Abiturprüfung Technik, Grundkurs

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1 Seite 1 von 8 Abiturprüfung 2017 Technik, Grundkurs Aufgabenstellung: Bionik Phyllotaxis Materialgrundlage: Phyllotaxis (Auszug aus Wikipedia) (M 1) Zeichnung Phyllotaxis (M 2) Zeichnung Phyllotaxis (M 3) Zeichnung Phyllotaxis (M 4) Bionischer Turm und Pflanze (M 5) Ansichten Phyllotaxis-Tower (M 6) Zugelassene Hilfsmittel: Formelsammlung Taschenrechner (graphikfähiger Taschenrechner/CAS-Taschenrechner) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung

2 Seite 2 von 8 Aufgabenstellung: Bionik Phyllotaxis Sie sind als Mitarbeiter im Stadtmanagement einer Universitätsstadt für die Energieversorgung zuständig. In dieser Funktion möchten Sie plakativ im Innenstadtbereich erneuerbare Energien nutzen und so neben der Gestehung elektrischer Energie das Image der Stadt fördern. Natürlich gibt es Raumkonflikte. Auch sind umfangreiche Baumaßnahmen schwierig. Daher kam die Idee auf, für die Einspeisung von PV-Strom die Leitungen der Straßenbeleuchtung zu nutzen: Diese sind in relevanten Zeiten nicht belastet und bereits verlegt. Nun sind architektonisch reizvolle Gestaltungen von Solarmasten gefragt, die vom Üblichen abweichen und das Stadtbild bereichern. Die optimale Ausnutzung der Solarenergie soll dabei allerdings Vorrang vor ästhetischen Fragen haben. Sie sind damit beauftragt worden, das Konzept weiter auszuarbeiten. Bei der Recherche haben Sie die sogenannte Phyllotaxis entdeckt, die Ihnen als bionisches Prinzip reizvoll zur Bewältigung der Aufgabe erscheint. a) Bei der Suche nach verschiedenen Aufständerungsmöglichkeiten sind Sie auf den Artikel M 1 zur Phyllotaxis sowie die Bildmaterialien M 2 bis M 4 gestoßen. Geben Sie zu den gezeigten Bildern aus M 2 bis M 4 die geeigneten Fachausdrücke aus M 1 an und begründen Sie Ihre Zuordnung. (8 Punkte) b) Erläutern Sie Form- und Funktionsanalogien von PV-Anlagen und Pflanzen. Begründen Sie, warum sich aus der Phyllotaxis eine mögliche Bionik-Anwendung für die zu konzipierende Photovoltaikanlage ergeben kann. Stellen Sie anschließend den allgemeinen bionischen Entwicklungsprozess top down dar. (12 Punkte) c) Entwerfen Sie unter Verwendung von M 1 bis M 4 einen Solarmast mit einer Höhe von 300 cm bis 500 cm und einem maximalen Durchmesser von 100 cm. Dokumentieren Sie Ihren Entwurf durch eine beschriftete Skizze, erläutern Sie Ihren Entwurf und begründen Sie die Anordnung der einzelnen Solarzellen/Solarmodule. (9 Punkte) d) Bei weiteren Recherchen stoßen Sie zufällig auf das Bild des projektierten Phyllotaxis- Towers, der als Beispiel für ein bionisches Bauwerk genannt wird (M 5 und M 6). Erläutern Sie, wie die beteiligten Fachplaner beim bionischen Entwicklungsprozess bottom up vom biologischen Beispiel ausgehend auf die Form des Turmes gekommen sein könnten. (8 Punkte) e) Vergleichen Sie den Phyllotaxis-Tower (M 5 und M 6) mit einem klassischen Wolkenkratzer. Leiten Sie aus dem Vergleich einen günstigen Standort für den Phyllotaxis-Tower ab. (13 Punkte)

