Ludwig-Thoma-Gymnasium Prien

Kerninformationen

Zukunftsthema: Mission2Mars
Jahrgangsstufen: 8
Beteiligte Fächer: B, C, Ph

Kontakt

Ludwig-Thoma-Gymnasium Prien
Seestr. 25
83209 Prien
Telefon: +49(0)8051/964040
www.ltgprien.de

Beteiligte Projektlehrkräfte

Thomas Gerl, Ernst Hollweck, Karin Broll, Rainer Hoff, Rainer Kling, Christiane Markreiter, Kristina Reicheneder, Johannes Almer

Beteiligte Fächer

Thematischer Überblick

Grundidee für das Projekt Mission2Mars ist die von der NASA geplante Reise eines bemannten Raumschiffes zum Mars bis zum Jahr 2035. Neben den zu erwartenden wissenschaftlichen und methodischen Erkenntnissen stehen auch notwendige Hightech-Innovationen der Raumfahrttechnik im Fokus des Interesses. Der Gedanke eines Aufbruchs ins Weltall weckt den dem Menschen innewohnenden Pioniergeist und motiviert die Schüler sich an dem Projekt aktiv zu beteiligen.

Entdeckerlust und Forschertrieb, Hightech und wissenschaftliche Herausforderung bilden einen besonders gut geeigneten Rahmen für ein an den Fachlehrplänen orientiertes, interdisziplinäres Projekt der Fächer Biologie, Chemie und Physik in der Jahrgangsstufe 8.

Den Rahmen für Mission2Mars bilden die Auftakt- und die Abschlussveranstaltung, in denen Schülern das Thema anschaulich vorgestellt wird. Während des Schuljahres leisten die beteiligten Fächer unterschiedliche Beiträge zur Planung einer bemannten Marsmission.

Die einzelnen Unterrichtseinheiten werden über das gesamte Schuljahr hinweg verteilt. Die Unterrichtsstunden wurden in den normalen Stundenplan eingebettet und durch gemeinsame Veranstaltungen ergänzt.

Die Profilstunden der 8. Klassen des NTG werden als Doppelstunden in den Stundenplan integriert. Dies ermöglicht zum einen, auch größere Forschungsvorhaben mit einer Gruppe anzugehen. Zum anderen können die betroffenen Physik- und Chemielehrer auch fächerübergreifende Themen in der Doppelstunde im Rahmen einer Teamteaching-Stunde im gesamten Klassenverband erarbeiten.

Materialien

Biologie

Was hat das Fach Biologie mit einer Marsmission zu tun? Auf den ersten Blick erschließt sich dieser Zusammenhang nur schwer. Wenn man sich jedoch vergegenwärtigt, wie lang ein Flug zum Mars dauert, trifft man schnell auf entsprechende Fragestellungen: Was essen die Astronauten? Können Lebensmittel in ausreichender Menge mitgenommen werden? Welche Lebensmittel eignen sich?

Ein zentraler Themenbereich im Lehrplan der 8. Jahrgangsstufe sind die Kennzeichen der Lebewesen sowie der Aufbau prokayotischer Lebewesen, ihre Stoffwechselleistungen und damit auch ihre Bedeutung für den Menschen. Diese vielfältigen Aspekte sollen in den dargestellten Unterrichtseinheiten in den motivierenden Kontext einer Mars Mission eingebettet werden.

Modul „Leben auf dem Mars“

Durch die Landung des Mars-Rovers „Curiosity“ im Sommer 2012 auf dem Mars erhielt die Suche nach extraterrestrischem Leben wieder neue Aufmerksamkeit. Demensprechend groß war und ist das Interesse an außerirdischen Lebensformen in der Bevölkerung und natürlich auch bei Schülern. Diese intrinsische Motivation soll in der Unterrichtseinheit genutzt werden, die sich fächerübergreifend (B, C) mit Kennzeichen von Lebewesen beschäftigt.

