ZEITSCHRIFT FÜR TECHNIK IM UNTERRICHT

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1 E Neckar-Verlag 2. Quartal 2015 ZEITSCHRIFT FÜR TECHNIK IM UNTERRICHT ISSN

2 Technik die begeistert! Qualität die überzeugt! Gültig bis Aktionspreise! Aktionspreise nur für kurze Zeit! Technik die begeistert WEBA Schulausstattung GmbH - Ernst-Ludwig-Edelmann-Straße Beerfelden Tel.: / Fax: / WEBA Schulausstattung GmbH Ernst-Ludwig-Edelmann Straße Beerfelden Tel.: / Erneuerbare Energie durch Windkraftanlage (WKA) mit Analogmessinstrument Funktionsmodell einer Windkraftanlage zum kleinen Preis. Einfach aufzubauender Komplettbausatz mit allen Teilen und ausführlicher Bauanleitung. Forstner-Bohrer Ø 25 mm notwendig. Löten nicht erforderlich! Mit dem Modell wird die alternative Energiegewinnung begreifbar. Ein Rotor treibt bei entsprechendem Wind den Generator (Motor) an und erzeugt einen Strom, der durch ein Messgerät angezeigt wird. Best.-Nr ,30 9,10 + MwSt. 5-teiliges Forstner-Bohrer-Set mm Best.-Nr ,60 9,90 + MwSt. Nähere Informationen finden Sie in unserem kostenlosen Hauptkatalog. Telefon 0711/ Telefax 0711/ info@amtu.de Christian Zeppetzauer Drechseln leicht gemacht Format 16,8 x 22,5 cm Umfang 136 Seiten Best.-Nr Preis 19,90 [D] Mit diesem Buch erlernen Sie die richtige Technik des Drechselns von Anfang an. Neckar-Verlag GmbH VS-Villingen Tel. +49 (0)77 21 / /-45 Schrittmotoren und Steuerungen für Ihre Mechatronik-Ideen Vom anschaulich erklärten Bausatz bis zur programmierbaren Steuerung in Industriequalität, auch mit USB oder Bus-Anschluss. Made in Germany! Detailwissen rund um den Schrittmotor auf w w w. m e c h a p r o. d e i n f m e c h a p r o. d e

3 Impressum Zeitschrift für TechnikIm Unterricht 40. Jahrgang tu: Technik im Unterricht erscheint vierteljährlich. Sammelanschrift für Verlag, Anzeigen und Redaktion: Neckar- Verlag GmbH, Klosterring 1, Villingen-Schwenningen, oder Postfach 1820, Villingen-Schwenningen, Telefon (07721) ,telefax (07721) ; Internet: Herausgegeben vom Neckar-Verlag GmbH in Zusammenarbeit mit Burkhard Sachs; begründet in Zusammenarbeit mit August Steidle, Mutlangen Verantwortlich für die Auswahl und Bearbeitung der Manu- skripte: Burkhard Sachs, Lichtenbergstr. 18, Freiburg im Breisgau; Tel. (0761) 83759, Fax (0761) , Layout /herstellung: Dietmar Schenk,tel. (07721) , Titelbildgestaltung: Silvia Binninger, Marketing/Anzeigenleitung/Verkauf: Rita Riedmüller, Telefon (07721) , Bestellungen: beim Verlag, Es gilt die Anzeigenpreisliste Nr. 7 vom Druck: Gulde-Druck GmbH & Co. KG, 72005tübingen Einzelheft 6,80 zuzüglich Versandkosten; Jahresabonnement 24,00 zuzüglich Versandkosten; Abbestellung 8 Wochen vor Jahresende schriftlich Honorierte Arbeiten gehen in das uneingeschränkte Verfügungsrecht des Verlages über. Nachdruck und gewerbliche Verwertung nur mit schriftlicher Genehmigung des Verlages. Dies gilt auch für die gewerbliche Vervielfältigung per Kopie, die Aufnahme in elektronische Datenbanken und Mailboxen sowie für Vervielfältigungen auf elektronischen Datenträgern. Letzter Annahmetag für Anzeigen und Redaktionsschluss ist der 10. im ersten Monat des Quartals. MitarbeiterDIeses Heftes Dietrich Kadell, Lothar Georgi, dietrichkadell@versanet.de Prof. Dr. Peter Röben, peter.roeben@uni-oldenburg.de Burghard Sachs, sachs@ph-freiburg.de Prof. Dr. Winfried Schmayl, schmayl@ph-karlsruhe.de Wolfgang Zeiller, wozenu@t-online.de tu: Fachdidaktik tu: Inhalt Inhalt Burkhard Sachs Technische Bildung in der Naturwissenschaftsfalle!? tu: Sachinformationen Peter Röben Was man aus der Geschichte der Halbleiter- und Windkrafttechnik über das Verhältnis von Technik und Physik lernen kann HelmutfIes Technische Grundsachverhalte Einführung in die Technikwissenschaft(en) 5. Folge tu: Unterrichtspraxis DietrichkADell, Lothar Georgi Frischer, kräftiger Wind im Technikunterricht Windkraftanlage als Funktionsmodell im Windkanal Wolfgang ZeilLer Batterietester für viele gängige Batterietypen tu: Veranstaltungen DGTB Einladung zur 17. Jahrestagung und zum Nachwuchsforum der DGTB Technik: Wirklichkeitsbereich und Bildungsgegenstand Titelseite: Abbildungen aus den Beiträgen von D. Kadell und L. Georgi, P. Röben, W. Schmayl tu 156 / 2. Quartal

4 tu Der europäische Ursprung des Transistors Mit dem Bau des ersten Transistors war das Tor zur modernen Digitaltechnik aufgestoßen. Wie es zu dieser Schlüsselerfindung des 20. Jhs. kam, ist keineswegs klar. Es stellt sich zunehmend heraus, daß die gewöhnlich kolportierte Geschichte einseitig und in sich nicht stimmig ist. Nach der offiziösen Version hat der Transistor drei US-amerikanische Väter: William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain (Abb. 1). Im Dezember 1947 sei Shockley bei seinen Forschungen in den Bell-Laboratorien gewissermaßen aus dem Stand heraus auf das Prinzip des Transistors gestoßen. Mit seinen Kollegen habe er dann einen auf Germanium als Halbleiter basierenden Spitzentransistor gebaut. Dieser wurde am 1. Juli 1948 der Öffentlichkeit vorgestellt (Abb. 4 Nachbau) bekamen die drei dafür den Physik-Nobelpreis. Die wirkliche Geschichte ist älter und verwickelter. Zum einen haben europäische, namentlich deutsche Physiker Jahre vorher die theoretischen Grundlagen erarbeitet, auf die die Amerikaner zurückgriffen, ohne es zu erwähnen. Hier wären besonders Julius Lilienfeld und Oskar Heil mit ihren einschlägigen Patenten zu nennen. Auch Walter Schottky erbrachte schon in den 1930er Jahren mit seiner Halbleitertheorie und seiner Spitzendiode wichtige Vorleistungen. Zum anderen setzten die vom französischen Besatzungsregime verpflichteten deutschen Physiker Heinrich Welker (Abb. 2) und Herbert Mataré (Abb. 3) in Paris ihre bereits in Berlin während des Krieges betriebene Halbleiterforschung fort. Im Frühjahr 1948 konstruierten sie einen Dreidiodenkristall, ihr Transistron, wie sie den Prototypen ihres Transistors nannten (Abb. 5). Er war sehr viel stabiler und dauerhafter als der Bell-Transistor. Obwohl sie ihn erst nach den Amerikanern publik machten, wird heute von einer Doppelerfindung des Transistors gesprochen. Bildquellen: Literatur: Friedrich Georg: Unternehmen Patentraub. Tübingen 2008, S. 188 ff. Winfried Schmayl 4 tu 156 / 2. Quartal 2015

