Berichte zu den Schülerpraktika
Im Verlauf der vergangenen Jahre haben wir regelmäßig Schülerinnen und Schüler in unserem Labor begrüßt, die für eine oder mehrere Wochen ein Praktikum absolviert haben. Die bearbeiteten Themen waren sehr vielfältig, manchmal von unseren Forschungsprojekten inspiriert, manchmal von den Schülern mitgebracht und manchmal unserer allgemeinen Neugier geschuldet.
Hintergrund
Unter Pulvern verstehen wir Stoffsysteme, die aus vielen feinen Feststoffteilchen bestehen. Sie begegnen uns im Alltag - so wie Kakao, Waschmittel und Babypuder - oder werden in großen Mengen industriell genutzt - z.B. Zement oder Ruße für Autoreifen. Manchmal werden beim Umgang mit diesen Pulvern die einzelnen Teilchen in der Umgebungsluft verteilt und bleiben dort schweben - das Pulver staubt.
Aufgabe
Moritz Dossmann & Konstantin Schiller
Im Frühjahr 2023 haben Moritz und Konstantin vom Martin-Andersen-Nexö-Gymnasium das Staubungsverhalten von zwei Mehlsorten bestimmt: i) normales Weizenmehl vom Typ 550 und ii) Instant Weizenmehl vom Typ 405. Mehlstäube sind nicht ganz unbedenklich. Zum einen verursachen sie Bäckerasthma - eine Berufskrankheit, die derzeit noch jede/n dritte/n Bäcker/in betrifft. Zum anderen besteht bei hohen Staubkonzentrationen in Bäckereien oder Mühlen auch die Gefahr von Mehlstaubexplosionen.
Moritz und Konstantin untersuchten nicht nur die Staubbildung, sondern auch ob und wie sie mit anderen Pulvereigenschaften korreliert.
Im Rahmen des Projektes führten Moritz und Konstantin die folgenden Analysen durch:
Staubungsanalyse mit rotierender Trommel © Moritz Dossmann & Konstantin Schiller, 2023
- Messung der Staubungsneigung an einer rotierenden Trommel
- Ermittlung von Schütt- und Klopfdichte der Pulver
- Bestimmung der Böschungswinkel an aufgeschütten Pulverhäufchen
- Ermittlung der Teilchengrößen in den Mehlen mittels Laserbeugung
- Prüfung der Teilchengröße und -gestalt mit Hilfe elektronenmikroskopischer Aufnahmen
Es sei angemerkt, dass alle Pulver aus unterschiedlich großen Teilchen bestehen. Nur feine Teilchen <100µm können überhaupt für längere Zeit in der Luft schweben bleiben. Atmen wir solche Teilchen ein, dann werden bereits viele im Mund- und Nasenraum abgeschieden. Nur Teilchen <12µm können tiefer in unseren Atemtrakt vordringen und von diesen erreichen auch nur die besonders feinen Teilchen <4µm unsere Lungenbläschen. Es macht deshalb Sinn, dass Staubungsverhalten nicht nur direkt zu messen, sondern aus den physikalischen Eigenschaften eines Pulvers vorauszusagen.
Ergebnis
Obgleich Instantmehl viele Vorteile mit sich bringt - es haftet weniger an Oberflächen, lässt sich einfacher und genauer dosieren, löst sich schneller in Wasser auf - neigt es doch sehr viel stärker zum Stauben als normales Mehl.