MODUL „Bakterien als Nahrungsquelle“

Um die Lebensfunktionen der Astronauten über einen langen Zeitraum aufrechterhalten zu können, müssen sie sich entsprechend ernähren. Zum einen können konservierte Lebensmittel von der Erde mitgenommen werden, zum anderen könnte die Nahrung direkt auf dem Flug selbst hergestellt und so Gewicht und Platz gespart werden.
Um energiereiche Nahrungsmittel während des Fluges zu erzeugen, ist es erforderlich mit Hilfe von Sonnenlicht energiearme Verbindungen in energiereiche Nahrungsmittel durch Fotosynthese autotropher Lebewesen umzuwandeln. Als Nahrungsquelle kämen z.B. Sojabohnen oder fotosynthetisch aktive Spirulina-Bakterien in Frage, die vom afrikanischen Volk der Kanembu oder den südamerikanischen Azteken als Nahrungsquelle genutzt wurden.
Diese Unterrichtseinheit befasst sich umfassend mit dem Lehrplanthema „Bakterien“ und ihrer Relevanz für die geplante Marsmission.

Modul „Terraforming“

Für die Besiedelung des Mars wird es von entscheidender Bedeutung sein, dass die Lebensbedingungen auf dem roten Planeten so umgestaltet werden, dass Menschen auf seiner Oberfläche dauerhaft überleben können. Hierfür gibt es bereits umfangreiche Pläne. In wieweit diese Pläne technisch umsetzbar und auch wünschenswert sind, ist umstritten. Diese offene Diskussion soll auch die Quintessenz der geplanten Stunde sein und die Schüler mit dem Wissen nach Hause gehen, dass die Datenlage in diesem Bereich noch sehr unsicher ist.

Chemie

Das Fach Chemie startet in der 8. Jahrgangsstufe. Im ersten Lernjahr beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit grundsätzlichen Eigenschaften von Stoffen. Und genau durch diese Grundsätzlichkeit lässt sich vortrefflich über eine Marsmission diskutieren: Welche Materialien sind für den Bau eines Raumschiffs geeignet? Wie untersucht man Stoffe und Stoffgemische, die man auf dem Mars findet? Wie funktioniert Trinkwasserrecycling an Bord einer Raumstation?

So leistet das Fach Chemie einen wertvollen Beitrag zum Verständnis einer Mission2Mars.

MODUL „Reinstoffe – Materialien zum Raumschiffbau“

In dieser projektorientierten Unterrichtseinheit geht es um die Bewertung der Einsatzmöglichkeit verschiedener Reinstoffe bei dem Bau eines Raumschiffes für eine Marsmission. Dabei müssen die Schülerinnen und Schüler eine genaue Problemanalyse erstellen, dazu eigene Experimente planen, durchführen und dokumentieren. Das Lehrplanthema zu Stoffeigenschaften und Reinstoffen wird hier in den Kontext der Marsmission gestellt und bietet so einen motivierenden Rahmen für die Anfängerchemie.

Modul „Stofftrennung – Elemente und Verbindungen auf dem Mars“

„Curiosity“ meldet eine aufsehenerregende Entdeckung auf dem Mars: ein ausgetrocknetes Flussbett und vom Wasser geformte Kiesel. Diese Meldung dient als Aufhänger für eine Unterrichtseinheit zur Stofftrennung: Schüler analysieren eine „Marsflüssigkeit“, ein Gemisch aus Wasser, Natriumchlorid und Eisen(III)-oxid. Zusätzlich wird eine Siedepunktbestimmung von Wasser im Vergleich zu einer Kochsalzlösung durchgeführt.

Modul „Wasser – Trinkwasser auf der Raumstation – Elemente und Verbindungen auf dem Mars“

Ein Zeitungsbericht“ Die neue Wasseraufbereitungsanlage der Nasa“ bildet die Grundlage für den Forschungsauftrag der Schüler: „Stelle aus Urin Trinkwasser her“!
Diese Aufgabe, die letztlich auf die Trennmethode der Destillation abzielt, ist nur eine der vielfältigen Schülerübungen in dieser Unterrichtseinheit zum Thema „Wasser“.