5 Allgemeine Probleme tu: Fachdidaktik Technische Bildung in der Naturwissenschaftsfalle!?* Von Burkhard Sachs Ein Gespenst geht um in Europa Man kennt den Eingangssatz des kommunistischen Manifests, in dem die Wirklichkeit einer revolutionären Idee und die Angst der Mächtigen davor beschrieben wurde!? Das Gespenst, mit dem wir es hier zu tun haben, ist nun ein vermeintlich gutes Gespenst. Wie Halloween aus den USA kommend und dort STEM 1 genannt, heißt es hier MINT 2. Es wird von den Großen und Mächtigen in Wirtschaft und Politik sehr gemocht und sie veranstalten ihm zu Ehren Wettbewerbe, Foren, nationale Gipfel und europäische Kongresse und sie verleihen Auszeichnungen an die Willigen und an die Propagandisten und an Schulen, die sich in seinen Dienst stellen. Auch jene Institutionen, die den Anspruch erheben, Hüter wissenschaftlicher Wahrheit und kritischer Reflexion zu sein, Akademien und Universitäten, ergeben sich seinem Charme. 3 Steuerlich wohlgestellte Stiftungen wenden einen Teil (des dem Fiskus nicht mehr abzuliefernden) Geldes dafür auf, MINT zu fördern, da der finanziell klamme Staat ja nicht genügend dafür tut. Und auch die Firmen können ihr Engagement steuerlich zur Geltung bringen und erhöhen zudem ihr Renommee. Und so können Stiftungen, Firmen und Verbände Einfluss auf das Schulwesen ausüben, obgleich die Verantwortung dafür nach den Schulgesetzen eigentlich beim Staat und bei den Parlamenten liegen sollte. Die MINT-genötigten Schulen und LehrerInnen, welche darauf in Ausstattung und Ausbildung kaum vorbereitet sind, empfinden deren Broschüren, Unterrichtseinheiten und Fortbildungskurse, die sie in fast unüberschaubarer Fülle entlang der Bildungskette angeboten bekommen, zumeist als Entlastung und als Geschenk. Und auch der Staat und die Kommunen sind kooperativ und dankbar. Denn Einem geschenkten Gaul... Von einer offiziellen Prüfprozedur für derartige Materialien ist nichts bekannt. MINT ist zu einer festen Größe geworden, es gibt MINT-Grundschulen und MINT- Gymnasien und MINT-Botschafter. Schüler und insbesondere Schülerinnen sollen sich für MINT begeistern und MINT-Berufe ergreifen. In einer großen Zahl von Studien und Grundsatzpapieren zur MINT-Förderung werden weitreichende Empfehlungen an die Adressen von Schule, Politik und Wirtschaft gemacht. 4 In der Berufsberatung und in der Arbeitsverwaltung ist das Sprechen von MINT- Berufen eine Selbstverständlichkeit geworden und unter den arbeitslosen Jugendlichen in Griechenland und Spanien fahndet man nach solchen mit MINT-Kompetenzen zur Entlastung des hiesigen Arbeitsmarktes. Bei den Frauen und bei den Menschen mit Migrationshintergrund sieht man ein bedeutendes dringend zu hebendes Potenzial für die Gewinnung von MINT-Arbeitskräften. Da wirkt die Schlagzeile im Wirtschaftsteil der Zeitung gar nicht mehr anstößig, die da heißt: MINT-Arbeitgeber gegen den Mindestlohn. MINT ist im Zuge der Privatisierung von Bildung längst ein Geschäftsmodell geworden. So hat die aus einem gediegenen Schulbuchverlag mutierte Stuttgarter Klettgruppe dafür die KlettMINT-GmbH gegründet. 5 tu 156 / 2. Quartal 2015 Dem kritischen Betrachter muss das Ganze rätselhaft, wenn nicht gespenstisch vorkommen. Welchen Anspruch erhebt sie, was meint die MINT-Parole, was verbirgt sich hinter ihr? MINT-Forderungen Die MINT-Idee ist keine pädagogische Idee, sie ist nicht die Zusammenfassung eines pädagogischen oder bildungspolitischen Diskussionsprozesses. Daher sucht man in der erziehungswissenschaftlichen und fachdidaktischen Diskussion eine Auseinandersetzung mit dem MINT- Konzept fast vergebens. Die Vertreter der damit gemeinten Fächer halten wohl eher still und freuen sich über die plötzliche Wertschätzung und auch die Vertreter der von der Schule so lange stiefmütterlich behandelten Technischen Bildung müssten eigentlich vor Glück erbeben: Endlich wird die Technik im Schulwesen ernst genommen und sogar als Fach apostrophiert! Eigentlich wäre es die Aufgabe der Erziehungswissenschaften, die grundlegende Diskussion um die pädagogische Bedeutung, die Schlüssigkeit der inhaltlichen disziplinären Zuordnung und Abgrenzung des MINT-Bereiches zu führen oder zumindest zu begleiten. Sie hätte auch die Legitimität breiter pädagogischer Maßnahmen zur mittel- und langfristigen Fachkräftesicherung für einen Partialbereich * Der vorliegende Beitrag geht zurück auf einen Vortrag anlässlich der 16. Jahrestagung 2014 der Deutschen Gesellschaft für Technische Bildung (DGTB) in Oldenburg. Er erscheint im entsprechenden Sammelband unter dem Titel Gegen eine naturale Verkürzung Technischer Bildung. Ich verweise ausdrücklich auf meinen Beitrag Technikunterricht Bedingungen und Perspektiven In: tu H. 100, Er bleibt inhaltlich und bildungspolitisch (leider) aktuell. Die dort dargestellten Merkmale der Technik sollen an dieser Stelle erweitert, differenziert und modifiziert werden, insbesondere im Hinblick auf die gesellschaftlichen und ökonomischen Aspekte. 5

6 tu: Fachdidaktik Allgemeine Probleme der Gesellschaft diskutieren müssen. Doch hat sie sich weder dieser Fragestellungen angenommen noch wurde sie von maßgeblicher Seite dazu aufgerufen. In der Zeit der Beratungen über die Etablierung technischer und ökonomischer Bildung bzw. der Arbeitslehre gab es in den sechziger und siebziger Jahren eine deutlich breitere erziehungswissenschaftliche Befassung, Inanspruchnahme, Diskussion und Mitarbeit, auch wenn sie die gymnasiale Abschottung nicht hat überwinden können. Ich erinnere da an Wolfgang Klafki, Wolfgang Schulz und Herwig Blankertz. 6 Die jüngsten Schulreformen mit fundamentalem Anspruch, nämlich die (mittlerweile fast vergessene?) Ausrichtung des gesamten Schulsystems am Qualifikationsbegriff, an den sogenannten Schlüsselqualifikationen, aber auch die derzeit geforderte generelle Output-Orientierung des Schulwesens mit der generellen Ausrichtung an überprüfbaren Kompetenzen sind weitgehend ohne Einbeziehung, Befragung, Erörterung der allgemeinen Erziehungswissenschaften und der Schulpädagogik vollzogen worden. 7 Versagen oder Düpierung? Aus den Erziehungswissenschaften ist mir nur eine Stimme bekannt, die sich zu MINT vernehmbar äußert. Sie kommt von dem Schweizer Rudolf Künzli, dem Lehrplanexperten, der eine Zeitlang Erziehungswissenschaften am IPN in Kiel vertrat, also durchaus mit der Materie nicht unvertraut ist. Er hält die Zusammenfassung der MINT- Fächer in mehrfacher Hinsicht für problematisch, denn sie hat keine hinreichende sachliche Grundlage und fördert gesellschaftliche Stereotype, etwa das der zwei Kulturen, das der von Frauen zu erobernden Männerdomänen und das der Unterscheidung nach harten, nützlichen und weichen, weniger rentablen Wissenschaften. 8 Das Nationale MINT-Forum, ein Zusammenschluss der MINT-Akteure, charakterisiert sich folgendermaßen: Im Nationalen MINT-Forum setzen sich über 30 große, überregional tätige Wissenschaftseinrichtungen, Stiftungen und Verbände gemeinsam für eine bessere Bildung in den Bereichen Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT) entlang der gesamten Bildungskette ein: von der frühkindlichen über die schulische, die berufliche und akademische Bildung bis hin zur Weiterbildung und zum lebenslangen Lernen. Im Nationalen MINT-Forum werden konkrete Forderungen der Wirtschaft und Forschung an Politik und andere gesellschaftliche Akteure formuliert. 9 Sprecher des Forums propagieren das MINT-Konzept mit hohem pädagogischem Anspruch: Eine solide naturwissenschaftlich-technische Grundbildung der gesamten Bevölkerung wird immer wichtiger, weil die Gesellschaft neue Technologien verstehen, beurteilen und bewerten muss. MINT-Grundbildung ist unerlässlich, um die Balance zwischen gesellschaftlichem und wirtschaftlichem Nutzen sowie den berechtigten Interessen des Einzelnen zu finden. 10 Die bereits angesprochene KlettMINT- GmbH ist da schwäbisch-nüchterner und direkter: Der Wirtschaftsstandort Deutschland ist akut gefährdet durch den Mangel an Nachwuchs in den MINT-Qualifikationen (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik). Der Engpass an naturwissenschaftlich-technisch qualifizierten Fachkräften ist ein strukturelles Problem, das heute schon als Wachstums- und Innovationsbremse einen hohen Wertschöpfungsverlust für die deutsche Volkswirtschaft verursacht mit steigender Tendenz. Die deutsche Wirtschaft unternimmt daher bereits eigene, enorme Anstrengungen, um dem MINT-Fachkräftemangel entgegenzuwirken. Das Image der MINT-Fächer in der Öffentlichkeit, in Elternhaus, Schule und Hochschule, aber auch deren Quantität und Qualität, muss deutlich verbessert werden. Die Klett MINT GmbH greift diese Themen dienstleistungsorientiert auf und hilft Industrie und Wirtschaft ihre Kommunikationswünsche in den Schulen, bei Lehrern, Eltern und Schülern oder bereits in der frühkindlichen Bildung zu platzieren (Unterstreichung B.S.). Erreicht wird dieses beispielsweise durch hochauflagige Medien zur Berufsorientierung, durch die Veranstaltung von Kongressen oder anderen gemeinsamen Projekten oder durch Entwicklung und Vertrieb von Lehrmitteln zur Steigerung der Technikfaszination. 11 Ist das keine Beihilfe zu einer Art von Kindesmissbrauch? Oder ist es nur eine Art von Freiheitsberaubung? Oder nur eine Art geistiger Überwältigung? Die Beschreibung der Ziele und die Beschwörung der Zukunftssorgen bei der MINT-Diskussion fokussieren sich sehr oft auf die Technik nicht im Sinne der Sorge um eine humane und nachhaltige Entwicklung der Technik, sondern im Hinblick auf die Sicherung des Techniknachwuchses. Von der Sorge um verpasste Nobel-Preise oder von der Sorge um den Zustand der Natur oder von der Sorge um falsche Weltdeutungen durch den Mangel an naturwissenschaftlicher Orientierung ist kaum die Rede. Vielmehr geht es offenbar um Wettbewerbsfähigkeit, Technik und Wertschöpfung. Dies ist insofern verwunderlich, weil damit der Eindruck entsteht, als hätten die traditionsreichen und in sich hochdifferenzierten Disziplinen Mathematik, Biologie, Chemie und Physik (und auch die Technik) keine eigene gesellschaftliche und kulturelle Bedeutung, keine eigene wissenschaftliche Dignität, keine spezifischen Inhalte, Deutungsdimensionen, Reichweiten und Arbeitsformen, keine anderen Kooperationsbezüge, keine anderen Bildungsperspektiven als die im Hinblick auf die Talentförderung und ökonomische Zukunftssicherung. Verwunderlich ist dies auch im Blick auf den Umstand, dass es den Vertretern der Schulfächer Biologie, Physik und Chemie offenbar sehr schwer fällt, sich zu einem Fach Naturwissenschaften oder Natur zusammenzuschließen. Und nun soll das Feld der Einigung und grundsätzlichen Bezugnahme noch um die komplexe Mathematik, die Informatik und die weitverzweigte Technik erweitert werden? Vor solchem Hintergrund erscheint es wirklich rätselhaft, dass die MINT- Fächer als eine Einheit beschworen werden, wenn MINT quasi als pädagogisches Markenzeichen mit einer 6 tu 156 / 2. Quartal 2015

