilung der Verbundwerkstoffe nach der Geometrie des Verbunds
30 tu 152 / 2. Quartal 2014

Werkstoffe
tu: Sachinformationen
Abb. 2: Glasfadenerzeugung 1600 v. Chr. in Ägypten
lenstofffasern (Carbonfasern). Ferner
kommen Aramidfasern, Borfasern, Polyethylenfasern,
Siliziumkarbidfasern
und Naturfasern zum Einsatz.
Glasfäden wurden schon 1600 v. Chr.
in Ägypten (Abb. 2) erzeugt.
Der heutige Glasfaserherstellungsprozess
wird in Abb. 3 übersichtlich dargestellt.
Glasfasern werden meist aus preiswertem
E-Glas (E = electrical) herge-
Abb. 4: Größenvergleich einer 6 µm dicken
Kohlenstofffaser im Vergleich zu einem 50
µm dicken Menschenhaar
Abb. 5: Aramid-Gewebe mit charakteristischer
goldgelber Farbe
tu 152 / 2. Quartal 2014
stellt, das elektrisch gut
isoliert. Es besitzt sehr
gute Druck- und Zugfestigkeiten.
Ein Vorteil der Glasfasern
ist, dass sie isotrop
sind – ihre Eigenschaften
sind also nicht
richtungsabhängig. Dies
erleichtert die Konstruktion
und verbreitert die
Einsatzmöglichkeiten.
Sie sind nicht brennbar. Wie Glas
selbst sind auch Glasfasern spröde.
Kohlenstofffasern (Carbonfasern)
Die Eigenschaften der aus Grafitschichten
bestehenden, stark anisotropen
Kohlenstofffasern sind dagegen
richtungsabhängig. (Abb. 4)
Der überwiegende Teil der Carbonfasern
wird mittels Pyrolyse (thermochemischer
Spaltung) aus Polyacrylnitril
(PAN) hergestellt. Carbonfasern
haben eine sehr hohe Festigkeit, sind
sehr spröde, elektrisch leitend und
chemisch beständig. Durch ihren äußerst
niedrigen Ausdehnungskoeffizienten
bleiben sie sehr maßstabil.
Aramidfasern
Abb. 3: Schematische Darstellung der Glasfaserherstellung
Das synthetisch hergestellte Polymer
Aramid (Aromatisches Polyamid), bekannt
auch unter der Markenbezeichnung
„Kevlar“ der Firma DuPont, hat
eine erstklassige Zähigkeit, eine sehr
hohe Zugfestigkeit und eine niedrige
Dichte. Es ist sehr abriebfest und chemisch
beständig. Allerdings verliert es
unter UV-Lichteinfluss seine Festigkeit
(bis zu 75%) und verfärbt sich braun.
Dem wird durch eine UV-absorbierende
Deckschicht entgegengewirkt.
(Abb. 5)
Verwendung findet es häufig als Garn
im Textilbereich, z. B. in Motorradbekleidung,
stark beanspruchter Outdoorausrüstung,
aber auch im Arbeitsschutz.
Naturfasern
Aus Hanf, Banane, Jute, Sisal, Brennnessel
werden feste und leichte Fasern
gewonnen. Sie werden häufig
mit einer kompostierbaren Matrix aus
Biokunststoffen (auf Stärkebasis) zu
Faserverbundwerkstoffen verarbeitet
und kommen so z. B. als Innenverkleidungen
oder Hutablagen im Fahrzeugbau
zum Einsatz. Da Autobauer
ihre Teile im zunehmenden Maße
recyceln müssen, bieten diese den
Vorteil, dass sie geschreddert werden
können und sich dann natürlich
zersetzen. (Abb. 6 + 7)
31

tu: Sachinformationen
Werkstoffe
Eigenschaften der
Faserverbundwerkstoffe
Die Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen
können bedarfsgerecht
beeinflusst werden und hängen faserseits
von vier Faktoren ab:
1. Der entscheidendste Faktor ist die
Faseranordnung (Orientierung der
Faser)
Durch die Wahl der entsprechenden
Faser, verbunden mit der
Festlegung der Faseranordnung,
können gezielt die Eigenschaften
an den Anwendungszweck angepasst
werden. (Abb. 8)
Die Faserart und Faseranordnung
bedingen die Richtungsunabhängigkeit
(Anisotropie) oder Richtungsabhängigkeit
(Isotropie) der
Eigenschaften des Verbundwerkstoffs.
Abb. 6: Einteilung der Naturfasern
2. Der Faseranteil (Faservolumengehalt)
Die Festigkeit des Faserverbundwerkstoffs
steigt mit dem Anteil der
Fasern. Da die Matrix und die Faser
zusammenhalten müssen, beträgt
der Faseranteil höchstens 80%.
3. Die Fasergeometrie
Je länger die Faser im Verhältnis
zum Durchmesser, desto größer
ist die Festigkeit. Die Fasern können
als Endlosfaser vorliegen, als
Langfasern oder als Kurzfasern. Je
kürzer eine Faser ist, desto kürzer
sind auch auftretende Risse.
Je dünner die verwendeten Fasern,
desto höher ist die aufnehmbare
Zugkraft, und je geringer das Volumen,
desto weniger Materialfehlstellen
treten auf.
4. Die Fasereigenschaften
Diese werden durch den Faserwerkstoff
und dessen Herstellung
festgelegt.
Die Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs
werden aber auch von der
Matrix beeinflusst. Zwei Faktoren sind
dabei entscheidend:
5. Die Faser-Matrixverträglichkeit
(Haftung der Grenzflächenverbindung
zwischen Faser und Matrix).
6. Die Eigenschaften des Matrixwerkstoffs
selbst.
Abb. 7: Recycelbarer Dachhimmel aus Flachs-Polypropylen-Komposit
Abb. 8: Einfluss von Faseranordnung auf Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen
Der E-Modul der Matrix muss bedeutend
kleiner als der E-Modul der
Faser sein.
Hinweis: Der E-Modul „ist ein Materialkennwert
aus der Werkstofftechnik,
der den Zusammenhang
zwischen Spannung und Dehnung
bei der Verformung eines festen
Körpers bei linear elastischem Verhalten
beschreibt“. 1
Die von der Matrix in Form gehaltenen
Fasern sind eingearbeitet
wesentlich belastbarer, als wenn
sie alleine belastet werden würden.