3 Seite 3 von 8 M 1: Phyllotaxis (Auszug aus Wikipedia) Phyllotaxis Phyllotaxis (altgriechisch φύλλον phyllon Blatt, ταξις taxis Anordnung ) ist eine Bezeichnung für die regelhafte Anordnung der Blätter von Pflanzen. Blattstellung und Blattstand sind gleichbedeutende Bezeichnungen. Nodus bezeichnet bei Pflanzen die Querzone an den Stängeln, an der die Blätter ansetzen. Geschichte Blätter sind am Stängel nicht wahllos angeordnet. Bereits Leonardo da Vinci hat in seinen Tagebüchern auf die regelmäßige Anordnung der Blätter hingewiesen. Grundtypen Wechselständig Hierbei stehen die Blätter einzeln entlang der Sprossachse, d. h., keines steht mit einem anderen auf gleicher Höhe. Meist sind wechselständige Blätter: schraubig (dispers): Die Blätter stehen weder in 90 noch in 180, sondern in einem anderen, jedoch stets festen Winkel zueinander. Die Nodi bilden eine Schraubenlinie (Helix). oder zweizeilig (distich): Die Blätter stehen an der jeweils gegenüberliegenden Seite des Stängels, sodass sich zwei Blattreihen bilden. Pro Nodus gibt es ein Blatt. Gegenständig Die Blätter stehen jeweils zu zweit, und zwar gegenüber auf gleicher Höhe, entlang der Sprossachse. Meistens tritt dann folgender Fall ein: kreuzgegenständig (dekussiv): Je zwei am Stängel aufeinander folgende Blattpaare stehen rechtwinklig zueinander. Wirtel- oder quirlständig Beim wirtel- oder quirlständigen Grundtyp entspringen am Spross immer mehr als zwei Blätter auf gleicher Höhe.

4 Seite 4 von 8 Rosettig Durch reduziertes Längenwachstum des Stängels kann es vorkommen, dass viele Blätter auf ungefähr derselben Höhe sitzen. Man spricht in diesem Fall von einer Blattrosette. Häufig befindet sich eine Blattrosette am Stängelende. Grundständig Die Blattrosette befindet sich kurz über oder unter der Bodenoberfläche, sodass alle Blätter scheinbar dem Boden entspringen. Bei vielen Pflanzen haben diese sogenannten Grundblätter eine andere Form als die Stängelblätter. Aufbau Grundspirale und Divergenz Wenn man an einem Stängel mit wechselständigen Blättern derart von unten nach oben fortschreitet, dass man alle Blätter, wie sie aufwärts aufeinanderfolgen, berührt, so beschreibt man eine den Stängel umwindende Spirallinie, die sogenannte Grundspirale. Hierbei ergibt sich die Eigentümlichkeit, dass das Stück der Stängelperipherie, welches man mit der Spirale umlaufen muss, um von einem Blatt zum nächsten zu gelangen, bei sämtlichen Blättern des Stängels gleich groß ist. Dieses Bogenstück nennt man Divergenz (der Blätter); sie lässt sich in Bruchteilen der Stängelperipherie ausdrücken, also als Zahl zwischen 0 und 1. M 2: Zeichnung Phyllotaxis

5 Seite 5 von 8 M 3: Zeichnung Phyllotaxis M 4: Zeichnung Phyllotaxis

6 Seite 6 von 8 M 5: Bionischer Turm und Pflanze

7 Seite 7 von 8 M 6: Ansichten Phyllotaxis-Tower

8 Seite 8 von 8 Quelle für die verwendeten Bilder: Wikimedia Commons/Wikipedia

9 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW TC GK Beispielaufgabe Seite 1 von 6 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2017 Technik, Grundkurs 1. Aufgabenart Bearbeitung eines konkreten Problems anhand von vorgelegten Materialien 2. Aufgabenstellung 1 Bionik Phyllotaxis (50 Punkte) 3. Materialgrundlage Phyllotaxis (Auszug aus Wikipedia) (M 1) Zeichnung Phyllotaxis (M 2) Zeichnung Phyllotaxis (M 3) Zeichnung Phyllotaxis (M 4) Bionischer Turm und Pflanze (M 5) Ansichten Phyllotaxis-Tower (M 6) 4. Bezüge zu den Kernlehrplänen und den Vorgaben 2017 Die Aufgaben weisen vielfältige Bezüge zu Kompetenzbereichen und Inhaltsfeldern des Kernlehrplans bzw. zu den in den Vorgaben ausgewiesenen Fokussierungen auf. Im Folgenden wird auf Schwerpunkte hingewiesen. 1. Inhaltliche Schwerpunkte Entwicklungsfelder neuer Technologien: Bionik 2. Medien/Materialien entfällt 5. Zugelassene Hilfsmittel Formelsammlung Taschenrechner (graphikfähiger Taschenrechner/CAS-Taschenrechner) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung 1 Die Aufgabenstellung deckt inhaltlich alle drei Anforderungsbereiche ab.