7 Allgemeine Probleme tu: Fachdidaktik gemeinsamen didaktischen Zuständigkeit und Perspektive propagiert wird. Bisher unwidersprochen formuliert das Nationale MINT-Forum in einem Grundsatzpapier den Anspruch auf eine einheitliche MINT-Bildung im Kontext ganzheitlicher Bildung. Ungerührt davon, welch noch so disparate Fächer zusammengefasst werden, spricht man von MINT-Zielen, von MINT-Inhalten, von MINT-Themen, von MINT- Wissen, von MINT-Grundbildung etc. Das Gemeinsame sieht das Forum offenbar darin, dass MINT den Umgang mit empirisch belegten Sachverhalten fördert und übt. Die Beschäftigung mit den Naturwissenschaften erzieht dazu, objektivierte, d. h. intersubjektiv prüfbare Sachverhalte anzuerkennen und damit umzugehen. Die Liste der angestrebten Kriterien und Tugenden ist lang und sie gehören allesamt zum Reich der Notwendigkeit : Gesicherte Erkenntnisse, Offenheit und Staunen, Genauigkeit und Ehrlichkeit, Faktenorientierung, Abstraktionsneigung. Objektivität, Rationalität, Machbarkeit, Effektivität, Effizienz. Was hier aufscheint, lässt sich auch verstehen als ein umfassendes Programm zur massenhaften Disziplinierung: Denn MINT versteht sich nicht als frei wählbares Angebot, vielmehr kommt MINT in allen Phasen der Bildungsbiografie eine zentrale Rolle zu ( ) und muss in den Bildungsinstitutionen entlang der gesamten Bildungskette fest verankert werden. Die im MINT häufig verwendete Assoziation von Bildung und Kette erscheint mir hier durchaus aufschlussreich. In dem Grundsatzpapier wird ein bilderbuchmäßig schlichtes Weltverständnis beschworen: Unsere Umwelt, unsere Kultur und unsere Gesellschaft werden durch ein wissenschaftliches Weltverständnis, naturwissenschaftliche Erkenntnisse und durch die Nutzung technischer Geräte geprägt. Sich der Voraussetzungen, Bedingungen und Folgen des Einsatzes neuer Technologien bewusst zu werden, ist Aufgabe einer breiten MINT-Bildung für alle Menschen. Die neuen Technologien kommen offenbar mit naturhafter Zwangsläufigkeit daher! Die Rolle der Technik wird in der Sphäre der Anwendung der Naturgesetze verortet. tu 156 / 2. Quartal 2015 Ihr wird immerhin Kreativität im Umgang mit mathematisch-naturwissenschaftlichen Grundlagen zugestanden bzw. abverlangt. Ihr Sinn, Zweck, ihre Struktur werden nicht thematisiert. Die Lebenswelt der Menschen, die Gesellschaft, die Kultur, Ökonomie und Politik bleiben außen vor. Lediglich die Ethik, welche die Anwendung der naturwissenschaftlichen Erkenntnisse begrenzen soll, wird beschworen. Die Technik wird auch als methodisches Element für den MINT-Unterricht angesprochen. Bei den Beispielen geht es offensichtlich nicht um Exemplarität, um Anlässe für den Aufbau eines technischen Grundverständnisses und die Entwicklung grundlegender technischer Fähigkeiten. Im Zusammenhang mit der Klage über Angst, Desinteresse und Demotivation im Physik- und Chemieunterricht heißt es: Durch die Verbindung von Alltagsphänomenen mit naturwissenschaftlichen Grundlagen und technischen Problemlösungen wird ein neuer Zugang zu MINT vermittelt. Technik als Motivationsmittel, quasi als didaktisches Gleitmittel! Von einer kritischen Diskussion des Grundlagenpapiers so dringend sie nötig wäre ist mir nichts bekannt. 12 Prognosen Wo der zukünftige Fachkräftemangel in den sogenannten MINT-Berufen beschworen und die Schule für dessen Überwindung in Anspruch genommen wird, da lohnt sich der Blick auf den Arbeitsmarkt über den MINT-Bereich hinaus. Dabei zeigt sich, dass der Fachkräftemangel nicht auf die so genannten MINT-Disziplinen beschränkt ist. Ihn gibt es in durchaus beklagenswerter und strukturell gefährlicher Weise bei: Landärzten, Handwerkern, Facharbeitern, Pflegekräften, Kraftfahrern, Polizisten, Feuerwehrleuten, Bauern, Jägern, Hebammen und damit ist man bei dem gravierendsten Nachwuchsmangel: bei dem der fehlenden Kinder. 13 Wäre der Kindermangel behoben, dann wäre auch der beklagenswerte Mangel bei den MINT-Fächern und anderen Bereichen nicht mehr so schlimm. Hier fällt es schwer, nicht satirisch zu fragen: Wo bleibt der nationale Gipfel, wo das nationale Forum, wo bleibt das von Verantwortungsbewusstsein getragene Engagement von Akademien, von Stiftungen, von Industrie und Schule, um die Begeisterung für die Vermehrung und für das andere Geschlecht schon früh zu wecken? Fehlt dafür nur der verführerische Name? Bei der Frage nach dem künftigen Fachkräftemangel ist freilich auch die Verlässlichkeit von Prognosen zu bedenken, nicht nur im Hinblick auf die Methodik der Studien, sondern auch im Hinblick auf die schwer einzuschätzenden Entwicklungen in Gesellschaft und Technik. So ist die Stellung und Anforderungsstruktur der Fachkräfte in der derzeit diskutierten INDUSTRIE 4.0 durchaus offen. 14 Mögliche Produktionsverlagerungen, Konjunktureinbrüche etc. sind nicht prognostizierbar. Gutachten über den mittelfristigen Ingenieurbedarf sagen entweder leichte Engpässe oder einen deutlichen Überschuss an Ingenieuren voraus. 15 Dabei gibt es z. T. drastische Nachfrageunterschiede nicht nur zwischen den einzelnen Ingenieurdisziplinen, sondern auch zwischen den sogenannten MINT-Fächern. Gäbe es einen funktionierenden Arbeits-Markt, dann würde sich die Bezahlung am Bedarf ausrichten und damit die Berufswahl beeinflussen freilich mit der Gefahr des gerade im Ingenieurmarkt bekannten Schweinezyklusses. An einer Verteuerung der MINT-Kräfte haben Arbeitgeber maßgebliche Akteure in der MINT-Bewegung naturgemäß wenig Interesse, eher an einem Überschuss, aus dem sie wählen können. Die MINT-Arbeitskräfte gehören auch heute nicht zu den Spitzenverdienern. MINT- Fächer schlecht bezahlt Vor allem Frauen verdienen hier eher schlecht. So kennzeichnet ein Magazin die Ergebnisse eine Studie des DIW. 16 Nein, es geht wohl nicht nur um den Fachkräftemangel, sondern um Wertschöpfung und nicht zuletzt um Einflussnahme und man erhebt dabei den Anspruch auf Zuständigkeit und Kompetenz. 7

8 tu: Fachdidaktik Zuständigkeiten und Kompetenzen Da man als Industrie Technik im großen Maßstab produziert und vermarktet, da man die Ingenieure einstellt und für sich arbeiten lässt, meint man zu wissen, was Technik ist und was dafür notwendig ist und unterstützt daher das MINT-Konzept mit großem Eifer. Dabei blendet man jedoch die Vielfalt der real existierenden Tätigkeits- und Anforderungsprofile der Ingenieure in der Arbeitswelt und die damit gegebenen in dem MINT-Konstrukt nicht berücksichtigten Bezüge der Technik zur Ökonomie und zur Gesellschaft aus. Ingenieure arbeiten nicht nur in Konstruktion, Produktion und Inbetriebnahme, sondern auch im Vertrieb, Einkauf und Verkauf, in Reparatur, in Entsorgung und Recycling, in Beratung, in Kontrolle, im Prüfwesen, in der öffentlichen Verwaltung, in Medizin, beim Militär, im Verkehrsbereich, im Patentwesen, in der Lehre, in der Wissenschaft.. Technik als Anwendung von Naturwissenschaften MINT gewinnt seine Schein-Evidenz aus der gesellschaftlich und selbst bei den technischen Eliten weit verbreiteten Vorstellung, dass die Technik wesentlich zustande kommt durch die mathematisch unterstützte Anwendung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse. Eindeutigkeit, Berechenbarkeit und Objektivität sind die ihr zugeschriebenen Attribute. Theodor Litt hat dem die philosophische Deutung gegeben: Technik sei die wirkungsmächtigste Manifestation des Gesetzes der Sache und die Erziehung zum uneigennützigen Sachdienst eine pädagogische Notwendigkeit. 16 In diesem Sinne hat die KMK schon früh die Technik dem mathematischnaturwissenschaftlichen Aufgabenfeld der Schule zugewiesen. Nachdem sich vor allem die höhere Schule jahrzehntelang prinzipiell wegen des vermeintlich fehlenden Bildungswertes gegen die Berücksichtigung der Technik gewehrt hatte, wurde das Aufgabenfeld in mathematisch-naturwissenschaftlich-technisches Aufgabenfeld umbenannt freilich ohne angemessene fachliche Verankerung der Technik. Das wurde und wird damit begründet, dass die Theorie der Technik in den Naturwissenschaften enthalten sei und die Technik lediglich deren praktische Anwendung umfasse. Ein eigener Technikunterricht für das Gymnasium als Schule der geistig Begabten sei schlicht wesensfremd. Technikunterricht sei lediglich etwas für das niedere und evtl für das mittlere Schulwesen. 17 Mathematik und Naturwissenschaften als Grundlage der Technik: An der Aufrechterhaltung dieses Stereotyps haben die etablierten Fächer der Schule auch ein Interesse, sichert es ihnen doch einen wesentlichen Teil ihrer öffentlichen Reputation. Verwiesen sei auf die bewährte Anlage der Ingenieursstudiengänge, bei denen die Studierenden in den ersten Semestern ohne je eine Einführung in die allgemeinen Technikwissenschaften bzw. Allgemeine Technologie zu erhalten sich durch naturwissenschaftliche und mathematische Pflichtveranstaltungen hindurcharbeiten müssen, bevor sie die technischen Kurse belegen dürfen. Sie erleben diesen Stereotyp als Initiationsritus. Hier trennt sich die Spreu vom Weizen, Nur die Harten kommen in den Garten, so triumphieren die dafür Verantwortlichen und leiten aus der Höhe der Abbrecherquoten (in den Technikfächern immerhin ca. 50 %) 18 den Anspruch und die Güte ihrer Lehre ab, eine durchaus von Kundigen längst beklagte, aber noch kaum veränderte Praxis! 19 Durchaus unbescheiden erhebt die MINT-Bewegung nicht nur den Anspruch auf eine effektive Beseitigung des Arbeitskräftemangels, sondern auch den Anspruch auf eine MINT- Grundbildung als eine spezifische Weise einer mathematischen, naturwissenschaftlichen und technischen Grundbildung. Wenn ich hier die informationelle Grundbildung nicht berücksichtige, dann deshalb, weil die etablierte Informatik ein Mischfach aus Mathematik Allgemeine Probleme und Technik darstellt. Sie ist in das MINT-Modell wohl weniger aus inhaltlichen, sondern eher aus phonetischen Gründen aufgenommen worden. Ich kann mir nicht vorstellen, dass die MINT-Bewegung ohne das I also als MNT-Bewegung einen solchen Erfolg gehabt hätte. Wer unterstützt wohl ein MN-Konzept? Da liegt auch die Frage nicht fern, ob nicht auch die Technik nur deshalb in den Namen MINT kam? Immerhin könnten wir Technikdidaktiker nun fordern, dass da, wo Technik drauf steht, auch Technik drin sein muss und zwar in einer unverstümmelten Weise! Die Tatsache, dass in MINT von den Fächern gesprochen wird, sichert freilich nicht die Berücksichtigung eines spezifischen Technikunterrichts und noch nicht einmal die Berücksichtigung eines Studienfaches Technik: In dem rot-grünen Koalitionsvertrag von Rheinland-Pfalz für ist die MINT-Förderung ausdrücklich genannt, aber darunter wird lediglich der mathematisch-naturwissenschaftliche Bereich der Schule verstanden. Von einer gezielten Technischen Bildung ist nicht die Rede. In solchem Kontext deutet ein Gymnasium mit MINT-Zweig aus Hamburg- Harburg (aber ohne Technikunterricht) unter Berufung auf den DUDEN die Technik als die Gesamtheit aller Maßnahmen, Einrichtungen und Verfahren, die dazu dienen, naturwissenschaftliche Erkenntnisse praktisch nutzbar zu machen. 20 Wer braucht daher noch ein entsprechendes Schulfach, das doch nur die Nutzbarmachung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse zum Inhalt haben könnte?! Da reichen die Verweise der vermeintlich ohnehin kundigen Naturwissenschaftler auf die sogenannte praktische Anwendung und das Einstreuen einiger beliebiger, aber spannender Praxisübungen nicht zuletzt in der Hoffnung, damit die Attraktivität des bislang eher unbeliebten Unterrichts zu steigern. Die Robert-Bosch-Stiftung bietet dafür Unterrichtsmaterialien zur Technik im naturwissenschaftlichen Unterricht 8 tu 156 / 2. Quartal 2015