Auftretende Risse in der Faser werden
durch die Matrix am Faserende
gestoppt. Die Matrix schützt die Fasern
vor schädigenden Einflüssen
von außen.
1 http://de.wikipedia.org/wiki/Elastizitätsmodul
32 tu 152 / 2. Quartal 2014

Werkstoffe
tu: Sachinformationen
Abb. 9: Roving aus Glasfasern
Abb. 10: Endlosmatte aus Glasfasern
1. Glasfaserverstärkter
Kunststoff (GFK)
Abb. 11: Gelege Abb. 12: Gewebe aus Carbonfasergewebe 65
g/m² (Leinwand)
Verwendungsformen der
Faserwerkstoffe
Die Fasern werden in folgenden Formen
eingesetzt:
Rovings – Rovings sind Stränge aus
parallelen Spinnfäden oder Endlosfasern.
(Abb. 9)
Matten – Matten werden aus zufällig
orientierten Fasern ungewebt gepresst.
(Abb. 10)
Gelege – Gelege sind durch dünne
Nähfäden in einer oder mehreren Lagen
fixierte Rovings. (Abb. 11)
Gewebe – Gewebe sind flächige Textilien
aus Fasern. (Abb. 12)
Prepregs – Prepregs (preimpregnated
fibres = vorimprägnierte Fasern) bestehen
aus Endlosfasern in einer duroplastischen
(seltener auch in thermoplastischen),
ungehärteten Matrix. Es
sind bahnförmige, auf Rollen gelieferte
Halbzeuge, die maschinell verarbeitet
werden können und kühl gelagert werden
müssen.
Sie kommen u. a. in der Luftfahrtindustrie
(z. B. im A380), im Motorsport,
Bootsbau und in Sportgeräten zum
Einsatz. (Abb. 13, 14, 15)
Arten von Faserverbundwerkstoffen
Faserverstärkte Kunststoff-
Matrix-Verbundwerkstoffe (PMC:
Polymer Matrix Composites)
In diesem Artikel werden aus Platzgründen
nur die drei wichtigsten faserverstärkten
Kunststoffe angesprochen:
Die bekannteste, wichtigste und
größte Gruppe (über 90% der Faserverbundwerkstoffe)
bilden die
Glasfaserverstärkten Kunststoffe
(GFK), geläufig auch unter dem Namen
„Fiberglas“ (engl.: fiberglass, zu
deutsch: Glasfaser).
Schon 1953 wurden erste Glasfaserteile
in der Automobilindustrie eingesetzt.
(Abb. 16)
Sie sind preisgünstig, unbrennbar,
leicht, gute Isolatoren, steif, fest und
duktil (d. h. sie verformen sich plastisch,
bevor sie versagen). Sie können
sich elastisch verformen und unter
Belastung Energie aufnehmen.
Ein Problem stellt allerdings die fehlende
Recyclingfähigkeit der GFK dar.
Als Matrixwerkstoff werden je nach
Einsatzzweck Duroplaste (Epoxidharz
oder Polyesterharz) oder Thermoplaste
(Polyamid) verwendet.
Einsatzgebiete:
– Flugzeugindustrie (Segelflugzeuge)
– Bootsrümpfe
– Behälter und Rohre (chemische Industrie)
Abb. 13: Kühllagerung
Abb. 14: Prepregs für leichte, hochfeste Prothesen
Abb. 15: Prothesen
tu 152 / 2. Quartal 2014
33

tu: Sachinformationen
Werkstoffe
Abb. 16: Glasspar G2, 1953 – erste GFK-Karosserie
Der erste Einsatz von Kohlenfäden
liegt weit zurück. Thomas Alva Edison
erhielt im Jahre 1880 ein Patent auf die
erste elektrische Glühlampe, eine Kohlenfadenlampe,
die zur häuslichen Beleuchtung
eingesetzt werden konnte,
da sie genügend Licht spendete und
haltbar war. (Abb. 19 + 20)
Die Kohlenstofffäden wurden um 1890
durch Osmium-Glühfaden und 1910
durch Wolfram-Glühfaden verdrängt.
Aus Osmium und Wolfram entstand
1906 das noch heute bekannte Warenzeichen
„Osram“.
Kohlenstofffadenlampen gibt es sogar
heute noch. Kohlenstofffasern werden
seit ca. 1970 kommerziell hergestellt.
Abb. 17: Blattfeder aus GFK
Abb. 18: Schaltschrank aus GFK
– Fahrzeugteile in der Automobilindustrie
(Abb. 17)
– Windkraftrotorblätter im Energiesektor
– Schaltschränke (Elektrotechnik)
(Abb. 18)
2. Kohlenstofffaserverstärkte
Kunststoffe (CFK)
CFK zeichnet sich durch niedrige Dichte
(1,5 g/cm 3 ), hohe Festigkeit und
Steifigkeit und thermische Stabilität
(Unschmelzbarkeit) aus und wird im
Leichtbau eingesetzt.
Als Matrix kommen Duroplaste (Epoxidharze)
zum Einsatz.
Abb. 19: Kohlenfadenlampe
Abb. 20: Thomas Alva Edison
Einsatzgebiete:
– Automobilindustrie
Die Elektromobilität zwingt die Hersteller,
immer leichtere Fahrzeuge zu bauen,
um die Reichweite aufgrund der
Gewichtsreduktion zu erhöhen.
Beim BMW i3 z. B. wurde deshalb
die Fahrgastzelle komplett aus
CFK hergestellt. Für die Instrumententafel
und Verkleidungen der
Türen wurden Naturfasern verwendet.
(Abb. 21 + 22)
– Motorsport, z. B. in Formel-1-Monocoques
– Luftfahrtindustrie: Rumpf und Flügel
der Boeing 787 Dreamliner
– Windkraftrotorblätter (Abb. 23)
– Sportgeräte: Fahrradrahmen, ...
34 tu 152 / 2. Quartal 2014

Werkstoffe
tu: Sachinformationen
Abb. 21: CFK-Fahrgastzelle des BMW i3
Abb. 22: Das Elektrofahrzeug BMW i3
Abb. 23: Rotorblätter aus CFK
Abb. 24: Schutzausrüstung für Ordnungskräfte
3. Aramidfaserverstärkte
Kunststoffe (AFK)
Sie zeichnen sich durch ihre Leichtigkeit,
hohe Festigkeit, gute Energieaufnahme
aus und werden deshalb für
schwere Beanspruchungen bei geringem
Gewicht eingesetzt.