10 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW TC GK Beispielaufgabe Seite 2 von 6 6. Modelllösungen Die jeweilige Modelllösung stellt eine mögliche Lösung bzw. Lösungsskizze dar. Der gewählte Lösungsansatz und -weg der Schülerinnen und Schüler muss nicht identisch mit dem der Modelllösung sein. Sachlich richtige Alternativen werden mit entsprechender Punktzahl bewertet (Bewertungsbogen: Zeile Sachlich richtige Lösungsalternative zur Modelllösung ). Teilaufgabe a) Die Abbildungen a aus M 2 und 2 aus M 4 zeigen wechselständige Anordnungen der Blätter. Die Blätter sind wechselständig zweizeilig um den Stängel herum angeordnet. Kein Blatt steht mit einem weiteren auf gleicher Höhe. Es gibt kein gegenüberliegendes Blatt. Abbildung b aus M 2 zeigt eine kreuzgegenständige Anordnung. Die Blätter liegen paarweise gegenüber und sind um 90 paarweise um den Stängel herum gedreht angeordnet. Die Abbildungen c aus M 2 und 1 aus M 4 stellen gegenständige Anordnungen dar. Die Blätter liegen sich gegenüber. Alle Blätter liegen genau über oder unter einem anderen. Die Abbildungen d aus M 2 und 3 aus M 4 zeigen wirtel- oder quirlständige Anordnungen, weil immer mehr als zwei Blätter in gleicher Höhe am Stängel entspringen. Abbildung M 3 zeigt eine schraubige Anordnung, mit gleichen Bogenmaß als Abstand. Teilaufgabe b) Pflanzen und PV-Anlagen müssen so viel Sonnenenergie wie möglich einsammeln. Dazu haben Pflanzen Blätter oder Nadeln und PV-Anlagen Solarpanele. Die dafür erforderlichen Flächen führen zu statischen und dynamischen Lasten, die durch ein Ständerwerk abzufangen sind. Aus der Phyllotaxis kann sich eine mögliche Bionik-Anwendung für eine Photovoltaikanlage ergeben, weil Pflanzen für das Sammeln von Solarenergie den Prinzipien der Evolution folgend optimiert worden sind. Da es eine Vielzahl von Pflanzen mit zentraler Sprossachse gibt, besteht zusätzlich eine nutzbare Formanalogie zu den Straßenlaternen. Der Top-down-Ansatz der Bionik geht von einer technischen Problemstellung aus und sucht dann nach möglichen Beispielen mit Form- und Funktionsanalogien aus dem Bereich der Biologie. Im weiteren Verlauf sollten alle Details der biologischen Lösung analysiert und ihre Übertragbarkeit auf den technischen Anwendungsfall geprüft werden. Die als zentral identifizierten Detaillösungen werden auf das technische Produkt übertragen. Dieses wird anschließend auf seine Eignung geprüft, bewertet und ggf. weiter optimiert.

11 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW TC GK Beispielaufgabe Seite 3 von 6 Teilaufgabe c) Draufsicht: Seitenansicht: (ohne Beleuchtungseinheit) Für den oben skizzierten Entwurf wurde eine gegenständige, zweizeilige und schraubige Anordnung der Solarpanele gewählt. Die Solarpanele stehen sich gegenüber. Sie sind am Mast verankert, der die Strecke zwischen den Panelen halbiert. So kann, bei gleichzeitig verringerter gegenseitiger Verschattung, viel solare Strahlungsleistung von den Panelen aufgenommen werden. Im vorliegenden Kontext bietet sich, bedingt durch den hohen Anteil an diffuser Sonneneinstrahlung, der Einsatz amorpher Zellen an. Teilaufgabe d) Beim sogenannten Bottom-up-Ansatz wird, ausgehend von der Entdeckung eines biologischen Prinzips, eine technische Anwendung entwickelt. In dem vorliegenden Fall können Biologen auf die in äquatorialen Regionen vorkommende Familie der Agavengewächse gestoßen sein. Agaven zeichnet unter anderem eine der Abbildung M 3 entsprechende Blattanordung aus. Die Anordnung der Agavenblätter ist dem hohen Sonnenstand in Äquatornähe angepasst. Dadurch kann einfallendes Sonnenlicht optimal genutzt werden. Die agavenähnliche Form des Phyllotaxis-Towers ermöglicht eine gute Belichtung der Wohneinheiten in den künstlichen Blättern. So könnte für jede Wohneinheit ein Sonnenareal realisiert werden. Verschattungen würden nur teilweise erfolgen. Eine Nutzung durch Solarthermie, Photovoltaik oder zur Erholung (Sonnenterassen) ist vorstellbar. Ein weiterer Grund für die Anordnung