9 Allgemeine Probleme tu: Fachdidaktik an, die man ohne teure Geräte und ohne großen Zeitaufwand umsetzen könne. 21 Die Technik als ein Bereich eigenständiger Theorie und Praxis, als ein Kulturbereich mit fundamentalen Bezügen zum Menschen, zur Gesellschaft und auch zur Ökonomie ist im MINT-Bereich keine gesicherte Größe. Und der Umstand, dass man zumeist nicht von Natur, sondern von Naturwissenschaften spricht, jedoch von Technik aber nicht von den Technikwissenschaften, geschweige denn von der Spezifik und Differenziertheit technischen Handelns, dieser Umstand verweist auf einen Mangel an Reflexion, auf die Wirksamkeit von Stereotypen im Sinne von Schein-Evidenzen. Nun soll nicht behauptet werden, dass die Akteure des MINT diese Stereotype durchschauen und perfiderweise instrumentalisieren. Vielmehr erscheinen sie mir zumeist selbst Opfer dieser stereotypen Deutung. Das zugrundeliegende Grundmuster lautet: Keine Technik ohne Naturwissenschaften und Mathematik. Technik ist die Anwendung der Naturwissenschaften. Ohne Technik und ohne die dazugehörigen Ingenieure keine Zukunft. Daher MNT und daher weil es besser klingt und mehr positive Assoziationen hervorruft MINT. Ignoranz gegenüber einer entwickelten Technikdidaktik Rätselhaft ist die Ausblendung der Entwicklung und der Ergebnisse der Technikdidaktik und der konkreten Beispiele einer Technischen Bildung in der Bundesrepublik der letzten 50 Jahre. Die Ignoranz betrifft aber auch die Polytechnische Bildung in der DDR sowie den Technikunterricht jenseits der Landesgrenzen. 22 Das Rätselhafte verfliegt, wenn man sich die bisherige Fixierung auf das Gymnasium und auf die diesem vorgelagerte Grundschule vergegenwärtigt. Das Gymnasium hatte sich bisher weitgehend erfolgreich gegen eine unterrichtliche Verankerung der Technik gewehrt und die auf das Gymnasium fixierten MINT-Apologeten haben die Entwicklungen in den anderen Schularten geflissentlich ignoriert. Nach tu 156 / 2. Quartal 2015 dem Muster Früh krümmt sich, was ein Häkchen werden will nimmt man die Grundschule in den Blick und hofft auf die Erzeugung einer Forschungsbegeisterung schon in der frühen Kindheit. Dabei geht es nur selten darum, den genuinen Fragen der Kinder gerecht zu werden, sondern um schlichte Propädeutik. Man ist sich dabei oft nicht zu schade, mit Schutzbrillen und weißen Kitteln einen pseudowissenschaftlichen Mummenschanz zu fördern und an ausgedachten und oft wenig kindertypischen Fragestellungen schon früh die Akzeptanz entfremdeten Lernens zu üben. Die Ignorierung und Ausblendung der Ansätze und Ergebnisse der Technikdidaktik der letzten Jahrzehnte, vor allem an den Grundschulen, Hauptschulen, Realschulen, Gesamtschulen und vereinzelten Gymnasien sind insofern unverständlich, als sie überhaupt nicht schulartspezifisch, sondern strikt allgemeinbildend und in der Perspektive von Mündigkeit konzipiert sind. Wenn man wirklich an einer generellen Förderung technischer Bildung interessiert wäre, wenn es wirklich um die Förderung der Technischen Bildung auf allen Ebenen gehen würde, dann müsste diese Ausblendung rasch überwunden werden. Freilich müsste man sich dabei auf das Konzept einer Technischen Bildung einlassen, das sich nicht auf einer vermeintlichen interdisziplinären Einheit von Mathematik, Naturwissenschaften, Informatik und Technik gründet sondern die Technik als Bereich eigener Theorie und Praxis begreift mit fundamentalen Bezügen zum Menschen, zur Gesellschaft, zur Ökonomie, zur Politik und zur Kultur. 23 Aspekte eines ungekürzten Technikverständnisses Mittlerweile hat sich das im MINT- Bereich dominante Deutungsmuster Technik als Anwendung von Naturwissenschaften durch die Forschungen der allgemeinen Technikwissenschaften, der Produktplanungstheorie, der Technikphilosophie, der Techniksoziologie, der Technikgeneseforschung, der Technikgeschichte als kurzschlüssig und falsch erwiesen. Damit ist eine nach dem MINT- Muster verbundene Thematisierung der Technik weder wissenschaftlich noch pädagogisch und bildungstheoretisch zu legitimieren. 24 Obwohl entsprechende Veröffentlichungen z. T. schon vor Jahrzehnten erschienen sind, haben sie noch wenig Einfluss auf den gesellschaftlichen und wissenschaftlichen Mainstream gewonnen, auch nicht und das ist besonders bedauerlich auf die Forschung und Lehre in der Ingenieurausbildung. Offenbar bezieht die Schwerkraft traditioneller Vorurteile und Sichtweisen ihre Stärke nicht nur aus Bequemlichkeit und Ignoranz, sondern auch daraus, dass sie die Interessen ihrer Vertreter sichert. Das Bekannte ist darum, weil es bekannt ist, nicht erkannt. Hegel fordert daher die Anstrengung des Begriffes. Werfen wir also einen genaueren, aufgeklärteren Blick auf die Technik. Menschen, Bedürfnisse, Interessen Technik ist das Ergebnis einer von Bedürfnissen und Interessen geleiteten, zielgerichteten Auseinandersetzung von Menschen mit Gegebenheiten der Natur bzw. mit vorhandenen technischen Mitteln und Verfahren. Von der Gestaltung und Sicherung der Technik sind die Lebensbedingungen und Lebensperspektiven der Menschen abhängig. Das gilt nicht nur für die sogenannten Grundbedürfnisse, sondern für das ganze Spektrum menschlicher Bedürfnisse und Zielsetzungen. Die Sache Technik ist immer schon die Sache der Menschen. Technische Sachen sind materielle Manifestationen menschlicher Bedürfnisse und Interessen. Ihr Sinn und Zweck ist ihnen nicht äußerlich, sondern ist ihnen als produktbestimmende Faktoren durch ihre konkrete Gestaltung eingeschrieben. Das Funktionieren von Technik bedeutet das Erfüllen von Anforderungen, die durch die Ziele von Menschen bestimmt sind. Insofern ist die Trennung von Sachdimension und Humandimension, von Sachdimension und Sinndimension allenfalls zu analytischen Zwecken, nicht aber substantiell sinnvoll! 9