Modul „Latentwärmespeicher – Temperaturkontrolle des Marsrovers“

Die dünne Marsatmosphäre kann nur wenig Sonnenwärme speichern, daher sind die Temperaturunterschiede auf der Oberfläche sehr groß. Die Elektronik des Rovers funktioniert jedoch nur in einem Temperaturbereich von −40 bis +40 Grad Celsius. Deshalb sind die wichtigsten Teile wie Batterien, Elektronik und Computer innerhalb des Rovers in einer isolierten Box eingepackt, die Warm Electronics Box (WEB). Das im Chemie- und Physikunterricht erworbene Wissen zu den Aggregatzuständen, den Änderungen der Aggregatzustände und dem Teilchenmodell wird in dieser Schülerübung genutzt. Im Kontext einer Marsmission sollen die Schülerinnen und Schüler den Stoff Natriumthiosulfat-Pentahydrat auf seine Eignung als Wärmespeicher in einem Marsrover testen.

Physik

Das größte Lehrplanthema im Physikunterricht der 8. Klasse ist der Energiebegriff. Dementsprechend beziehen sich die meisten Unterrichtseinheiten auf diesen Bereich, ist er doch auch von zentraler Bedeutung bei der Marsmission.

Welche Energieumwandlungen sind relevant? Beim Raketenstart und bei der Raketenlandung? Bei der Benutzung des Marsrovers? Wie kann Energie für die Astronauten und für deren Forschung bereitgestellt werden? Die angegebenen Unterrichtseinheiten geben die Antwort.

Modul „Dokumentieren – Eichen von Messinstrumenten“

In diesem Modul üben die Schülerinnen und Schüler grundsätzliche Methoden der Naturwissenschaften: Messen und Eichen. Sie bearbeiten kompetenzorientierte Aufgabenstellungen wie z. B.: „Ihr seid auf der Marsstation, doch leider ist auf den Alkoholthermometern nach der langen Reise die Beschriftung unleserlich geworden.
Versucht mit den zur Verfügung stehenden Materialien das Alkoholthermometer zu eichen.“

Modul „Energieformen – Einführung der Arbeit“

Das Thema Energie ist der fundamentale Lehrplaninhalt in der 8.ten Jahrgangsstufe. Der Begriff der Arbeit wird anhand einer Partnerarbeit und dem Physikbuch erarbeitet und gleichzeitig mit motivierenden Beispielen aus der Raumfahrt gesichert.

Modul „Energiespeicher“

Die Schülerinnen und Schüler sollen erkennen, welche Energiespeicher für die verschiedenen Bereich einer bemannten Raumfahrt zum Mars besonders geeignet sind und wie diese eingesetzt werden können.
Das Ziel dieser Unterrichtssequenz ist, verschiedene, auch technische Aspekte der Energiespeicherung zu betrachten und diese an ausgewählten Beispielen zu vertiefen. Es steht immer wieder der Bezug zur „Mission2Mars“ im Vordergrund, wobei die Schülerinnen und Schüler auch vergleichen können, wie Ingenieure des NASA-Mars-Rovers „Curiosity“ im Sommer und Herbst 2012 ihre Energieprobleme lösten

Modul „Kältemischungen – Leben auf dem Mars“

Die Wärmelehre beinhaltet das Thema Temperatur auf makroskopischer und mikroskopischer Ebene. Insbesondere Kältemischungen bieten die Möglichkeit, sowohl potentielle als auch kinetische Energie im Teilchenmodell für die innere Energie als Beschreibung zu benutzen.
Die Schüler können anhand des Dossiers Leben unter Null gleichzeitig Strategien im Tierreich erlernen und daraus eigenständig Versuche entwickeln.