Spektren der Lichttransmission für eine blaue Tinte und einen Gelbfilter
Im Mai 2022 besuchte uns Konstantin [Kuntzsch] für ein zweiwöchiges Betriebspraktikum. Er erhielt von uns die Aufgabe, die Konzentration von gelösten Stoffen in wässrigen Medien zu ermitteln. Zu diesem Zweck sollte er ein optisches Spektrometer nutzen. Solche Geräte zerlegen das Licht in seine Spektralfarben und messen für jede von ihnen jenen Anteil des Lichtes, der die Probe ungehindert durchdringen kann (genannt: Transmission). Zum Beispiel ist reines Wasser im sichtbaren Bereich für alle Farben zu 100% transparent, wohingegen eine gelbe Glasscheibe (Gelbfilter) nur gelbes Licht passieren lässt. Eine blaue Tinte absorbiert vorwiegend gelbes Licht und wird von allen anderen Spektralfarben weitestgehend ungehindert durchstrahlt (s. Abbildung); die Tintenfarbe ist also die Komplementärfarbe zur absorbierten Spektralfarbe.
Konstantin mit seinem studentischen Betreuer Clemens Kost
Konstantin untersuchte im Rahmen seines Betriebspraktikums, wie die Transmissionsspektren von ausgewählten organischen Substanzen von deren Konzentration abhängen. Das beinhaltete:
- die Einarbeitung in das Messprinzip
- die Entwicklung einer Software zur vereinfachten Datenauswertung
- die spektroskopische Analyse von wässrigen Lösungen mit systematisch variierter Konzentration der jeweiligen organischen Substanz
- die Inbetriebnahme einer Online-Sonde zur kontinuierlichen Konzentrationsmessung für chemische Prozesse
Seine Ergebnisse waren werden uns helfen, den photokatalytischen Abbau dieser Substanzen messtechnisch zu überwachen.
Nanopartikel sind besonders feine Partikel mit äußeren Maßen kleiner 0.1 Mikrometer bzw. 100 Nanometer. Die Vorsilbe nano kommt aus dem Griechischen (nános) und bedeutet Zwerg.
Im März 2022 haben Lenore und Luise des Martin-Andersen-Nexö-Gymnasium den Nanopartikelanteil von Putzkörpern aus Zahnpasta bestimmt. Dafür haben sie eine Kombination von 3 verschiedenen Analysemethoden eingesetzt.
Mikroskopbild Putzkörper Zahnpasta
- Laserbeugung (zur Charakterisierung aller Partikel >1µm)
- Dynamische Lichtstreuung (zur Charakterisierung der Partikel >1µm)
- Bestimmung des Massenanteils der Mikrometerpartikel durch Siebfiltration auf einer Membran
Das Projekt beinhaltete zunächst den Nachweis, dass die kombinierte Messmethode zuverlässige Ergebnisse produziert. Dann wurde sie für eine normale Zahnpasta „aus dem Laden“ angewendet.
Zahnpastabestandteile
Die Ergebnisse wurden abschließend auf einem Poster dargestellt und in einem begleitenden Vortrag den Lehrerinnen und Mitschülerinnen präsentiert. Das gelang den beiden Schülerinnen so überzeugend, dass sie die Finalrunde der besten Präsentationen erreichten und diese schließlich gewannen.
Im Februar 2020 untersuchten Lucas, Moritz und Jannick vom Martin-Andersen-Nexö-Gymnasium, wie sich aus der Sedimentation feiner Teilchen deren Partikelgröße ermitteln lässt.
Es ist bekannt, dass die Sedimentation, d. h. das Absinken in Flüssigkeiten, von stofflichen Eigenschaften wie der Teilchendichte und von geometrischen Merkmalen wie dem Volumen abhängt. Doch genügt diese Kenntnis, um aus einer gemessen Sinkgeschwindigkeit eine Teilchengröße zu berechnen? Wie müsste ein solches Experiment gestaltet sein?
Partikelgrößenverteilung versch. Messgeräte
Die drei Schüler lernten sedimentationsbasierte Messtechniken kennen und überprüften die Vertrauenswürdigkeit der Ergebnisse durch Vergleich mit anderen etablierten Messtechniken. Dazu wurden Modellstoffsysteme bestehend aus einheitlich großen, kugelförmigen Partikeln genutzt.