10 tu: Fachdidaktik Allgemeine Probleme In der Technik verwirklicht sich die Kreativität des Menschen in einer besonderen Weise. Die Entwicklung des Menschen ist untrennbar mit der Entwicklung der Technik verbunden. Technik ist daher wesentlicher Teil seiner Kultur, welche die Technik ebenso beeinflusst, wie umgekehrt die Technik die Kultur mitprägt. Technik wächst nicht an Bäumen. Technik ist Menschenwerk. Sie manifestiert sich in Artefakten (= Kunst- Werken) und Prozessen. Technik ist von Menschen oft unter Mühen gemachte Wirklichkeit. Technische Mittel und Verfahren entstammen differenzierten Arbeitsprozessen und sind oft selbst Mittel für Arbeitsprozesse. Sie werden jedoch nicht nur für Arbeitsprozesse realisiert, sondern dienen in weit bedeutenderem Umfang der umfassenden Lebensgestaltung der Menschen. Gesellschaft Technik ist keine Privatangelegenheit sondern ist grundsätzlich gesellschaftlich vermittelt. Das betrifft bereits das Zustandekommen von technischen Artefakten, das nur durch das Zusammenwirken mehrerer Akteure (sei es durch ihre konkrete Mitwirkung oder durch ihre Vorleistungen) möglich ist. Technik entsteht aus Lebenszusammenhängen und aus diesbezüglichen Handlungen. In der Techniksoziologie spricht man von Technik als soziale Praxis und von Technik als Lebensform. 25 Ihre gesellschaftliche Dimension und Reichweite kann man sich leicht beim Thema motorisierter Individualverkehr vergegenwärtigen. Eine Reduzierung auf das Artefakt Auto, geschweige denn auf die darin wirksamen Naturgesetze würde dem Thema überhaupt nicht gerecht werden. Der techniksoziologische Blick identifiziert drei grundlegende Dimensionen der Technik: 1. die Artefakte, 2. die Kompetenzen und 3. die Regulationen/Konventionen. 26 Diese Dimensionen stehen untereinander in vielfältigen Vermittlungszusammenhängen. Die Artefakte benötigen zu ihrer Herstellung, Verwendung, Reparatur, Prüfung etc. spezifische Kompetenzen, die sich bei Änderung der Artefakte selbst wieder modifizieren können oder sogar ganz obsolet werden. Eine Veränderung der Kompetenzen ermöglicht modifizierte bzw. ganz andere Artefakte. Die Herstellung und Verwendung der Artefakte benötigt zumeist Infrastrukturen, und damit neue Kompetenzen und Regulative. Zum Gebrauch der Artefakte, aber auch für ihre Herstellung und für die Erzielung der notwendigen Kompetenzen benötigt es unter Umständen Regulative/Konventionen, d.h. Abstimmungen, Verordnungen, Normen, Gesetze und wiederum Infrastrukturen zur Sicherung ihrer Geltung... Der gesellschaftliche Charakter von Technik ist beim Nachkauf einer ganz normalen Schraube für ein ganz normales Auto erfahrbar. Auf den ersten Blick ist die Schraube der Inbegriff eines wertneutralen, rein funktionalen Bauteils. Zunächst ist erfreulich, dass man keine spezielle, nur vom Autohersteller zu bekommende Schraube erwerben muss, sondern eine genormte, frei verkäufliche und damit preisgünstigere verwenden kann. Bei näherer Nachfrage erfährt man, dass als Ersatz für diesen Fall nur Schrauben mit einer bestimmten Festigkeit erlaubt sind. Bei einem deutschen Auto ist davon auszugehen, dass es sich um eine Schraube mit metrischem Gewinde handelt. Aus einer Liste ergibt sich die entsprechende DIN/ISO-Norm-Bezeichnung mit genauesten Maßangaben, mit festgelegten Herstellungsverfahren und Festigkeitswerten. Auf dem Kopf der Schraube findet man eine Zahlenkombination und ein geheimnisvolles Zeichen. Fragt man weiter, so erweist sich die Zahlenkombination als die gewährleisteten Festigkeitswerte und das Zeichen als Kennung des Produzenten. Diese Kennung soll es ermöglichen, bei einem Bruch der Schraube eventuelle Regressansprüche gegen den Schraubenhersteller geltend zu machen. Der Vermittlungszusammenhang von Gesellschaft und Technik gilt nicht nur bei dem gesellschaftlichen Charakter von Technik sondern auch bei dem technischen Charakter von Gesellschaft. So bilden Produktion, Bauen und Wohnen, Versorgung und Entsorgung, Transport und Verkehr, Information und Kommunikation quasi das materiale Rückgrat einer Gesellschaft. Technikwissenschaften Technik ist ein Bereich spezifischer Theorie und Praxis. Die Theorien der Technik artikulieren sich in den Technikwissenschaften. Die Technikwissenschaften sind in einem wesentlichen Teil Handlungsund Gestaltungswissenschaften. Die konkrete Entwicklung der Technikwissenschaften ist historisch stark an den Ausbildungsinteressen der Ingenieure und an den unmittelbar verwertbaren und von ihren jeweiligen Arbeitgebern nachgefragten Inhalten orientiert und weniger an der Aufklärung des Gesamtzusammenhanges von Technik. Der Ansatz einer auf den Gesamtzusammenhang ausgerichteten Technikwissenschaft, einer Allgemeinen Technologie, geht zwar schon auf das 18. Jahrhundert zurück, er ist aber in den real existierenden technischen Forschungs- und Ausbildungsstätten recht wenig verankert bzw. entfaltet. Den inhaltlichen Umfang einer allgemeinen Technikwissenschaft umschreibt Ropohl, der sich um die Entfaltung und Berücksichtigung einer Allgemeinen Technologie weithin verdient gemacht hat, folgendermaßen: Begriff der Technik; Technische Sachsysteme: Funktion, Struktur und Klassifikation; Technikverwendung im soziotechnischen System: arbeitsund sozialwissenschaftliche Analyse der Mensch-Maschine-Beziehungen; Grundlagen technischen Gestaltens: Erfindungstheorien, Planungs- und Konstruktionsmethoden, Produktionsprinzipien; Theorien der technischen Entwicklung: sozioökonomische und soziokulturelle Bedingungen und Folgen der Technisierung; Technikge 10 tu 156 / 2. Quartal 2015

11 Allgemeine Probleme tu: Fachdidaktik schichte und technische Prognostik; Technikbewertung und Technikpolitik. 27 Vergegenwärtigt man sich die mangelhafte Berücksichtigung dieser Inhalte (insbesondere der soziotechnischen und soziokulturellen) in den Ausbildungs- und Studienordnungen, so muss man folgern, dass die zumeist hochspezialisierten technischen Eliten in ihrer überwiegenden Mehrheit keine hinreichende Orientierung in ihrer eigenen Gesamtdisziplin erhalten. Sie können daher eigentlich nicht wissen, was sie sind und was sie tun. Die Naturwissenschaften und die Mathematik wurden ihnen in ihrer Ausbildung aber als Grundlagenfächer vermittelt, so dass ihnen letztlich kaum Kategorien zur Verfügung stehen, die Kurzschlüssigkeit einer vermeintlichen MINT-Einheit zu durchschauen. Das hat auch Auswirkungen auf die Rekrutierung des technischen Nachwuchses. Wer Eindeutigkeit, Neutralität und Berechenbarkeit schätzt, Mehrdeutigkeit und Pluralität als chaotisch und bedrohlich empfindet, der wählt oft von wohlmeinenden Kennern unterstützt eher technische Fächer und blendet die anderen Dimensionen erfolgreich aus zumal sie nicht Gegenstand verbindlicher Lehre und Examina sind. Rammert charakterisiert die im Rekrutierungsmuster sich stets selbst stabilisierende Sicht: Der eine beste Weg einer vermeintlich neutralen technischen Rationalität wird mit einem pluralistischen Chaos wertebehafteter Sozialität kontrastiert. 28 Technikpraxis Die Technikpraxis wird durch die Dimensionen Entwicklung, Herstellung, Gebrauch, Wiederverwertung und Entsorgung charakterisiert. Diese Dimensionen, deren Zusammenhang auch als Produkt-Lebenszyklus beschrieben wird, sind jedoch nicht gleichrangig, sondern haben ihr Zentrum im Gebrauch. Ohne den Gebrauch hat die Technik keinen Sinn und ohne Gebrauchstauglichkeit keinen Wert. Alle Herstellung (Planung, Konstruktion und Fertigung) hat ihr Sinnzentrum in der späteren Verwendung des Hergestellten und tu 156 / 2. Quartal 2015 legt dessen Verwendungszusammenhang schon weitgehend fest. Für das technische Handeln gilt die Trias Ziele, Mittel(Artefakte) und Folgen wobei sich in einem Artefakt je nach Komplexität mehrere zielerfüllende Funktionen als Haupt- und Nebenfunktionen vereinen, die Ziele sich oft mit unterschiedlichen aber legitimen Mitteln realisieren lassen und die unterschiedlichen Lösungen in unterschiedlicher Weise erwünschte und unerwünschte Folgen haben. 29 Janich kennzeichnet daher technisches Handlungswissen zu Recht als Handlungsfolgewissen. 30 Die erwünschten, beabsichtigten, durch technische Kunst bewirkten Folgen sind der eigentliche Zweck von Technik. Technik gilt gemeinhin als besonders starke Ausdrucksform zweckrationalen Handelns. Es ist daher höchst verwunderlich, dass die konkreten Zwecke, das lebensweltlich Erwünschte, in der technikwissenschaftlichen Systematik nur noch schattenhaft als Stoff-, Energie- oder Informations-Wandlung,- Transport oder -Speicherung auftauchen. Das erscheint sowohl der Fülle der menschlichen Zwecke geschuldet als auch dem Bestreben der Wissenschaft nach Generalisierung und Formalisierung. Damit besteht aber die Gefahr, dass das eigentlich Wichtige und Konkrete systematisch aus dem Blick gerät. Eine allgemeine technische Bildung, welche sich an den technischen Wissenschaften orientieren will, muss diese Gefahr des Verschwindens von Wirklichkeit durch eine zu starke systemtheoretische Formalisierung berücksichtigen und die lebensweltliche Struktur und Bedeutung von Technik auch aus einer phänomenologischen und hermeneutischen Perspektive zu erschließen trachten. Technische Systeme und Prozesse lassen sich unter dem Gesichtspunkt der Veränderung der Größen Energie, Stoff und Information beschreiben. Eine solche Betrachtungsweise hilft sehr bei der Analyse und Systematisierung der Vielfalt technischer Erscheinungen. Sie vermag es jedoch nicht, die wesentlichen Bestimmungsmerkmale der Technik zu treffen, auch nicht deren wissenschaftliche. Die Faszination durch diese vermeintliche technische Weltformel hat auch in der Technikdidaktik dort zu einem unheilvollen Reduktionismus geführt, wo sie dieses Deutungsmuster zentral stellte und die anderen von Ropohl angesprochenen Aspekte einer Allgemeinen Technikwissenschaft ausgeblendete bzw. marginalisierte. Demgegenüber wäre es angeraten, die übliche Fixierung auf einen deskriptiven Funktionsbegriff zu überwinden und den teleologischen, die Absichten und die Folgen umfassenden Funktionsbegriff mehr in das Zentrum der technikwissenschaftlichen und technikdidaktischen Reflexion zu stellen. 31 Offenheit für Lösungs alternativen Technik wird nicht einfach von Sachzwängen bestimmt, sondern ist das Ergebnis von Problemlösungs- und Entscheidungsprozessen. Im Prozess der Gestaltung von Technik gibt es auf jeder Ebene prinzipiell mehrere Lösungsmöglichkeiten. Um technischen Prozess überhaupt fortsetzen zu können, müssen in jeder Phase des Entstehungsprozesses Entscheidungen auf der Basis von Bewertungen der Alternativen getroffen werden. Konkretes Technisches Handeln ist werturteilsgesättigt. Das gilt selbst dann, wenn dies durch die Wahl üblicher Werte und Präferenzen gar nicht ins Bewusstsein gerät. Die Technikbewertung erfolgt also nicht erst am Ende des Prozesses. Die der Technik angemessenen Beurteilungskategorien sind nicht richtig oder falsch, sondern gut oder schlecht, bzw. besser oder schlechter im Hinblick auf die geforderten Eigenschaften. Diese Kategorien sind sozial konnotiert durch die Frage Für wen?. Technik ist nicht wertneutral. In den technischen Entscheidungsprozessen sind vielfältige oft widersprüchliche Anforderungen zu berücksichtigen. Technisches Handeln ist bezogen 11

