Projektvorstellung jugend forscht

Pankreaskrebs wird häufig erst spät diagnostiziert und endet in 9 % der Fälle tödlich. Doch der Krankheitsverlauf ist nicht immer gleich: Patient*innen lassen sich grob in zwei Gruppen teilen, deren Verlauf sich um etwa 2 Jahre unterscheidet. Schuld daran könnte ein körpereigenes Protein sein, das PD-L1, welches der Tumor bei Patient*innen der einen Gruppe vermehrt aufweist. Das Protein dient normalerweise dem Schutz der eigenen Zellen vor dem eigenen Immunsystem. Tumoren mit diesem Protein auf der Zellmembran können sich also als körpereigene Zellen "tarnen" und so die Immunantwort herauszögern. Diese Arbeit hat sich zum Ziel gesetzt, in vitro an Pankreaskarzinomzellen zu untersuchen, welche Bedeutung das nur bei einem Teil der Erkrankten auf der Tumormembran auftretende Protein PD-L1 für die Immunabwehr tatsächlich hat. Tumoren beider Patient*innengruppen wurden verglichen sowie eine mögliche Blockadestrategie der Proteinproduktion entwickelt.

Da Mikroplastik sehr klein ist, fällt es Wissenschaftler*innen schwer, Lösungen zu finden, wie man es aus der Umwelt entfernen kann. Bei meinem Projekt möchte ich mithilfe von Öl, Eisenpulver und einem Stabmagneten die Mikroplastikteilchen aus dem Wasser herausfiltern. Öl zieht Plastik an, und durch das Hinzugeben von Eisenpulver entsteht ein ferromagnetischer Stoff. Daraufhin kann man mit einem Stabmagneten die Mikroplastikteilchen aus dem Wasser entfernen. Welche Plastikarten lassen sich am besten herausfiltern? Welche nicht? Welche Rolle spielt das Öl? Diese und weitere Fragen werde ich am Ende meines Projektes beantworten.

In unserem Projekt arbeiten wir mit dem Team CURE, einem Verein der DHBW Mannheim zusammen. Team CURE nimmt an der "Formula Student" teil, einem Wettbewerb, in dem ein eigenes Fahrzeug konzipiert und gebaut werden muss und in verschiedenen Disziplinen, wie zum Beispiel dem autonomen Fahren, gegen Fahrzeuge anderer Teams antritt. Unsere Aufgabe ist es, ein schon bestehendes autonomes System eines Fahrzeuges um einen Lidar-Sensor zu erweitern. Es muss zuerst ein geeignetes Lidar-Modell ausgewählt und eine optimale Befestigung am Fahrzeug untersucht werden. Anschließend müssen verschiedene Schritte der Datenverarbeitung vorgenommen werden, um eine Wahrnehmung der Umgebung in Echtzeit zu ermöglichen. Zu diesen Schritten gehören etwa das Trimmen des Sichtfeldes, sowie die Bodenfilterung und die Cluster-Erkennung und Validierung.

Unsere Projektidee ist, die Wasseranalyse und Qualitätsprüfung mithilfe digitaler Messtechnik am Beispiel einer Hydrokulturanlage durchzuführen und die Messdaten über verschiedene Sensoren zu erfassen, auszuwerten und digital auszugeben. Unser Endziel ist, die Anlage weitestgehend zu automatisieren. Dadurch stellt sich uns die Frage, wie wir die benötigten Daten möglichst genau erfassen und auswerten können und wie wir anhand dieser Daten ein autonomes System schaffen können, welches möglichst effektiv auf Probleme reagiert und einen möglichst hohen Ertrag in der Hydrokultur erzielt.

Fledermäuse und Delfine können mit hochfrequenten Lauten über deren Echos ihre Umgebung wahrnehmen. Dieses biologische Phänomen wurde bereits in Form des Sonars in die Schifffahrt sowie als Ultraschallsensor in vielfältige Anwendungsbereiche übertragen. Ziel dieses Projekts ist es, mit dem Prinzip der Echoortung einen Sensor zu entwickeln, dem es gelingen soll, einen unbekannten Raum lediglich aus seinen Echos zu erschließen. Dazu wird ein Chirp mit einem Lautsprecher abgespielt und mit mehreren Mikrofonen aufgenommen. Mithilfe einer Korrelation des Ausgangssignals mit dem Aufnahmesignal werden die Echolaufzeiten bestimmt. Aus diesen wird, durch Berechnung und Auswahl von Wandpunkten, eine Approximation des Raumes generiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Echoerkennungssystem erarbeitet, ein mobiler Messaufbau konstruiert und eine vielversprechende Raumberechnung durchgeführt. In Zukunft könnte das System zum Beispiel zur Selbstlokalisation von Robotern verwendet werden.