Messung der Tröpfchengrößenverteilung mit einem analytischen Laser
Im Februar 2018 untersuchten Vanda, Maximiliane und Sascha des Martin-Andersen-Nexö-Gymnasium zahlreiche Sprays eines großen deutscher Kosmetikherstellers an einem Laserbeugungsspektrometer. Die Schüler hatten sich bereits im vergangenen Jahr in die Problematik der Inhalierbarkeit von Sprayaerosolen eingearbeitet. Sie bestimmten die Tropfengrößenspekta der Sprays und verglichen die gewonnenen Daten mit Angaben zur Eindringtiefe luftgetragener Partikel in die menschlichen Atemwege.
In der Wissenschaftlichen Projektwoche für Schüler der Klasse 7 des Martin-Andersen-Nexö-Gymnasium Dresden untersuchten Vanda, Maximiliane und Anton Partikel, die bei der Anwendung von Deosprays entstehen. In ihrem Messungen fanden Sie heraus, dass im Sprühkegel eines Deosprays mehrere Milliarden Partikel entstehen. Pro Sekunde! Nach der Trocknung dieser Partikel untersuchten Sie die Größe der verbliebenen Partikel und stellten fest, dass davon ein Großteil kleiner als 100 nm sind.
Ein weiteres Ergebnis war die Vermessung eines typischen Größenmaßstabs in der Partikelmesstechnik. Bisher nutzen wir den Durchmesser des menschlichen Haares immer zur Veranschaulichung der Größenverhältnisse in der Welt der Partikel. Nun mussten wir feststellen, dass die Durchmesser von Haaren sich von Mensch zu Mensch doch deutlich unterscheiden.
© Petra Fiala
© Petra Fiala
© Petra Fiala
Haar 1: Vanda Haar 2: Maximiliane Haar 3: Anton
Im Februar unterstützten uns Jennifer, Aliona und Karl-Lennart vom Martin-Andersen-Nexö-Gymnasium Dresden im Rahmen der wissenschaftliche Projektwoche für Schüler der Klasse 7 bei unseren Forschungsarbeiten. Sie untersuchten die Partikelgrößenverteilung von Staub und Abrieb, der beim Bohren von Baustoffen entsteht. Sie untersuchten klassische Baustoffe wie Ziegel, Sandstein und Gasbeton, aber auch neu entwickelte Materialien wie carbon- und glasfaserverstärkten Beton. Zur Messung der Partikelgrößenverteilung nutzten sie die Laserbeugungsanalyse. Ihre Ergebnisse fließen in unsere aktuellen Forschungsprojekte ein und helfen uns, den Einfluss der Beanspruchungssintensität bei der Bearbeitung von Carbonbeton zu bestimmen.
Vom 18. Mai bis 1. Juni unterstützte uns ein Schüler vom Bertolt-Brecht-Gymnasium Dresden. Dabei lernte er unser Aufgabengebiet der Partikelmesstechnik kennen. Sein Hauptaufgabengebiet war die Partikelgrößenbestimmung von verschiedenen Referenzmaterialien mit Hilfe einer optischen Messtechnik, der Laserbeugungsspektroskopie. Zu prüfen galt, in welchem Maße die Geräteeinstellungen (z.B. die Brennweite der Linse) und die Eigenschaften der Messprobe (z.B. die Partikelkonzentration) die gemessene Partikelgrößenverteilung beeinflussen. In welchem Maße hängen solche Einflüsse von den Testmaterialen ab (z.B. von der Form der Partikel, ihrer Größe oder ihren optischen Eigenschaften).
Im Frühsommer 2013 begrüßten wir Daniel, Eva und Kerstin in den Räumen unseres Partikellabores. Sie beschäftigten sich mit jeweils eigenen Projekten.
Daniel untersuchte, mt welchen Geräten Pulver in einer Flüssigkeit möglichst so verteilt werden kann, dass am Ende alle Teilchen vereinzelt sind und vollständig von der Flüssigkeit umhüllt werden. Um zu prüfen, wie gut ihm das gelang, nutzte er verschiedene Partikelmesstechniken.