12 tu: Fachdidaktik Allgemeine Probleme auf humane, ökonomische und ökologische Ziele, ein Handeln im Zielkonflikt. Der Kompromiss ist wesentliches Merkmal realisierter Technik. Die uns umgebende, angebotene und zugemutete Technik ist in der Regel das Ergebnis fremder Bewertungen und Entscheidungen. Technikakzeptanz kann deshalb keine angemessene Haltung zum Technikangebot sein. Der Umstand, dass es in der Technik nicht die eine beste Lösung gibt, sondern viele legitime Lösungen mit unterschiedlichen Vorteilen und Nachteilen, zwingt zu einem kritischen, die eigenen Interessen und Bewertungspräferenzen reflektierenden Verhalten. Technik, Ökonomie, Politik Realisierung, Verwendung und Entsorgung realer Technik tangieren die Interessen und Ziele von Herstellern, Anbietern, Verwendern und Folgebetroffenen. In einer pluralistischen Gesellschaft besteht kein grundsätzlicher Interessenkonsens zwischen den Akteuren. Daher ist die Rede von der Technik und von dem Menschen schlicht unwahr und letztlich blanke Ideologie. In dieser Gesellschaft ist auf dem Markt, der angeblich alles richten soll, die Marktmacht sehr ungleichmäßig verteilt und bei der Ausspähung und Manipulation der Kunden helfen nicht zuletzt Mathematiker, Naturwissenschaftler, Informatiker und Ingenieure mit. Es kommt daher auf die politische und rechtliche Verfasstheit der Gesellschaft an, auf das kritische und sachkundige Engagement der Bürger und auf eine ökonomische, politische und technische Bildung, die ihren Namen verdienen, wenn die Demokratie nicht auf Dauer Schaden nehmen soll oder soll man sagen?: damit Demokratie überhaupt wirksam werden kann. Nicht zuletzt sind es die Folgebetroffenen und die späteren Generationen, für die es wegen ihrer Nichtbeteiligung am Markt technikbezogene Normen und Gesetze geben muss, aber auch ein verantwortungsvolles und solidarisches technisches Handeln aller Agierenden, insbesondere auch der Techniker. In den Bewertungs- und Entscheidungsprozessen der Technik kommen kulturelle, gesellschaftliche, ökonomische und ökologische Zielsetzungen und Präferenzen zur Geltung. Diese Voraussetzungen sind für das Technikverständnis ebenso bedeutsam wie die Folgewirkungen der Technik. Der Technische Wandel, die Implementierung neuer Technik wird derzeit sehr oft weniger von humanen Bedürfnissen und von gesellschaftlichen Notwendigkeiten als vielmehr von ökonomischen Interessen im Sinne hoher Wertschöpfung bestimmt. Das führt zur raschen Entwertung der Produkte, ohne dass deren Gebrauchsnutzen sich verschlechtern würde und zur Vergeudung von menschlichen, ökonomischen, energetischen und stofflichen Ressourcen. Auch hier zeigt sich die Unwahrheit des Redens von der Wissenschaftsbestimmtheit von Technik und Gesellschaft. Die Geschwindigkeit des technischen Wandels lässt sich selten durch die Behebung von Unzulänglichkeiten, durch den Fortschritt der Naturwissenschaften und den Fortschritt der Technik erklären, sondern eher von den Wertschöpfungserwartungen der Wirtschaft, welche die Ingenieure und auch die Naturwissenschaftler und zunehmend auch die Sozialwissenschaftler in ihren Dienst nimmt. Die öffentliche Technikdiskussion mündet oft in die Forderung nach Technikakzeptanz. Gern wird das Bild von den kreativen, dem wissenschaftlich-technischen Fortschritt verpflichteten Ingenieuren gezeichnet, deren Ideen von der ängstlichen und unwissenden Bevölkerung nicht angenommen würden, worauf nicht nur Akzeptanz, sondern geradezu Technikbegeisterung eingefordert wird. Bei aller Lobrede vom tüchtigen Ingenieur wird leicht übersehen, dass die Ingenieure in der Regel keine selbstständigen Akteure des technischen Wandels sind, sondern in ihrer großen Mehrheit unselbstständig Beschäftigte, welche über ihr jeweiliges Pflichtenheft nicht frei verhandeln sondern dieses vorgegeben, bekommen und abarbeiten müssen. Wo in ihrem Bildungs- und Ausbildungsprozess werden sie davor bewahrt, zu Vertretern jenes Geschlechtes erfinderischer Zwerge zu werden, die für alles gemietet werden können? (Brecht, Leben des Galilei) 32 Das Verhältnis von Industrie und Gesellschaft ist durch das Bild der Versorgung der Menschen mit Gütern und Dienstleistungen mithilfe von Technik nicht mehr angemessen zu beschreiben. Aus Interesse an ihrer Selbsterhaltung und Expansion hat sich die Industrie von ihrer gesellschaftlichen Dienstfunktion weitgehend emanzipiert und sich zu einem mächtigen Akteur in Gesellschaft und Politik gemacht. Der Konsum immer neuer Produkte wird quasi zur Pflicht und mit großem Aufwand angefeuert. Die Technik wird dabei in vielfältiger Weise in den Dienst genommen. In Analogie zum militärisch-industriellen Komplex lässt sich von einem ökonomisch-industriellen Komplex sprechen, demgegenüber eine naive Haltung gefährlich ist. Diese Abhängigkeiten und Verflechtungen bewirken im Übrigen, dass weder die Sozietäten der Wissenschaftler noch die der Ingenieure zu gesellschaftlichen Orten des intensiven Nachdenkens über den richtigen, am Gemeinwohl orientierten Weg der Entwicklung von Wissenschaft, Technik und Gesellschaft geworden sind, ungeachtet ihrer Präambeln und Festtagsreden. Und die zunehmende Drittmittelabhängigkeit der Universitäten lässt nichts Gutes erhoffen. Risiko und Unbestimmbarkeit Technisches Handeln ist Handeln in der Perspektive des Risikos, des erhofften Gelingens und des befürchteten Scheiterns. Die Technikgeschichte bietet dafür vielfältige Beispiele. Technisches Handeln ist daher an eindeutigen Entscheidungen und an verlässlichen Rahmenbedingungen interessiert. Das Bedürfnis nach Verlässlichkeit, Eindeutigkeit und Berechenbarkeit der Folgen ist ein Grund für die Inanspruchnahme der Mathematik und der Naturwissenschaften (insbesondere der Physik, wobei sehr oft die eigentlich falsche, die Newtonsche Version reicht) durch die 12 tu 156 / 2. Quartal 2015

13 Allgemeine Probleme tu: Fachdidaktik Technik. Doch ist das Moment des Riskanten damit nicht zu bannen. In der Technikphilosophie spricht man vom Homo Technikus, als dem waghalsig Unwissenden, als dem Homo Inscius. 33 Die Komplexität der Entscheidungsstrukturen, klimatische Veränderungen, gesellschaftliche Strömungen, ökonomische Konkurrenz, drastische Spätfolgen, politische Entscheidungen usw. können auch wohlberechnete und technisch gediegene Projekte, ja ganze Industrien zum Scheitern bringen. Man denke an die Energiewende oder an die Diskussion in der Versicherungswirtschaft um die ungeklärten Auswirkungen von Nanoelementen in natürlichen Wasserkreisläufen. Die Rede von der Risikogesellschaft kommt nicht von ungefähr. Die Charakterisierung der Technik als Manifestation des Gesetzes der Sache erweist sich auch hier als Unsinn. 34 Angesichts des fortgeschrittenen Entwicklungsstandes der Technik mit ihren vielfältigen Lösungsalternativen und angesichts der gesteigerten Kenntnisse der technischen Wissenschaften sind gefährliche auch unbeabsichtigte Nebenwirkungen nur noch selten sachlich, d.h. aus dem mangelhaften Stand der Technik heraus zu rechtfertigen. Sie müssen vielmehr gesellschaftlich eingegrenzt, abgestellt bzw. verantwortet werden. Naturwissenschaften und Technik Technik ist substantiell keine Anwendung von Naturwissenschaften und Mathematik. Sie nutzt vielmehr naturwissenschaftliche Erkenntnisse und mathematische Instrumentarien für eigene Zwecke, insbesondere zur Optimierung. Die Naturwissenschaften sind nicht die grundsätzlichen Bedingungen gelingender Technik, was sich auch an historischen Beispielen zeigen lässt. Der Siegeszug der klassischen Wärmekraftmaschine, der Dampfmaschine, vollzog sich in einer Zeit, als in der Physik die Phlogiston-Theorie favorisiert wurde, eine aus heutiger Sicht unhaltbare Vorstellung von Wärme und Verbrennung. Die mächtigen Kathedralen damals High-Tech-Produkte wurden ohne eine Theorie der Statik von Tragwerken geschaffen. tu 156 / 2. Quartal 2015 Noch heute streitet sich die Physik um das richtige Verständnis des Auftriebs am Flugzeugflügel während sich Abermillionen von Menschen den Flugzeugen anvertrauen (können). 35 Es funktioniert, auch wenn wir nicht wissen warum. Aber wir können sagen, warum wir es machen und zeigen, wie wir es machen und können sagen, für wen wir es machen. Und: Wenn ihr uns sagen könnt, warum es geht, umso besser. (Sätze aus einer fiktiven Unabhängigkeitserklärung der Techniker gegenüber den Macht- und Deutungsansprüchen der Naturwissenschaftler ) Die Naturwissenschaften und die Mathematik sind bedeutende Hilfswissenschaften der Technik, sie bilden aber nicht die Grundlagen der Technik. Die Naturwissenschaften bedienen sich im Forschungsprozess zunehmend technischer Apparate und der Problemlösungskompetenz von Ingenieuren. Man kann daher von einem gegenseitigen Verhältnis von Hilfsdisziplinen sprechen, nicht aber von einer Einheit. Bei der Verwirklichung technischer Funktionen ist wenn sie nicht durch die Kombination und Variation bereits vorhandener technischer Lösungsmuster und Systeme realisiert werden können generell eine Auswahl unterschiedlicher natürlicher Effekte möglich (z. B. Schwerkraft, Auftrieb, Magnetismus, Elastizität). Sie sind Variablen, nicht Voraussetzungen. Ihre Auswahl richtet sich nach den menschlichen Zielsetzungen und Präferenzen sowie nach den gesellschaftlichen und ökonomischen Rahmenbedingungen. Die Notwendigkeit der Kenntnis der naturwissenschaftlichen Details dieser Effekte ist für Technikmacher, also für Ingenieure in der Regel durchaus höher als etwa für die Techniknutzer, die technischen Laien. Für diese sind beispielsweise das Funktionswissen, das Wissen um den Gebrauchswert, das Handlungswissen und das Infrastrukturwissen ungleich wichtiger. 36 Natürlich hat z. B. die Quantenphysik einen entscheidenden, ja ausschlaggebenden Beitrag zur Entwicklung des Transistors geleistet, aber die entsprechende Entwicklungsrichtung war technisch bestimmt. Röben spricht hier von einer technisch inspirierten, ökonomisch getriebenen naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung, welche zur Entwicklung des Transistors als einer Schlüsselerfindung geführt hat. Nachdem aber der Prototyp vorhanden war, bedurfte es für die Produktion und Modifikation von Transistoren, aber auch für die Konstruktion und Fertigung eines Transistorradios, oder gar für dessen Gebrauch i.d.r. keine quantenphysikalischen Kenntnisse mehr. Dafür kommen vielfältige, sehr unterschiedliche technische Kenntnisse und Fähigkeiten zum Tragen. Diese wegzublenden und die damals notwendigen fetskörperphysikalischen Erkenntnisse als entscheidend für die ganze halbleiterverwendende Technik zu reklamieren kommt einer geistigen Enteignung der Techniker gleich. 37 Die allenthalben geradezu mantramäßig vorgetragene Behauptung von der Technik als der Anwendung von Naturwissenschaften kontrastiert mit dem Tatbestand, dass man nirgends genauere Darstellungen und Demonstrationen zu diesem Prozess der Anwendung erhalten kann...? Ich habe selbst als junger Ingenieur bei meiner Arbeit diesen offenbar geheimnisvollen Wandlungsprozess nie wahrgenommen und verstanden, wohl aber den Umstand, dass ich mir bekannte naturale Effekte auswählend zunutze machen konnte. Die Naturwissenschaften haben keine Kategorien für das Verstehen von Technik geschweige denn für die Beurteilung und Bewertung von Technik. Mit ihrer Hilfe sind lediglichansätze des Erklärens möglich. Der Versuch Technik zu verstehen, kann durch eine Analyse der in ihr genutzten natürlichen Effekte nicht gelingen, sondern erst dann, wenn man die zielerfüllenden Funktionen identifizieren kann und wenn man die Entscheidungen nachzuvollziehen in der Lage ist, welche bei ihrer Verwirklichung gefällt wurden. Das den Gestaltungs- und Entscheidungsprozess bestimmende Pflichten-, bzw. Lastenheft enthält keine 13