Energieumwandlung von der Wärmedifferenz aus Sonne, Luft, Wasser und Erde mit Peltier-Elementen. Sehr viel Energie um uns herum wurde noch nicht von dem Menschen umgewandelt, wie zum Beispiel Energie aus Wärmeenergie – diese kann man in Form von einer Wärmedifferenz in elektrischen Strom umwandeln. Ich möchte die Energiedifferenz zwischen der Sonne, dem Boden und der Luft für elektrische Geräte nutzbar machen. Die Ergebnisse haben mich überrascht. Es ist nicht so einfach, die regenerative Energie zu erzeugen.

Mein Projekt beschäftigt sich mit den Klängen, die beim Pusten in eine Flasche entstehen. Dabei geht es um die Frage, inwieweit die Größe der Flasche und die Füllhöhe mit Wasser den erzeugten Klang beeinflussen. Ziel meines Projektes ist es, Formeln zu entwickeln, mit denen man die Wassermasse, die für eine beliebige Frequenz notwendig ist, berechnen kann. Dazu habe ich mir Flaschen nach Gehör durch Variieren der Höhe des Wasserstands gestimmt. Anschließend habe ich geprüft, ob zwischen den Höhen der Luftsäulen bzw. den Luftvolumina in den Flaschen und den erklingenden Frequenzen ein funktionaler Zusammenhang besteht. Im Ergebnis lässt sich die Höhe der Luftsäule und damit die einzufüllende Wassermasse für alle Frequenzen berechnen. Um die Klangfarben vergleichen zu können, habe ich mithilfe eines Audioeditors das Frequenzspektrum der Klänge bestimmt. Dabei gilt, je höher der Wasserstand in der Flasche, desto mehr Obertöne entstehen, was einen helleren Klang zur Folge hat.

Mit unserem Projekt möchten wir das schnelle und praktische Aufladen eines Handys überall ermöglichen. Dafür möchten wir den Zusammenhang von Magnetismus und elektrischem Strom nutzen, die Induktion. Mithilfe eines kleinen Kugelmagneten durchbrechen wir die Magnetfeldlinien einer Spule und erzeugen dadurch Strom, mit dem wir unser Handy aufladen möchten. Unser Ziel ist es, eine Handyhülle herzustellen, die mittels Induktion und Schütteln unser Handy mit Strom versorgt.

In dieser Arbeit wird die Flugbewegung einer rotierenden Spielkarte experimentell und theoretisch untersucht. Ausschlaggebend für den Flug der Karte ist die durch die Rotation erzeugte gyroskopische Stabilität. Für die theoretische Analyse werden Bewegungsgleichungen für Translation und Rotation unter der Berücksichtigung von Luftwiderstand, Auftrieb und Nickmoment hergeleitet. Zum Lösen der Gleichungen wird eine Computersimulation in Python verwendet und eine Analyse des Luftstroms anhand numerischer Strömungsmechanik gemacht. Für die experimentelle Analyse wurde eine Kartenwurfmaschine gebaut. Im resultierenden Vergleich wird eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden. Die Flugbahn der geworfenen Karte sowie der Abstand, den diese zurücklegt, wird über unterschiedliche Parameter analysiert. Hierbei wird ein Maximum der gesamt zurückgelegten Distanz bei einem Nickwinkel von -6.5° und Rollwinkel von -26.0° identifiziert.

Bei unserem Projekt möchten wir uns gerne mit den Eigenschaften von fließendem Wasser beschäftigen. Hierbei liegt der Fokus besonders auf der Struktur des Wasserstrahls beim Ausgießen und der dabei entstehenden kettenartigen Form. Mit einfachen Versuchen und Beobachtungen möchten wir zunächst feststellen, welche Faktoren die Bildung jener Wasserketten bedingen. Weitere Schritte sind Versuche, um die Entstehung dieser Ketten zu verstehen und herauszufinden, wie sich die möglichst ideale Kette bildet. Diese Kettenbildung ist ein Phänomen, das sich in vielen verschiedenen Alltagssituationen wiederfinden lässt. So ist uns zum Beispiel aufgefallen, dass sich diese Kettenbildungen sogar beim Einschenken eines Glases Wasser oder beim Gießen von Blumen feststellen lassen.

Testen und verbessern einer Open-Source, zum größten Teil 3D-druckbaren, Injektionspumpe. Sie soll kostengünstig und präzise sein. Zum Einsatz in Entwicklungsländern und Krisengebieten.