Modul „Radionuklidbatterie“

Die Marsmission wurde nach den Erfahrungen mit den Vorgängermissionen (z.B. Beagle) wieder mit einer Radionuklidbatterie anstelle von Solarzellen für die Energieversorgung ausgestattet. Diese unabhängige Energieversorgung bringt zahlreiche technische Fortschritte und ist vom Prinzip her den Schülern aus mobilen Campingkühlschränken vertraut.

Präsentation zum Peltier-Element

Modul „Energieberechnungen und Energieumwandlungen“

Das Ziel dieser Unterrichtseinheit soll sein, einen Baustein zu liefern, mit dem auch die mathematischen Fähigkeiten der Schülerinnen und Schüler gefestigt werden können. Dabei werden Aufgabenbeispiele gewählt, die dem Umfeld der „Mission2Mars“ entnommen sind. Konkret geht es meist um ein Marsgefährt, das sich auf der Marsoberfläche bewegen soll und dabei Energieumwandlungen an sich oder anderen Gegenständen vornimmt. Dabei können die Schülerinnen und Schüler immer wieder Bezug nehmen auf die auch in der Presse präsente Mission des NASA-Mars-Rovers „Curiosity“ im Sommer und Herbst 2012.

Modul „Energieumwandlung“

Zu Beginn des Schuljahrs lernen die Schüler die abstrakte Größe Energie kennen, obwohl damit Beschreibungen alltäglicher Situationen einfach ist. In diesem Modul erlernen die Schüler den Energiebegriff experimentell und können dabei Sprache und erste Anwendungen wie Energieflussdiagramme einüben. Zugleich bieten die Experimente wie der Kneteschmied einen Einbilick in die Herausforderungen einer Marsmission, wie in diesem Beispiel etwa bei der Landung.

Modul „Selbsterstellte Schülerübungen – Mechanische Energien“

Dieser Artikel beschreibt wie man Schülerinnen und Schülern der 8. Jahrgangsstufe eine Schülerübung aus dem Themenbereich mechanische Energien selbst entwickeln lassen kann. Dabei schließt sich an die Entwicklung auch eine Erprobung an, deren Erfolg oder Misserfolg die Schülerinnen und Schüler zurückgemeldet bekommen.

Modul „Voltasäule“

Entdeckergeist ist universell und schon Volta konnte nach einem bionischen Vorbild die erste Batterie erstellen. Auch eine Marsmission ist im hohen Maß abhängig von einer ausreichenden Versorgung mit Energie. Die Schüler entwickeln à la McGyver eine einfache Energieversorgung und sichern somit das Weiterbestehen einer Marskolonie.

Fächerübergreifend

Fächerübergreifender Unterricht ist ein zentrales Element von HoriZONTec. In zwei Modulen zu den Themen „Mikrobiologische Brennstoffzelle“ und „Teilchenmodell“ werden die naturwissenschaftlichen Fächer Biologie, Chemie und Physik besonders eng verknüpft.

Modul „Mikrobiologische Brennstoffzelle“

Energieversorgung ist das Problem bei einer Marsmission, nicht nur für unsere geliebten elektrischen Anhängsel, auch der Homo sapiens selbst benötigt Energie. Die mikrobiologische Brennstoffzelle erzeugt einerseits Energie und andererseits die für uns benötigte Biomasse. Schüler lernen in diesem Experiment die Herausforderungen einer regenerativen Energieerzeugung und einen Einblick in fächerübergreifenden Forschens.

Auftaktvideo

Modul „Teilchenmodell und Marsatmosphäre“

Die Schüler sollen erstmals die äußeren Bedingungen der Marsatmosphäre (Temperatur, Druck, Zusammensetzung) kennen lernen. Dabei sehen sie, dass eine direkte Bewohnbarkeit des Mars für höher entwickelte Lebensformen so nicht gegeben ist. Erst ein langwieriger „Terraforming“‐Prozess könnte die Bedingungen verbessern helfen. Gleichzeitig erkennen die Schüler, welche technischen Herausforderungen der Aufbau einer Marsstation hätte.