14 tu: Fachdidaktik Allgemeine Probleme naturwissenschaftlichen oder mathematischen Vorgaben. Zur Beurteilung und Bewertung des Grades der Pflichterfüllung im Artefakt können sie keinen Beitrag leisten. Auf die Fragen nach dem Wieso? Weshalb? Warum?, die nach dem Votum der Sendung mit der Maus vor der Dummheit schützen, haben sie bezogen auf die Technik keine Antworten! Resümee Technikgestaltung und Techniknutzung sind nicht die praktischen Ausdrucks- und Anwendungsformen mathematischer und naturwissenschaftlicher Gesetzmäßigkeiten. Sie sind ebenso wenig nur die praktische Anwendung technikwissenschaftlicher Erkenntnisse und Gesetzmäßigkeiten. Sie haben ihren Kern in der Erfahrung und im Können und ihre Orientierung an den differenzierten menschlichen Interessen, Bedürfnissen, Wünschen, Ängsten und Hoffnungen und sie haben letztlich zu tun mit der Vorstellung von einem guten, richtigen Leben. Vor dem Hintergrund einer umfassenden hier nur bruchstückhaft dargelegten Technikanalyse erweist sich das MINT-Konzept als sachlich un- und kurzschlüssig. Es halbiert und verfälscht eine angemessene Wahrnehmung der Technik. Die Naturwissenschaft ist eigentlich nur eine Hilfsdisziplin der Technik, quasi die Magd im Haus der Technik. Durch die dominant naturwissenschaftliche Technikdeutung in der Schule wird die Magd zur Herrin ausgerufen. Diese Technikdeutung enteignet den Menschen seiner Urheberschaft, Herrschaft und Verantwortung. Das MINT-Konzept ist damit pädagogisch unsinnig, wenn es in der gegenwärtigen inhaltlichen Konstellation mit dem Anspruch auf Realisierung einer technischen Bildung in der allgemeinbildenden Schule auftritt. Wenn es in seiner gegenwärtigen Dynamik und Verfasstheit und Finanzkraft als Agent der Sicherung des Nachwuchses im Bildungswesen auftritt, dann ist es pädagogisch unanständig, weil es die Interessen der anderen von Nachwuchsproblemen betroffenen Disziplinen missachtet und außerdem die genuinen Aufgaben einer allgemeinbildenden Schule ignoriert. Es ist überdies strategisch und pädagogisch dumm, weil es suggeriert, dass der Zugang zur Technik und zu einem technischen Verständnis im Wesentlichen durch das Tor der Mathematik und der Naturwissenschaften zu erreichen ist. Damit verfälscht es nicht nur das Verständnis der Technik, sondern es weist gerade jene ab, welche einen Zugang zur Technik eher über die menschlichen Bedürfnisse, ihre kulturelle Bedeutung, ihre gesellschaftliche Relevanz und Problematik über die Kreativität und über die lebensweltliche Praxis gewinnen könnten. Angesichts der Fülle der mit dem MINT-Konzept zwangsläufig ausgesparten aber zur Technik substantiell gehörenden Aspekte und Bezüge gibt es für die Technikdidaktik eigentlich keinen Anlass, sich ernsthaft auf das Tjalve, Produktbestimmende Faktoren (siehe Anm. 24) MINT-Konzept einzulassen, gerade dann, wenn es als interdisziplinäre Einheit auftritt. Es führt auch bei allem guten Willen vieler seiner Akteure zu einer Verkürzung und Verfehlung Technischer Bildung. Da es den Gegenstand Technik m. E. um wesentliche Dimensionen verkürzt, bzw. diese randständig und beliebig macht, kann es technologische Aufklärung nicht fördern, sondern bewirkt Verdummung, auf z. T. hohem formalem Niveau. Gegen die eigentlich technikdidaktisch gebotene Zurückhaltung gegenüber MINT bleiben nur die Argumente, dass es ohne unsere Mitwirkung nur noch schlimmer würde, dass die Technische Bildung von der Aufmerksamkeit, die gegenwärtig der naturwissenschaftlichen Bildung und nun auch der Technik in der pädagogischen Öffentlichkeit zuteil wird, nicht profitieren würde, 14 tu 156 / 2. Quartal 2015

15 Allgemeine Probleme tu: Fachdidaktik dass die Technische Bildung von den für MINT bereitgestellten Mitteln nichts abbekäme. Anpassung und Diensteifer, aber auch Rückzug und Resignation sind wohl keine angemessenen Antworten auf die gegenwärtige Situation. Will die Technikdidaktik, wollen die Technikdidaktiker von der (wenn auch schiefen) Wahrnehmung der Technik profitieren und wollen sie eine bloße Appendixexistenz in der Schule überwinden, so müssen sie offensiv für eine unverkürzte Technische Bildung eintreten. Sie sollten die Desiderata in den MINT-Diskursen deutlich benennen und bereit sein, auch als bildungspolitische Spielverderber zu fungieren. Sie sollten auch diejenigen beim Wort nehmen, welche eine Förderung technischer Bildung versprechen, sie aber substantiell weder meinen noch inhaltlich benennen können. Die Chance besteht darin, dass man darauf besteht, dass dort, wo Technik draufsteht auch Technik drin ist bzw. hineinkommt. Sie sollten sich selbstbewusst als die Experten für Technik in der Schule zur Geltung bringen und auf den erarbeiteten technikdidaktischen Fundus hinsichtlich der Konzepte Inhalte, Methoden und Medien technischer Bildung verweisen. Insbesondere gegenüber jenen, welche die lange technikdidaktische Tradition bisher ignoriert haben. Sie sollten zur Geltung bringen, dass Technische Bildung nicht mit Gelegenheitsunterricht und nicht umsonst zu bekommen ist, sondern auf angemessene Fachräume, Deputate, Finanzen und ausgebildete Lehrkräfte angewiesen ist. Sie müssen auf die Klärung der bisher unklaren schulorganisatorischen Probleme hinwirken. Diese Klärung im Diskurs könnte dazu beitragen, dem MINT-Konzept den gegenwärtigen Glorienschein zu nehmen. In welcher Form soll das MINT-Konzept im Fächergefüge der Schule etabliert werden? Denkbar (und aus meiner Sicht am ehesten hinnehmbar) wäre MINT als bloße Sammelbezeichnung für die tu 156 / 2. Quartal 2015 diesbezüglichen autonomen Schulfächer einschließlich der Einrichtung eines Faches Technik, dort wo es noch nicht eingeführt ist. Diese Fächer wären gehalten, nicht nur intern aufeinander Bezug zu nehmen oder miteinander zu kooperieren, sondern themenabhängig auch auf andere Fächer der Schule einzugehen bzw. mit ihnen zu kooperieren. Denkbar wäre MINT als Fachbereich mit vorgegebenen Festlegungen. Dabei ist die Frage zu klären, wer diese Festlegungen trifft und in welcher Entscheidungs- und Absprachekonstellation und nach welchen didaktischen Gesichtspunkten die inhaltlichen Festlegungen erfolgen? Denkbar wäre ein neues Fach MINT neben den etablierten Fächern. Denkbar wäre MINT als Ersatzfach anstelle der etablierten Fächer. Zu klären wären dabei natürlich auch die Konsequenzen, die sich aus den jeweiligen Alternativen für die Lehrerbildung, die Lehrerfortbildung, die Fachraumgestaltung, die Schulbuchproduktion etc. ergeben. Dies lenkt den Blick auf das Problem der Didaktik. Bei der Propagierung interdisziplinärer MINT-Konzepte und auch bei Propagierung von Konzepten, eines einheitlichen ( interdisziplinären ) naturwissenschaftlichtechnischen Unterrichts (NT) wird stillschweigend von der Möglichkeit einer MINT-Didaktik bzw. NT-Didaktik ausgegangen. Nach sachlichen Gesichtspunkten kann es bei einem administrativ erfolgten Zwangsverband (euphemistisch Verbund bezeichnet) von Fächern mit sehr unterschiedlichen Inhalten, Methoden, wissenschaftlichen Strukturen, Urteilsgründen, Fachsprachen etc. keine einheitliche Gesamtdidaktik geben, ohne dass dabei substantielle Spezifika der beteiligten Disziplinen verloren gehen(müssen). Die Strukturen von Naturwissenschaft und die der Technikwissenschaft und die der Technikpraxis sind bereits so unterschiedlich, dass es sachlich unmöglich erscheint, eine halbwegs stimmige MINT-Didaktik oder eine NT-Didaktik zu begründen und zu etablieren, so wenig wie es bisher möglich war, eine stimmige Arbeitslehredidaktik zu entwickeln. Solch sachlicher Vorbehalt wird aber weder die großen MINT-Player davon abhalten eine entsprechende Didaktik zu fordern, noch die Hochschulen daran hindern, entsprechende Professuren einzurichten, wenn es ihnen Renommee verspricht oder wenn sie dadurch die Möglichkeit erhalten, die Stellen für die Einzeldisziplinen einzusparen. Genügend ehrgeizige Nachwuchswissenschaftler wird es sicher geben. MINT-Lehrer erleichtern den Schulleitungen auch den Lehrerein satz, können sie doch als Mathelehrer, als Biologielehrer, als Physiklehrer, als Chemielehrer, als Informatiklehrer oder als Techniklehrer eingesetzt werden. Wer dazu neigt, den gegenwärtigen MINT-Hype mit Geduld und ohne sich einzumischen einfach zu überstehen, der muss mit der Furcht leben, dass in der Zwischenzeit irreparable strukturelle Schäden im Bildungswesen verursacht werden. Wer sich von MINT eine Stärkung technischer Bildung erhofft, der sollte einen Blick auf die vordergründig positiven Signale werfen, die durch die Einführung von Fächern und Fächer- verbünden zum naturwissenschaftlich-technischen Unterricht gesendet werden. Doch die genaue Analyse ergibt erschreckende Befunde, welche an Etikettenschwindel gemahnen: So beispielsweise in Bayern, wo für die Klassen 5 bis 7 des Gymnasiums das Fach Natur und Technik eingeführt wurde. In Bayern beim Bier stolz auf sein Reinheitsgebot zeigt die Analyse, dass Technik in dem Fach Natur und Technik praktisch gar nicht enthalten ist! 38 Baden-Württemberg, einstmals ein Vorreiter in technischer Bildung reformiert gerade die Schule mit dem durchaus sympathischen Ziel stärkerer inhaltlicher Übereinstimmung zwischen den Schularten. Fatalerweise orientiert man sich dabei am Gymnasium, das sich bisher tapfer gegen eine Etablierung des Technikunterrichts gewehrt hat. Der Fächerverbund Biologie, Naturphänomene und Technik ist immerhin in den Klassen 5 und 6 im Pflichtbereich ausgewiesen! 39 15