Für die Matrix können Duroplaste oder
Thermoplaste eingesetzt werden.
Einsatzgebiete:
– Beschuss- und stichhemmende
Schutzkleidung (Abb. 24)
– Transportbehältnisse für die Luftfracht
– Bootsrümpfe
– Baubranche: Verstärkung von Bauwerken
Faserverstärkte Metall-
Matrix-Verbundwerkstoffe
(MMC – Metall Matrix
Composites)
tu 152 / 2. Quartal 2014
Die moderne Werkstofftechnik versucht
mit Hilfe von MMC-Entwicklung,
die Schwächen der Leichtmetalle
aufzuheben. Um hohe thermische,
mechanische oder tribologische (reibungs-
und verschleißbezogene) Belastungen
auszuhalten, sind Verstärkungen
der Leichtmetalle nötig.
Abb. 25: C-Faser-verstärktes Magnesium
Faserverstärkungen werden deshalb
auch in Metall-Matrixen verwendet. Als
Matrixwerkstoffe dienen z. B. Aluminium,
Titan, Magnesium oder Kupfer.
Als verstärkende Kurz- oder Langfasern
kommen u. a. Kohlenstofffasern
oder Siliziumkarbidfasern zum Einsatz.
(Abb. 25 + 26)
Hinweis: 1 µm = 1/1000 mm
Abb. 26: Al2O3-Endlosfaser-verstärktes Al
Einsatzgebiete:
– Fahrzeugbau (Abb. 27)
– Flugzeugbau
– Wehrtechnik
35

tu: Sachinformationen
Werkstoffe
verleiht dem Verbundwerkstoff eine
große Härte. Die Kohlenstofffasern erhöhen
die Festigkeit und bringen die
für technische Anwendungen benötigte
Bruchzähigkeit ein. Sie machen
den keramischen Verbundwerkstoff
quasiduktil und bewirken so eine hohe
thermische und mechanische Belastbarkeit.“
3
Abb. 27: Al/SiC-Bremsscheiben (ICE)
Abb. 28: Carbon-Keramik-Bremsscheibe von
Porsche
Teilchenverbundwerkstoffe
In dieser Verbundwerkstoffgruppe werden
Teilchen als Verstärkungswerkstoff
in eine Matrix eingebracht.
Je nach benötigten Eigenschaften und
Einsatzort können die Eigenschaften
des Teilchenverbundwerkstoffes durch
die Größe der Teilchen und ihrer Verteilung
im Verbundwerkstoff angepasst
werden.
Abb. 29: ausgeklüfteltes Kühlungssystem
Faserverstärkte Keramik-
Matrix-Verbundwerkstoffe
(CMC – Ceramic Matrix
Composites)
Ein großer Nachteil von Keramik ist
die Sprödigkeit und fehlende Duktilität
(plastische Umformbarkeit). Dieser
Nachteil wird durch Faserverstärkungen
minimiert.
Wie weiter oben bereits beschrieben,
enden Risse am Ende der Faser, da
sie an der Matrix gestoppt werden.
Ebenfalls werden Risse in der Matrix
an der Faser gestoppt und abgelenkt,
der Riss wird angehalten.
Als Fasern können z. B. Kohlenstofffasern
verwendet werden. Aber auch
keramische Fasern sind möglich.
„Auf diese Weise wird häufig Siliziumkarbid
mit Eigenfasern bzw. mit
Kohlenstofffasern kombiniert. Die
Faserkeramik wurde zunächst in den
Hitzeschilden der Spaceshuttles verwendet.
Die Kacheln sollen ein Verglühen
beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre
verhindern. Der Werkstoff
wird heute unter anderem als Friktionswerkstoff
für Bremsscheiben sowie
für Reibbeläge von Magnetschwebebahnen
und Aufzügen verwendet.“ 2
Einsatzgebiete faserverstärkter
Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe:
– Raumfahrttechnik: z. B. Hitzeschutzsysteme
für Raumflugkörper
– Zugbremsscheiben
– Fahrzeug-Bremsscheiben, z. B.
Carbonfaserverstärkte Keramikbremsscheiben
des Porsche 911
(Abb. 28 + 29).
„Eine Besonderheit der Carbon-Keramik-Bremsscheiben
ist der keramische
Verbundwerkstoff. Sowohl
der Basiskörper der Carbon-Keramik-
Bremsscheiben als auch die beidseitig
aufgebrachten Reibschichten bestehen
aus kohlenstofffaserverstärk tem
Siliciumcarbid. Die Matrix dieses
Werkstoffs besteht aus Siliciumcarbid
(SiC) und elementarem Silicium (Si).
Die Verstärkung des Werkstoffs wird
durch Kohlenstofffasern (C) erreicht.
Siliciumcarbid, der eigenschaftsprägende
Hauptbestandteil der Matrix,
Hartmetalle
Eine der wichtigsten Gruppen unter
den Teilchenverbundwerkstoffen sind
die Hartmetalle. Beim Begriff Hartmetall
geht der Laie fälschlicherweise
davon aus, dass darunter die harten
Metalle zusammengefasst werden.
Hartmetalle sind aber verschleißfeste,
sehr harte und wärmefeste (unter 1000
°C) Verbundwerkstoffe. In ihnen kommen
Teilchen aus metallischen Hartstoffen
zum Einsatz, z. B. Wolframkarbidteilchen
in einer Cobaltmatrix.
Ein Kreissägeblatt aus Chrom-Vanadium
wird beim Sägen einer Spanplatte
schnell stumpf. Ein hartmetallbestücktes
Sägeblatt dagegen bleibt
auch nach vielen Schnitten noch
scharf. (Abb. 30 + 31)
Da Hartmetalle gesintert hergestellt
werden, ist darauf zu achten, dass das
hartmetallbestückte Sägeblatt beim
Sägeblattwechsel auf einer weichen
Unterlage abgelegt wird. Die Zähne
sind zwar sehr hart, aber spröde, so
dass diese bei Schlägen schnell kaputt
gehen, z. B. beim Ablegen auf metallischem
Untergrund.