Hohe Luftqualität ist wichtig. Eigentlich schon immer, denn in besserer Luft kann man sich länger konzentrieren. Gerade in der Schule ist das Thema doch jetzt wichtiger denn je, denn dank COVID-19 müssen in vielen Schulen Deutschlands regelmäßig Lüftungspausen eingelegt werden. Diese gute Absicht ist im Winter von Tag zu Tag schwieriger umzusetzen: Das kalte Klima und die Heizungen im Klassenzimmer führen so täglich einen Kampf um die Lufttemperatur, bei der die Heizung nur unter erheblicher Wärmeabgabe die Luft aufwärmen kann, was zu enormen Steigerungen der Heizungskosten und einem erhöhtem CO2-Ausstoß führt. Mein Plan ist es, ein Luftqualitätsmessgerät zu entwickeln, welches mit niedrigen Teilkosten (circa 7-10 Euro) die Luft in Klassenzimmern überwachen kann und eine Warnung abgibt, wenn die Luftqualität kritisch schlecht ist. Der Name dieses Projekts, OSAMD, steht für "Open-Source Air-Monitoring Device", also eine quelloffene Lösung zur Überwachung der Luftqualität.

Klimaanlagen sind zunehmend beliebt, aber ineffizient, teuer und produzieren Abwärme. Wie können wir günstig und stromsparend kühlen? Unsere Maschine – die Pinkuin – kühlt durch das Gefrieren und Auftauen von sogenannten Phase Change Materials (PCM). In Regionen mit starken Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht gefriert das PCM nachts in Tanks im Inneren der Maschine und taut tagsüber wieder auf. Dabei kühlt es die Umgebung. Die Maschine besteht aus Tanks, die das PCM enthalten, und einem steuerbaren Lüftungssystem. Die PCMs sind darauf ausgelegt, durch den Phasenwechsel zwischen fest und flüssig Energie zu speichern und freizusetzen. Sie sind ungefährlich und in großen Mengen günstig erhältlich. Nach einigen Versuchen und einem ersten Prototypen arbeiten wir nun an einer kleinen Version dieser Maschine. Unsere Technologie ist sehr effizient und kann auch in Regionen ohne Strom eingesetzt werden. Zusätzlich ist sie kostengünstiger als herkömmliche Technologien.

Wir haben uns überlegt, wie man die klassische Fahrradschaltung verbessern kann. Hierfür haben wir die Idee ein stufenlos einstellbares Getriebe zu entwickeln. Ziel ist es, die vielen unterschiedlich großen Zahnräder durch ein variables Zahnrad zu ersetzen. Dies ermöglicht ein feineres Einstellen der Übersetzung. Hierdurch wird die Kraftübertragung optimiert und man fährt effizienter Fahrrad. Mit dem CAD-Programm SolidWorks haben wir die Möglichkeit, unsere Vorstellungen visualisiert auf einem Computer darzustellen. Weiterhin können wir mit einem 3D-Drucker unserer Schule aus diesen Zeichnungen reale Objekte konstruieren. Diese Modelle können auf ihre Funktionalität geprüft und weiterentwickelt werden.

In meinem Projekt werde ich experimentell untersuchen, wie ein Rotor aufgebaut sein muss, um in der Luft die idealsten Werte wie z. B. möglichst großen Schub, zu erzeugen. Dabei achte ich auf Dinge wie zum Beispiel Steigung und Neigung der Rotorblätter aber auch wie verschiedene Profilformen der Rotorblätter den Vortrieb beeinflussen. Dazu entwerfe ich am Computer 3D-Modelle und drucke diese mit einem 3D-Drucker. Die verschiedenen Rotoren werden mit einem Elektromotor mit 15000 RPM angetrieben. Dann werden der Schubwerte gemessen und verglichen. Stand jetzt werden die Rotoren mit 6 Blatt ausgestattet und haben einen Durchmesser von ca. 8 cm.

In unserem Projekt CleanAirClassroom war unser Ziel, eine preiswerte Lüftungsanlage zu konzipieren, zu bauen und diese auf ihre Funktion zu testen, sodass die Anlage von anderen Schülern nachgebaut werden kann. Als Vorlage diente uns ein Projekt des Max-Planck-Institutes. Zuallererst vermaßen wir ein Klassenzimmer des Lessing-Gymnasiums Mannheim und fertigten einen detaillierten Bauplan an. Im nächsten Schritt beschafften wir die Materialien und fingen mit dem Bau der Anlage an. Wir versuchten viele Ideen umzusetzen und machten dabei sowohl gute als auch schlechte Erfahrungen. An der fertigen Anlage überprüften wir die Luftqualität im Raum, die Temperatur und die Lautstärke. Nachdem wir Ergebnisse und Erfahrungen gesammelt hatten, erstellten wir eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Nachbauen. Über unsere Arbeit wurde in der Tagesszeitung Mannheimer Morgen, im SWR und im Radio Regenbogen berichtet.