Eva nutzte eine optische Glasfasersonde, um unterschiedliche Milchprodukte (u.a. Vollmilch, fettarme Milch, Erdbeermilch, Kakao) zu charakterisieren. Wenn beispielsweise eine Molkerei die Produktion von Kakao auf Erdbeermilch umstellt, dauert es eine Weile bis die produzierte Erdbeermilch völlig frei von Kakaopartikeln ist. Die optische Sonde, die mit unterschiedlichen Wellenlängen arbeitet, erlaubt eine indirekte Erkennung von Farbe und Fettgehalt der Milch.
Kerstin untersuchte, wie sehr die Menge an gelöstem Zucker oder Ethanol den Brechungsindex von wässrigen Lösungen verändert. Zu diesem Zweck lernte sie die Funktionsweise eines Refraktometers kennen, führte umfangreiche eigene Messungen durch und verglich ihre Ergebnisse mit Literaturdaten. Der Brechungsindex ist eine schnell zu bestimmende Messgröße, die u.a. Rückschluss auf den Zuckergehalt von Traubenmost bei der Weinherstellung.
Vom 16. - 27. April unterstützte uns ein Schüler vom Martin-Andersen-Nexö-Gymnasium Dresden. Dabei lernte er unser Aufgabengebiet der Partikelmesstechnik von seiner schmutzigsten Seite kennen. Die Mengenbestimmung der Staubfreisetzung von landwirtschaftlichen Maschinen, die Größenbestimmung von Rußpartikeln im Motorenabgas und die Charakterisierung von staubigen Industrieprodukten gehörte ebenso zu seinem Aufgabengebiet wie die Vermessung der Partikelbelastung der Dresdner Luft.
Vom 28. Februar bis 4. März unterstützten drei Nachwuchsforscher vom Martin-Andersen-Nexö-Gymnasium in Dresden unsere Arbeit. Ein Schüler aus der Klasse 7c nutzte die optischen Messverfahren Laserbeugung und Transmissionsspektroskopie zur Bestimmung der Größe von Fetttröpfchen in Milch. Zwei Schüler aus der 8b erforschten die Leistungsfähigkeit der Siebanalyse zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung von Sand. Ziel der Schüler war es ein Poster und Vortrag in dieser Projektwoche zu gestalten.
Das Schülerpraktikum 2005 widmet sich dem beliebtesten Heißgetränke der berufstätigen Bevölkerung - dem Kaffee. Untersucht wurde der Einfluss der Kaffeemahlung auf die Eigenschaften des Pulvers und des Getränkes. Zu diesem Zweck wurden Stichproben eines Grundstocks von gerösteten ganzen Kaffeebohnen mit unterschiedlichen Mühlen (elektrische Haushaltsmühle, Handmühle) bei unterschiedlichen Bedingungen fein gemahlen. Außerdem wurde ein fertig gemahlener Kaffee "aus der Tüte" untersucht. Beurteilt wurde jeweils die Größenverteilung der Kaffeepartikel, die Filtrierbarkeit (Dauer des Abfließens von aufgebrühtem Wasser), der pH-Wert des Kaffees und sein Geschmack. Letzterer wurde natürlich nur von den Mitarbeitern der Arbeitsgruppe mit Hilfe einer Blindverkostung bewertet. Es stellte sich heraus, dass das vorgemahlene Kaffeepulver bezüglich Aroma, Farbe und Geschmack die beste Bewertung der Tester erhielt.
Im Juni 2004 untersuchten wir im Rahmen des Schülerpraktikums die Qualität von Kakaomixgetränken. Neben den geschmacklichen Eigenheiten interessierte uns, wie gut das Pulver aufgelöst werden kann, wie lange ein Getränk nach Beenden des Umrührens äußerlich homogen erscheint und wie groß die Partikel im Getränkepulver und im warmen Kakaogetränk sind. Zu unserer Überraschung konnten wir erhebliche Qualitätsunterschiede zwischen den getesteten Kakaopulvern feststellen.