2 Bozena, Arnold: Werkstofftechnik
für Wirtschaftsingenieure, Springer-
Verlag Berlin Heidelberg 2013, S. 298
3 http://www.sglgroup.com/cms/international/products/product-groups/cc/
carbon-ceramic-brake-disks/index.
html?__locale=de, Stand 23.05.2014
36 tu 152 / 2. Quartal 2014

Werkstoffe
tu: Sachinformationen
Polymerbeton ist korrosionsbeständig,
abriebfest, resistent gegen chemische
Einflüsse und UV-Licht, wasserdicht,
wetterfest, frostsicher, formstabil und
alterungsbeständig. Aufgrund seiner
schnellen Aushärtung (unter 24 h)
kommt es bei Bauteilsanierungen, z. B.
im Straßen- und Brückenbau, zu keinen
langwierigen Straßensperrungen.
Wegen seiner Stabilität können Bauteile
zudem dünner und mit weniger
Eigengewicht gefertigt werden.
Abb. 30 links und 31 rechts: Hartmetallbestücktes Kreissägeblatt mit Dehnungsschlitzen
Abb. 32: 5-Schneiden-Fräswerkzeug mit
Hartmetall-Wendeschneidplatten
tu 152 / 2. Quartal 2014
Hartmetalle kommen auch als Hartmetall-Wendeschneidplatten
für Drehund
Fräsmaschinen zum Einsatz.
(Abb. 32)
Polymerbeton
(PC = polymer concrete)
Die Matrix des Polymerbetons besteht
aus Kunststoff. Es werden z. B. Polyesterharze
verwendet. Hinzu kommen
die Teilchen, die aus natürlichen mineralischen
trockenen Rohstoffen bestehen:
z. B. körniger Granit, Basalt,
Quarzsand, Calciumcarbonat, Perlit,
Blähton.
Dieses Gemisch wird unausgehärtet in
Formen mittels Bewegung verdichtet
und mit Härtern und Beschleunigern
gebunden. (Abb. 33)
Abb. 33: Outdoor-Boulderwand aus Polymerbeton mit beidseitiger Kletterfläche
Auch Rinnen und Rohre werden aus
Polymerbeton gefertigt.
Da er Schwingungen gut dämpft, werden
auch Maschinengestelle aus ihm
gemacht.
(Wird fortgesetzt!)
Abbildungs- und Quellenangaben:
Abb. 1: http://old.gefuehrtes-lernen.at/_
www/media/files/Flash_Kap4/4.12-
Verbundwerkstoffe.swf Stand:
19.10.2011
Abb. 2: AVK – Industrievereinigung
Verstärkte Kunststoffe e. V.: Handbuch
Faserverbundkunststoffe/
Composites, Grundlagen, Verarbeitung,
Anwendungen, Springer Fachmedien
Wiesbaden, 4. Auflage, 2014,
S. 129, Abb. 60
Abb. 3: AVK, S. 130, Abb. 61
Abb. 4: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/71/
Cfaser_haarrp.jpg/800px-Cfaser_
haarrp.jpg, Stand 28.03.2014
Abb. 5: Aramid-Gewebe mit charakteristischer
goldgelber Farbe
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/
commons/thumb/6/63/TwaronSRM.
jpg/483px-TwaronSRM.jpg
Stand 28.03.2014
Abb. 6: AVK, S. 156, Abb. 83
Abb.: 7 AVK, S157 Abb. 84
Abb. 8: Bozena, Arnold, S. 293, Abb.
13_5
Abb. 9: Roving: http://upload.
wikimedia.org/wikipedia/de/
thumb/7/7e/Glasfaser_Roving_lang.
jpg/187px-Glasfaser_Roving_lang.jpg,
Stand: 01.04.2014
Abb. 10: Matte. AVK, S. 136, Abb. 70
Abb. 11: Gelege. http://m.lange-ritter.de/
uploads/pics/Faserverstaerkung_01.
jpg, Stand 01.04.2014
Abb. 12: Gewebe Kohlenstofffasergewebe
65 g/m² (Leinwand): http://
ezentrumbilder3.de/rg/bilder/A31.jpg,
Stand: 01.04.2014
37

tu: Sachinformationen
Werkstoffe
Abb. 13: Kühllagerung. http://img.
directindustry.de/images_di/
photo-g/epoxidharz-prepregsysteme-37685-2687215.jpg,
Stand: 01.04.2014
Abb. 14: Prepreg. http://csmres.co.uk/
cs.public.upd/article-images/
Umeco-pp-01511-D2_43713.jpg,
Stand: 01.04.2014
Abb. 15: Prepregs im Einsatz. http://csmres.co.uk/cs.public.upd/
article-images/Umeco-cropped_
Kelly_Heinrich.jpg, Stand: 01.04.2014
Abb. 16: http://www.automobilrevue.ch/
uploads/tx_adb/Glasspar.jpg,
Stand 09.04.2014
Abb. 17: Blattfeder aus GFK. http://www.
spiegel.de/fotostrecke/innovationenim-auto-hightech-aus-dem-laborfotostrecke-77335-2.html,
Stand 07.04.2014
Abb. 18: GFK-Schaltschrank. http://
www.hanning-kahl.de/fileadmin/_
processed_/csm_Schaltschrank-
1_95e63c0416.jpg, 01.04.2014
Abb. 19: Kohlenfadenlampe. http://upload.
wikimedia.org/wikipedia/commons/f/
f2/Gluehlampe_1881_Maxim.jpg,
Stand 07.04.2014
Abb. 20: Edison. http://upload.wikimedia.
org/wikipedia/commons/5/52/
Thomas_edison_glühbirne.jpg,
Stand 07.04.2014
Abb. 21: CFK Fahrgastzelle: http://www.
sglgroup.com/cms/international/
innovation/carbon-in-mobility/index.
html?__locale=de, Stand 07.04.2014
Abb. 22: BMW i3: http://www.bmw.de/
dam/brandBM/common/newvehicles/
i-series/i3/gallery/wallpaper-
1920x1200-1.jpg.
resource.1373895490968.jpg,
Stand 07.04.2014
Abb. 23: Rotorblätter: http://www.