12 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW TC GK Beispielaufgabe Seite 4 von 6 der Wohneinheiten könnte die im Vergleich zum Volumen große Oberfläche des Phyllotaxis-Towers" sein. So wäre eine effektive Kühlung durch Wind gewährleistet. Durch die weiße Farbe wird ein erheblicher Teil der eingestrahlten Sonnenenergie reflektiert. Dadurch käme der Phyllotaxis-Tower in äquatorialen Regionen mit wesentlich weniger Energieeinsatz aus als klassische Hochhäuser. Teilaufgabe e) Sonneneinstrahlung Raumausnutzung Stabilität Phyllotaxis-Tower Sonne auf fast allen Wohneinheiten beschränkt auf Wohneinheiten und Kern beschränkt auf Kern, Wohneinheiten als Angriffspunkt für Windlasten Klassisches Hochhaus Sonne auf einer Seite (max. 2) und dem Dach gesamtes Volumen gut nutzbar, da eckig gesamtes Gebäude zur statischen Aussteifung nutzbar Design verspielt, modern wirkend klassisch, kubisch Oberfläche Fassade Kosten verglichen mit Volumen sehr groß weiß: reflektiert die Sonneneinstrahlung gut, heizt sich nicht so stark auf sehr hoch durch besondere Anforderungen an Material, Statik und Bauaufwand verglichen mit Volumen wesentlich geringer Beton/Glas/Metall: heizt sich stärker auf minimiert entsprechend der Standardbauweise Der Phyllotaxis-Tower könnte in Äquatornähe als Hotelanlage oder Wohnhochhaus genutzt werden. Durch die große Oberfläche und die weiße Fassadenfarbe kann man erwarten, dass sich die Wohneinheiten tagsüber nicht übermäßig aufheizen und nachts zügig abkühlen. Am Standort ist dies ein Vorteil. Durch die Anordnung der Wohneinheiten können die Bewohner nahezu ganztägig in den Genuss der Sonne kommen. Bei einem Standort in Küstennähe oder anderen windreichen Gegenden sind die besonderen statischen Anforderungen an den Gebäudekern zu beachten.

13 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW TC GK Beispielaufgabe Seite 5 von 6 7. Teilleistungen Kriterien / Bewertungsbogen zur Prüfungsarbeit Name des Prüflings: Kursbezeichnung: Schule: Teilaufgabe a) Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 gibt die geeigneten Fachausdrücke an. 4 2 begründet die Zuordnung. 4 Sachlich richtige Lösungsalternative zur Modelllösung: (8) Summe Teilaufgabe a) 8 Lösungsqualität EK ZK DK Teilaufgabe b) Anforderungen Der Prüfling 1 erläutert Form- und Funktionsanalogien von PV-Anlagen und Pflanzen. 2 begründet, warum sich aus der Phyllotaxis eine mögliche Bionik-Anwendung ergeben kann. maximal erreichbare Punktzahl 3 stellt den Entwicklungsprozess top down dar. 4 Sachlich richtige Lösungsalternative zur Modelllösung: (12) Summe Teilaufgabe b) Lösungsqualität EK 2 ZK DK 2 EK = Erstkorrektur; ZK = Zweitkorrektur; DK = Drittkorrektur

14 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW TC GK Beispielaufgabe Seite 6 von 6 Teilaufgabe c) Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 entwirft und dokumentiert einen Solarmast. 5 2 erläutert seinen Entwurf und begründet die Anordnung der einzelnen Solarmodule. Sachlich richtige Lösungsalternative zur Modelllösung: (9) Summe Teilaufgabe c) 9 4 Lösungsqualität EK ZK DK Teilaufgabe d) Anforderungen Der Prüfling 1 erläutert, wie die beteiligten Fachplaner auf die Form des Turmes gekommen sein könnten. Sachlich richtige Lösungsalternative zur Modelllösung: (8) maximal erreichbare Punktzahl Summe Teilaufgabe d) 8 8 Lösungsqualität EK ZK DK Teilaufgabe e) Anforderungen Der Prüfling 1 vergleicht den Phyllotaxis-Tower mit einem klassischen Wolkenkratzer. 2 leitet aus dem Vergleich einen günstigen Standort für den Phyllotaxis-Tower ab. Sachlich richtige Lösungsalternative zur Modelllösung: (13) maximal erreichbare Punktzahl Summe Teilaufgabe e) 13 Summe insgesamt Lösungsqualität EK ZK DK