Auftaktveranstaltung

Die Idee einer gemeinsamen Auftaktveranstaltung zum Projekt „Mission2Mars“ für die beiden beteiligten 8. Klassen verfolgt das Ziel, die Schüler zunächst auf die Thematik einer bemannten Marsmission einzustimmen und für die geplanten Unterrichtseinheiten zu dieser Thematik zu motivieren.

Aktuellen Bezug lieferte die Landung des Mars-Rovers „Curiosity“, so dass auf Bild- und Nachrichtenmaterial zurückgegriffen werden kann.

Der Mars bietet durch seine äußeren Bedingungen von den Planeten unseres Sonnensystems die besten Voraussetzungen für die Entstehung von Leben und die Entfernung zur Erde lässt auch die Vorstellung einer bemannten Raumfahrt nach heutigen Maßstäben der Technik zu. Aus diesem übergeordneten Ziel – der Untersuchung, ob es auf dem Mars Leben gab oder gibt, bzw. ob er in der Lage ist Leben zu beherbergen – leiten sich u.a. einige konkrete wissenschaftliche Ziel ab:

  • Entdeckung/Erforschung kohlenstoffhaltiger organischer Verbindungen
  • Untersuchungen zu chemischen Elementen, die als Grundbausteine des Lebens gelten (Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel)
  • Auftreten und Verteilung von Wasser und Kohlenstoffdioxid
  • Analyse der Zusammensetzung der Marsatmosphäre
  • Untersuchung der Möglichkeit zur Fortbewegung auf dem Mars
  • technologische Voraussetzungen zur Landung von größeren Rovern auf dem Mars

Neben diesen technologisch-wissenschaftlichen Zielen einer Marsmission stehen auch noch weitere grundsätzliche Fragen und Probleme einer bemannten Raumfahrtmission, wie die Finanzierung oder logistische und medizinische Herausforderungen. Ein Teil dieser Fragen sollte neben der Vorstellung wichtiger Rahmenbedingungen für das Schulprojekt an sich, Inhalt der Auftaktveranstaltung sein.

Video zum Veranstaltungsbeginn

Video am Veranstaltungsende

Weihnachtsvorlesung

Die Idee einer gemeinsamen Weihnachtsveranstaltung aller beteiligten Klassen und Lehrer verfolgt das Ziel, den Schülerinnen und Schülern ein Motivationserlebnis durch spannende Experimente zu geben.

Projektwoche

Sowohl die Luft- als auch die Raumfahrt sind und waren treibende Kräfte der Innovationen des letzten und dieses Jahrhunderts. Die pure Dimension der Strecken, der nötigen Kräfte und Energien sowie die vollkommen veränderten äußeren Bedingungen außerhalb der Erdatmosphäre und der Mikrogravitation (Schwerelosigkeit) stellten dabei große Herausforderungen an die Wissenschaft. Erst die Entwicklung vieler neuer Techniken machte es dann möglich, bemannte wie unbemannte Raumfahrzeuge in das Weltall zu schießen.

Das Deutsche Museum München gibt dazu einen kleinen, aber gelungenen Einblick mit Exponaten aus verschiedenen Entwicklungsständen.

Abschlussveranstaltung

Ziel der Abschlussveranstaltung ist es, den Schüler und Schülerinnen die Gelegenheit zu geben, am Ende der Marsmission die Ergebnisse zu resümieren, zu reflektieren und in Zusammenhang mit den eigenen Fragen aus der Auftaktveranstaltung zu setzen. Ferner ist es wichtig, die SuS für die Übertragbarkeit der Problemstellungen und -lösungen der M2M auf die zukünftigen Herausforderungen hier auf unserem blauen Planeten zu sensibilisieren. Exemplarisch sei die Problematik der zukünftigen Energieversorgung erwähnt. Schließlich sollte das Missionsjahr einen runden Abschluss für alle beteiligten SuS und Lehrkräfte erhalten.

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