business-on.de/dateien/bilder/bard_
rotorblatt12_2009.png,
Stand 07.04.2014
Abb. 24: Kevlar-Schutzkleidung: http://
s7d4.scene7.com/is/image/eidupont/
DPT_Photo_Law_Enforcement_
Protection_thumbnail_630x315?fit=str
etch,1&wid=465&hei=232,
Stand 07.04.2014
Abb. 25: C-Faser-verstärktes Magnesium:
http://www.empa.ch/plugin/
template/empa/*/22820/---/l=1,
Stand 08.04.2014
Abb. 26: Al2O3-Endlosfaser-verstärktes
Al: http://www.empa.ch/plugin/
template/empa/*/22820/---/l=1,
Stand 08.04.2014
Abb. 27: Al/SiC-Bremsscheiben (ICE):
http://www.empa.ch/plugin/template/
empa/*/22820/---/l=1,
Stand 08.04.2014
Abb. 28: Porsche Bremsscheibe: http://
www.bremsscheibe.info/wp-content/
uploads/2009/08/Porsche_PCCB.jpg,
Stand 07.04.2014
Abb. 29: Porsche Bremsscheibengrafik:
http://www.sglgroup.com/cms/_common/images/products/productgroups/bd/carbon-ceramic-brakedisks/Grafik_bd_d.jpg,
Stand 07.04.2014
Abb. 30: Hartmetallbestücktes Sägeblatt:
https://www.stabilo-fachmarkt.de/
images/produkte/i29/Kreissaegeblatt-
Hartmetall-700-x-4-2-mm-42-Zaehne-
Bohr_1.jpg, Stand 08.04.2014
Abb. 31: Sägezahnbestückung aus Hartmetall:
https://www.stabilo-fachmarkt.
de/images/produkte/cache/mi29/
Kreissaegeblatt-Hartmetall-700-x-4-2-
mm-42-Zaehne-Bohrun.jpg,
Stand 08.04.2014
Abb. 32: Wendeschneidplatten: http://
www.industrie-schweiz.ch/assets/
images/autogen/Sandvik-Coromant---
CoroPak-13.jpg, Stand 08.04.2014
Abb. 33: Polymerbeton: http://www.
erhard-sport.de/out/basic/3/pictures/
z1/70794_z1.jpg, Stand 08.04.2014
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tu: Sachinformationen
Allgemeine Technikwissenschaften
Technische Grundsachverhalte
Einführung in die Technikwissenschaft(en)
1. Teil
Von Helmuth Fies
Die technischen Teilwissenschaften/Ingenieurwissenschaften sind in ihren
Begrifflichkeiten, ihren Denkweisen und in ihrem Aufbau sehr unterschiedlich.
Dennoch handelt es sich jeweils um Theorie über Technik. Gerade vor
dem Hintergrund einer allgemeinen Technischen Bildung ist es wichtig,
das Verbindende, Gemeinsame all dieser unterschiedlichen Teilwissenschaften
zu kennen.
Die folgende Reihe von Beiträgen setzt sich besonders zum Ziel, diese
Gemeinsamkeiten herauszuarbeiten: Welche Begriffe, Denkweisen
und Strukturen sind für alle diese unterschiedlichen technischen
Teilwissenschaften grundlegend und gemeinsam?
Die Beiträge erscheinen posthum (Siehe tu 147).
Technikverständnis als
Grundlage des Technikunterrichts:
Wenn es im Technikunterricht darum
geht, den Bereich Technik aufzuklären
bzw. mit den Schülern/innen zu erschließen,
dann ist das nicht möglich,
ohne ein angemessenes Verständnis
dessen, was Technik ist und welche
Aspekte sie umfasst. Deshalb soll hier
zunächst geklärt werden, was wir unter
Technik verstehen wollen.
Es gibt sehr viele unterschiedliche Arten
des Verständnisses von Technik,
sowohl im Alltag als auch in der Literatur.
Diese unterscheiden sich einmal
in einer sehr grundsätzlichen Art und
Weise dadurch, dass man unter Technik
● einerseits ganz allgemein ein
zweckrationales Handeln versteht,
etwa wenn man von der Technik
des Dribbelns (Fußball), des Speerwerfens,
des Radfahrens, der Diskussionsleitung,
von Atemtechnik,
Meditationstechnik u. a. spricht. Bei
diesem Verständnis sind die Inhalte
und Objekte, auf die sich das Handeln
bezieht, beliebig.
● andererseits einen Inhalts- und
Handlungsbereich bezeichnet und
damit andeutet, dass es in der
Technik zwar um zweckrationales
Handeln geht, dieses sich aber auf
bestimmte Inhalte oder Objekte
bzw. Prozesse bezieht. Bei diesem
Verständnis geht es also um
das Planen, Herstellen, Gebrauchen,
Reparieren, Warten/Pflegen,
Recyceln ... von technischen Objekten,
von denen wir in unserem
Alltag ständig und überall umgeben
sind.
Wenn es um einen allgemein bildenden
Technikunterricht geht, dann
ist immer das zweite Verständnis von
Technik gemeint. Aber auch hier gibt
es wieder sehr unterschiedliche Definitionen
und Auffassungen. Manche
sind eher weit gefasst, indem sie auch
diejenigen Aspekte aufgreifen, die die
Beziehungen der Technik zu uns Menschen,
zu der jeweiligen Gesellschaft
und Kultur und zur umgebenden Umwelt
mit einschließen, andere sind eher
eng gefasst, indem sie solche Aspekte
nicht berücksichtigen.
Es bleibt also die Frage zu klären:
Was alles gehört zu dieser so bestimmten
Technik?
● die technischen Objekte?
● die Planung und die Konstruktion
dieser Objekte?
● die Verfahren zur Herstellung der
Objekte ... die Herstellungsprozesse
in den Betrieben?
● das Gebrauchen/Benutzen der
technischen Objekte?
● das Pflegen, Warten, Reparieren,
Verbessern, Instandsetzen, Optimieren
... technischer Objekte?
● das Entsorgen, Recyceln ... technischer
Objekte?
● die technischen Wissenschaften?
● die Vorgaben/Forderungen der
Gesellschaft (von Politik, Interessengruppen,
Umweltverbänden ...)
zur Veränderung/Umgestaltung/
Weiterentwicklung technischer Objekte?
● die Auswirkungen und Folgen der
Technik?
Will man alle Einflussfaktoren auf die
Gestaltung und den Umgang mit den
technischen Objekten mit erfassen,
dann sind alle diese verschiedenen
Aspekte Teil der Technik und repräsentieren
unterschiedliche Aspekte
unserer gesellschaftlich-technischen
Praxis.
In einem Schaubild könnte man den
Zusammenhang dieser verschiedenen
Aspekte folgendermaßen darstellen (in
Anlehnung an [2]):
Siehe die folgenden vier Grafiken.
Wie man sieht, haben sich, entsprechend
der vielen Teilgebiete und Teilaspekte
der Technik, im Laufe der Zeit
entsprechend viele unterschiedliche
Technikwissenschaften oder Ingenieurwissenschaften
heraus gebildet.
Und zwar zu dem Ziel, die bestehenden
unterschiedlichen technischen Systeme
möglichst exakt und umfassend
zu beschreiben und die Planung, Konstruktion,
Entwicklung und Herstellung
neuer technischer Systeme zu ermöglichen
und theoretisch zu untermauern.
Sie wurden also auf die Ausübung der
vielfältigen technischen Berufe hin entwickelt
und ausgebaut.
Diese Spezialisierung hat es mit sich
gebracht, dass die Begriffssysteme
und theoretischen Formen dieser
Technikwissenschaften extrem unter-
40 tu 152 / 2. Quartal 2014

Allgemeine Technikwissenschaften
tu: Sachinformationen
Die Teilaspekte der Technik, um die sich bestimmte technische Teilwissenschaften
bemühen, sollen hier nur kurz angedeutet werden.
Einige technische Teilwissenschaften rund um die Konstruktion der
Sachsysteme:
technischer Teildisziplinen bestimmte
Grundbegriffe und grundlegende Zusammenhänge,
die uns helfen, einen
Großteil der Technik theoretisch zu erschließen
und zu verstehen, ohne zu
Spezialisten werden zu müssen?
In den letzten Jahrzehnten hat sich
eine allgemeine Technikwissenschaft
(Allgemeine Technologie) herausgebildet,
die solche Grundbegriffe heraus
gearbeitet hat. Die wichtigsten davon
sind:
● Technisches System bzw. soziotechnisches
System (hier wird
das System mit seiner Umgebung
betrachtet)
Technische Systeme bzw. soziotechnische
Systeme können wieder unterteilt
werden in
● Sachsysteme und
● Handlungssysteme
● Die Aufgabe (bei Sachsystemen)
bzw. das Ziel (bei Handlungssystemen)
und die Funktion von technischen
Systemen
● Wirkprinzipien und Wirkungsgefüge
von Sachsystemen (Wirkprinzipien
und Wirkungsgefüge gibt es
bei Handlungssystemen nicht)
● Der Aufbau bzw. die Struktur von
technischen Systemen
● Die Eigenschaften von technischen
Systemen
Mit diesen wenigen Grundbegriffen
hat man eine geistige Ordnungsstruktur,
die alle wesentlichen Teilgebiete
der Technik umfasst und die man
gegebenenfalls weiter differenzieren
kann.
Teil 1: Technische Objekte –
Technische Sachsysteme
schiedlich sind, was dazu geführt hat,
dass sich heute Spezialisten unterschiedlicher
Teilgebiete oft nicht mehr
verständigen können.
Eine solche Situation ist aber für eine
allgemeine Technische Bildung
nicht akzeptabel!
Die Frage ist also: Gibt es angesichts
dieser Fülle und Unterschiedlichkeit
tu 152 / 2. Quartal 2014
1.1 Einteilung technischer
Objekte:
In der Technik sind verschiedene Einteilungen
für technische Objekte üblich:
a) Einteilung nach Phänomenbereichen:
z. B.: Mechanik, Optik, Pneumatik,
Hydraulik, Elektrotechnik, Opto-Elektronik,
Laser-Technik usw.
b) Einteilung nach Materialien:
z. B.: Holz-Technik, Metall-Technik,
Kunststoff-Technik, Halbleiter-Technik
usw.
c) Einteilung nach dem klassischen
Maschinenbegriff:
41

tu: Sachinformationen
Allgemeine Technikwissenschaften
Einige technische Teilwissenschaften rund um die Herstellung der
Sachsysteme:
Einige technische Teilwissenschaften rund um die Sachsysteme selbst:
Danach gilt:
● Maschine: Verbindung von Einzelteilen,
die eine zwangsläufige Bewegung
ausführen und nützliche
mechanische Arbeit verrichten oder
Energie umwandeln.
Beispiele: Bohrmaschine, Kraftfahrzeug,
Pumpe usw.
Dieser klassische Maschinenbegriff
wurde zur Zeit der Industrialisierung
in der Mitte des 19. Jahrhunderts gebildet,
als die Arbeitsmaschinen in
riesigen Maschinensälen aufgestellt
waren und von einer zentralen Dampfmaschine
über Transmissionen angetrieben
wurden (siehe [1]).
Von dieser Maschinendefinition ausgehend
wurde versucht, auch diejenigen
technischen Objekte zu definieren, die
nicht unter diesen Begriff fielen:
● Mechanismus: Eine Verbindung
von Einzelteilen, die zwangsläufige
Bewegungen ausführen.
Beispiele: verschiedene Arten von
Getrieben
● Aggregat/Apparat: Eine Verbindung
von Einzelteilen, die nützliche
Arbeit verrichten oder Energie umwandeln.
Beispiele: Düsen zur Ummantelung
von Drähten oder Geweben, Batterien
usw.
● Vorrichtung/Gerät: Verbindung
von Einzelteilen.
Beispiele: Vorrichtungen zum Bohren,
Sägen, Schleifen usw.
d) Einteilung nach gleichartigen Objektgruppen:
z. B.: Kraftfahrzeugtechnik, Schiffstechnik,
Bautechnik, Flugzeugtechnik,
Motorentechnik, Raketentechnik usw.
e) Einteilung nach den Funktionsklassen
der Technik [2]
Siehe Matrix auf nächster Seite.
Auf der linken Seite dieser Matrix findet
man die Grundkategorien dieser
Welt wieder, so wie sie in der Kybernetik
postuliert werden: Alle Phänomene
dieser Welt können entweder
als Materie, als Energie oder als Information
gekennzeichnet werden
([2], S. 112). Dabei kann man Materie
als alles verstehen, was Masse
besitzt und physikalischen Raum in
Anspruch nimmt. Energie wird verstanden
als die Fähigkeit, Arbeit (im
physikalischen Sinne) zu leisten, und
als Information wird jede Folge oder
Anordnung von Zeichen bezeichnet,
die mit bestimmten Häufigkeiten
auftreten, die mit einer bestimmten
Bedeutung versehen sind (werden
können) und die einen Empfänger zu
einem bestimmten Verhalten veranlassen
kann ([2], S. 112).
In der Kybernetik und in der Systemtheorie
spricht man nicht von Objekten,
sondern von Systemen und gibt damit
der Einsicht Ausdruck, dass es isolierte
Objekte nicht gibt, dass jedes Objekt
durch eine Reihe von Beziehungen
und Abhängigkeiten wechselseitig mit
seiner Umgebung/Umwelt verbunden
ist. Ein solches Objekt, dessen Beziehungen
zu seiner Umgebung mit in
42 tu 152 / 2. Quartal 2014

Allgemeine Technikwissenschaften
tu: Sachinformationen
die Betrachtung einbezogen werden,
nennt man ein System.
Es gibt nun verschiedene Ansätze,
diese Systeme zu betrachten und
zu beschreiben. Ein – gerade für die
Beschreibung technischer Systeme
– wichtiger Ansatz ist die Beschreibung
der Funktion eines Systems.
Als ersten Zugang zu diesem Begriff
sollen folgende Erläuterungen dienen:
Unter dem funktionalen Systemaspekt
betrachtet man nicht Dinge, sondern
Verhaltensweisen; man fragt nicht:
„Was ist dieses Ding?“, sondern: „Was
tut dieses Ding?“ Bei dieser Betrachtungsweise
sieht man also, ganz ähnlich
wie im Behaviorismus, völlig von
der inneren Beschaffenheit, vom Aufbau
des Systems ab. Man betrachtet
es einfach als „black box“ und interessiert
sich lediglich für dessen Verhalten.
Dies wird später noch ausführlich
beschrieben und behandelt, soll hier
nur insoweit fortgeführt werden, als
man bei der Bestimmung des Verhaltens
von Input-Output-Relationen
ausgeht: Man stimuliert sozusagen
das System durch eine bestimmte Eingabe
und beobachtet, wie das System
darauf reagiert. Die Funktion eines Systems
kann man also (vorläufig) auch
als Input-Output-Relation betrachten
([2], S. 54ff.).
1.2 Vernetzung technischer
Objekte mit ihrer technischen,
natürlichen und
sozialen Umgebung
➛ (sozio)technische Systeme
Die Vernetzung der technischen Objekte
(hier am Beispiel von Kraftfahrzeugen)
wird in der folgenden Abbildung
mit ihrer technischen, sozialen
und natürlichen Umgebung ausschnittsweise
dargestellt. Eine nähere
Analyse der Zusammenhänge würde
verdeutlichen, dass die Abhängigkeiten
zumeist nicht einseitig, sondern
wechselseitig sind.
Siehe ganzseitige Grafik Seite 44.
1.3 Hierarchische Betrachtung
technischer Systeme [2]
tu 152 / 2. Quartal 2014
Einteilung nach den Funktionsklassen der Technik
Wenn wir davon ausgehen, dass unsere
Welt „eins“ ist, dann ist die Abgrenzung
bestimmter Anteile davon ein
künstlicher Akt, der für uns Menschen
der besseren Orientierung, Beschreibung
dient, weil dadurch die Komplexität
der Welt reduziert wird.
Ein Beispiel: Wir sehen normalerweise
(im unreflektierten Alltagsverständnis)
einen Vogel als ein „Ding“ an, das sich
recht unabhängig von seiner Umwelt
bewegen kann, unabhängiger als wir
Menschen. Wir wissen, ein Vogel ist
kein Wurm, keine Luft, kein Baum,
nicht die Sonne usw. Bei genauerer
Betrachtung ist diese Abgrenzung in
verschiedene „Dinge“ aber eine sehr
oberflächliche Sichtweise, da ein Vogel
zwar kein Wurm ist, den Wurm aber
als Nahrung benötigt. Der Vogel ist
auch etwas anderes als die Luft, aber
wie hätten Vögel in der Evolution ohne
Luft entstehen können, anders ausgedrückt:
Was ist ein Vogel ohne Luft?,
usw. Diese Betrachtungsweise stellt
die Abhängigkeiten und Beziehungen
der verschiedenen „Dinge“ in den
Vordergrund und zeigt auf, dass die
Dinge z. T. als eigenständig und unabhängig,
zu einem anderen Teil aber als
verwoben, unmittelbar abhängig und
aufeinander bezogen erscheinen. In
der Sprachwissenschaft taucht dieser
Zusammenhang als Kontext auf, was
meint, dass ein Ausdruck oder eine Äußerung
ihre Bedeutung erst in einem
sprachlichen bzw. außersprachlichen
Zusammenhang bekommt. Der Kontext,
in dem eine Äußerung gemacht
wird, bestimmt ihre eigentliche Bedeutung,
d. h. eine isolierte Äußerung hat
keinen Sinn.
Diese Beziehung der „Dinge“ zu ihrer
„Umwelt“ gilt erstaunlicherweise auf
allen Ebenen. So kann man z. B. das
Herz des Vogels von anderen Körperteilen
unterscheiden, dennoch ist das
Herz allein „nichts“. Auch die Teile des
Herzens sind von ihrer Umgebung
analytisch abgrenzbar, jedoch real
nicht zu trennen.
Auf allen Ebenen kann man also analytisch
Teile aus einem Ganzen herauslösen
und separat betrachten. Vergisst
man aber dabei die Beziehungen
zur nächsthöheren Ebene oder zum
Ganzen, dann erscheinen diese Teile
seltsam isoliert und sinnlos. Nur im Zusammenhang
des Ganzen erhalten sie
jeweils ihren Sinn und ihre Bedeutung.
Diese allgemeinen Zusammenhänge
gelten auch für technische Systeme.
Die folgende Abbildung zeigt, wie man
auf verschiedenen Hierarchieebenen
Teilsysteme von ihrer Umgebung analytisch
abtrennen kann. Man spricht
dabei von der Systemhierarchie in
der Technik.
● Eine Hierarchie von technischen
Systemen ist ein mehrstufiges Gefüge
ineinander verschachtelter
technischer Gebilde verschiedenen
Ranges. Auf der niedrigsten Stufe
spricht man von Elementen. Diese
werden von den elementaren technischen
Bauteilen gebildet: z. B.
Zahnräder, Wellen, Transistoren,
Widerstände, Relais, Balken, Lager
usw. Die Gebilde der nächsthöheren
Stufe der Hierarchie kommen
jeweils dadurch zustande, dass die
43

tu: Sachinformationen
Allgemeine Technikwissenschaften
Vernetzung technischer Objekte mit ihrer technischen, natürlichen und sozialen Umgebung ➛ (sozio)technische Systeme
44 tu 152 / 2. Quartal 2014

Allgemeine Technikwissenschaften
tu: Sachinformationen
Objekte der darunterliegenden Stufe
sinnvoll (in Bezug auf die Lösung
einer Teil-Aufgabe) miteinander
verknüpft werden.
● Jede Stufe ist in eine übergreifende
eingebettet. Die Systemgrenzen
können je nach Sichtweise oder
Problemlage verändert werden.
● Je weiter die Systemgrenzen nach
außen geschoben werden, desto
stärker werden die sozialen und
ökologischen Aspekte sichtbar.
Z. B. kommt erst bei der Stufe der
Werkzeugmaschine die ergonomische
(an den arbeitenden Menschen
angepasste) Gestaltung des
Arbeitsplatzes und die Arbeitsumgebung
in den Blick, die Organisationsformen
der Arbeit erst beim
Maschinenkomplex bzw. bei der
Gesamt-Fertigung und die sozioökonomischen
Bedingungen der
Fertigung (z. B. Arbeitsmarkt, Absatzmarkt,
Beschaffungsmarkt, Kapitalmarkt,
Konkurrenzsituation des
Betriebs usw.) erst auf der Ebene
des Betriebs.
● Bei der Betrachtung der einzelnen
Ebenen der Systemhierarchie ist es
wichtig zu wissen, welche Aspekte
man dabei ausblendet bzw. nicht
berücksichtigt.
Fortsetzung folgt
Literatur:
(gilt auch für die Folgebeiträge)
[1] Henseler/Wollrad: Maschine, lehrerhandbücherei
technik, band 1, verlag
barbara franzbecker, 1984
[2] Ropohl, Günter: Eine Systemtheorie
der Technik, Zur Grundlegung der Allgemeinen
Technologie, Carl Hanser
Verlag, München, Wien, 1979, 3.Aufl.
Edition Karlsruhe 2009 unter: Allgemeine
Technologie: Eine Systemtheorie
der Technik als Volltext abrufbar:
http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/
volltexte/1000011529
[3] Wiesenfarth, Gerhard: Produktplanung
und –gestaltung – eine Einführung;
Seminarskript PH Freiburg
[4] Wolffgramm, Horst: Technische
Systeme, Teil 1, Verlag Franzbecker,
Hildesheim, 1998.
[5] Wolffgramm, Horst: Technische
Systeme, Teil 2, Verlag Franzbecker,
Hildesheim, 1998.
tu 152 / 2. Quartal 2014
45

tu: Sachinformationen
Allgemeine Technikwissenschaften
[6] Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau,
Springer Verlag, 1997, 23.
Aufl. 20011
[7] Sachs, Burkhard: Materialien zur
Produktionstechnik, Seminarskript PH
Freiburg
[8] Sachs, Burkhard:Materialien zur
Maschinentechnik, Seminarskript PH
Freiburg
[9] Technisches Grundwissen für Lehrer,
Allgemeine technische Grundlagen,
Volk und Wissen, 1973
[10] Tuchel, Klaus: Herausforderung der
Technik, Schünemann, 1967
[11] Becks, Rolf; Ropohl, Günter: Produktion,
Franzbecker, 1984
[12] Conrad, Peter; Schiemann, Hubert;
Vömel, Paul G.: Erfolg durch methodisches
Konstruieren, Lexika, 1977,
Expert 1984
[13] Hansen, Friedrich: Konstruktionssystematik,
VEB, 1968
[14] VDI (Hrsg): Systematische Produktplanung,
VDI–Verlag, 1983
[15 ] Hintzen, Hans; Laufenberg, Hans;
Kurz, Ulrich: Konstruieren, Gestalten,
Entwerfen, Vieweg, 2000, 4. Aufl.
2009
[16] Schlottmann, Dietrich: (Hrsg.),
Konstruktionslehre, Grundlagen, VEB
1977, Springer 1983
[17] Benda, Dietmar: Basiswissen Elektronik,
Band 8: Nachrichtentechnik, VDE
Verlag,1988, 4. Aufl. 1998
[18] Köhler, Werner M.: Relais, Grundlagen,
Bauformen und Schaltungstechnik,
Franzis Verlag, 1978, 1988
[19] Sachs, Burkard: Zum Verhältnis von
Naturwissenschaften und Technik in
Realität und Schule, tu Nr. 41 1986
[20] Hausen, Karin; Rürup, Reinhard:
Moderne Technikgeschichte, Kiepenheuer
und Witsch, 1975
[21] Paturi, Felix R.: Chronik der Technik,
Chronik, 1989, 1998
[22] Wiendahl, H.-P.: Betriebsorganisation
für Ingenieure, Hanser, 1986, 7. Aufl.
2009
[23] Meins, Wolfgang: (Hrsg.), Handbuch
der Fertigungs- und Betriebstechnik,
Vieweg, 1989
[24] Technologie für Metallberufe, Grundlagen,
Schroedel, 1994
[25] Ropohl, Günter: Wie die Technik zur
Vernunft kommt, Band 3, GtB Verlag
Fakultas, 1998
[26] Friedrich: Tabellenbuch Metall- und
Maschinentechnik, Dümmler Verlag,
1988, 2008
[27] Wolffgramm,Horst: Allgemeine
Technologie, VEB Fachbuchverlag,
Leipzig, 1978
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