16 tu: Fachdidaktik Allgemeine Probleme Doch ausweislich der offiziellen Stundenkontingenttafel ist für Technik in Gymnasium 2x ½ Stunde, also insgesamt nur eine(!) Stunde von 6 ausgewiesen; für Biologie 4 im Verbund plus 5 als eigenes Fach, für Physik insgesamt 8,5 und für Chemie 6,5 Stunden. Technik ist im Pflichtbereich der Sekundarstufe als eigenes Fach nicht vorgesehen. Das ergibt ein Verhältnis von Naturwissenschaften zur Technik im Gymnasium von 20 zu 1. Technik wird im Titel deutlich genannt, inhaltlich aber nicht berücksichtigt und der Fächerverbund wird in den Verlautbarungen des Ministeriums als naturwissenschaftlicher Fächerverbund mit einer Brückenfunktion hin zu den naturwissenschaftlichen Einzelfächern bezeichnet. In der Realschule und in der Werkrealschule ist das Verhältnis immerhin 22 zu 2. Solche Verhältnisse zeigen die ungebrochene Wirksamkeit des Fehl-Verständnisses von Naturwissenschaft und Technik im Bereich der Allgemeinbildung und die Macht des schulischen Establishments. Technik nicht für alle! Den Technikunterricht findet man, wenn überhaupt, im Wahlbereich, z. B. in BW, wo man sich zwischen den Fächern Technik und Alltagskultur, Ernährung, Soziales (AES, früher HTW) sowie der 2. Fremdsprache entscheiden muss. Das Gymnasium sieht das Fach AES gar nicht vor und die Technik kann im Wahlbereich neben der 3. Fremdsprache nur unter der geistigen Führung durch die Naturwissenschaften belegt werden. Das entsprechende Fach heißt dort Naturwissenschaft und Technik und wird als Kernfach für das naturwissenschaftliche Profil bezeichnet. 40 Das Fach ist gegenwärtig noch in der Erprobung. Aber man muss damit rechnen, dass das in der Namensgebung aufscheinende Versprechen auf eine solide und unverkürzte Technische Bildung nicht eingelöst wird. Es erscheint daher notwendig, nicht den Überschriften zu vertrauen, sondern die Konzepte und Lehrplanelemente, aber auch die vielen in das Schulsystem einströmenden Broschüren, Materialien und Kurse einer genaueren Analyse zu unterziehen und die entsprechenden Befunde in den Diskurs einzubringen. Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI), der viele Jahre für einen eigenständigen Technikunterricht in allen Schularten und Schulstufen maßgeblich mitkämpfte, hat sich offenbar dem wirtschaftlich verstärkten Sog der MINT- Bewegung ergeben. Er ist eines der Mitglieder des Nationalen MINT- Forums. 41 Der VDI hat dem Werben des Deutschen Vereins zur Förderung des mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts (MNU) nachgegeben und maßgeblich die Entwicklung eines didaktischen Konzepts eines interdisziplinären Ansatzes Natur und Technik für das Gymnasium unterstützt. Diesem Konzept gilt grundsätzlich die gleiche Skepsis, wie sie hier dem MINT gegenüber vorgetragen wurde und sollte technikdidaktisch genau analysiert und differenziert diskutiert werden. 42 Hoffnung macht nun die Forderung des VDI-Präsidenten Udo Neugeheuer auf dem Ingenieurtag 2015: Die Politik muss die technische Bildung endlich flächendeckend fest verankern. An allen Schulen, über alle Jahrgangsstufen hinweg. Auf einem Niveau, das deren enormer Bedeutung gerecht wird. 43 Schärfung des Technikverständnisses und Präzisierung der Essentials der Technikdidaktik Die Erfahrungen der Vereinnahmung, Ausgrenzung, Verkuppelung und Ignoranz im MINT- und NT- Zusammenhang bietet der Technikdidaktik durchaus die Chance der kritischen Bestandsaufnahme, der Vergewisserung und der inhaltlichen Weiterentwicklung. Sie sollten aber auch zu einer Intensivierung der Außenkontakte veranlassen etwa zu den Erziehungswissenschaften und zu den bildungspolitischen Entscheidungsträgern. Für eine Technikdidaktik, welche ihren inhaltlichen Gegenstand nicht verfehlen und verkürzen will, muss es darauf ankommen, die wesentlichen Merkmale der Technik noch genauer zu bestimmen, um sie bei der Präzisierung und Kritik der didaktischen Konzepte, der Bildungspläne, der Methoden, der Medien, der Kooperationskonzepte etc. angemessen berücksichtigen zu können. Die an dieser Stelle vorgetragenen Aspekte sind sicher ergänzungsbedürftig. Sie sollte dabei die sozialwissenschaftliche Technikforschung stärker zur Kenntnis nehmen und sie auf ihre Relevanz für die eigene Positionsbestimmung und Weiterentwicklung hin diskutieren. Gleiches gilt für die ökonomischen, für die kulturanthropologischen Dimensionen, die wissenschaftstheoretischen und philosophischen Dimensionen von Technik. Es stellt sich dabei durchaus die Frage, inwieweit die von Ropohl für eine Allgemeine Technikwissenschaft reklamierten inhaltlichen Dimensionen innerhalb der Technikdidaktik wahrgenommen auf ihre Relevanz geprüft und produktiv einbezogen wurden. An der gegenwärtigen Roll-Back-Situation hat die Technikdidaktik einen eigenen Anteil. So hat ihre Bereitschaft zur Zuordnung der Technikdidaktik zu den naturwissenschaftlichen Fakultäten und Instituten zur Verunklarung der Wahrnehmung von Technik und Technikunterricht beigetragen und das falsche Deutungsmuster des Verhältnisses von Naturwissenschaften und Technik in Hochschulen und Öffentlichkeit und auch bei den bildungspolitischen Entscheidungsträgern ungewollt verstärkt. Da die Fakultäten zumeist das Recht auf Selbstrekrutierung besitzen, erweist sich eine solche Zuordnung spätestens bei den Stellenbesetzungen als Falle für die Technikdidaktik, denn nicht immer nutzt der Appell an die Fairness. Die Technikdidaktik hat noch nicht genügend dazu beigetragen, die humanen, gesellschaftlichen, ökonomischen und kulturellen Dimensionen der Technik für die Unterrichtspraxis zu erschließen. Oft bleibt der Begriff Soziotechnik noch eine Leerformel und bei einer vorgegebenen Orientierung an einem mehrperspektivischen 16 tu 156 / 2. Quartal 2015

17 Allgemeine Probleme tu: Fachdidaktik Ansatz fungieren die Problem- und Handlungsfelder oft weniger als Suchfeld für die Bestimmung wirklich problemhaltiger und aufschlussreicher Themenstellungen als viel mehr als Rechtfertigungs- und Zuordnungsmuster recht beliebiger Themen. 44 Entstehung und Verwendung, Voraussetzungen und Auswirkungen von Technik und ihre Einbindung in soziokulturelle Zusammenhänge müssen noch stärker in den Fokus der Technikdidaktik und des Technikunterrichts rücken. Arbeiten wir an einem Technikunterricht mit menschlichem Antlitz indem wir die menschliche Urheberschaft und Zweckbestimmung von Technik stärker zur Geltung bringen! Arbeiten wir an einem Technikunterricht ohne Edelstahlglanz und ohne modernistische Rasanz und Helfen wir den jungen Menschen dazu, halbwegs souveräne Bürger im Technotop zu werden und nicht nur ausgespähte und manipulierte Kunden und nicht nur begeisterte Akzeptanten! Der pädagogische Auftrag bleibt: Technologische Aufklärung! Verlässliche Orientierung in der Welt der Technik! Befähigung zur Technikgestaltung, Ermöglichung der Erfahrung der Selbstwirksamkeit in der technischen Welt! Stärkung der Urteilskraft in den die Technik betreffenden Fragen! Für alle! Die freie Berufswahl ist ein Menschenrecht und die Erzeugung der Technikbegeisterung ist angesichts des konkreten Zustandes der Technik und angesichts der Einbindung der Technik in irrationale Verwertungszusammenhänge pädagogisch eher verantwortungslos. Mehr als ein gleichermaßen konstruktives wie kritisches Verhältnis zur Technik sollte man nicht anstreben. Wenn daraus wirklich eine Begeisterung erwächst, dann sollten dafür nicht Manipulation und Propaganda verantwortlich sein. Genügend Ingenieure und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Weltmarkt sind demgegenüber wirklich zweitrangig tu 156 / 2. Quartal 2015 wobei ich glaube, dass eine angemessenere, weil unverkürzte Technische Bildung die Bereitschaft zur technikbezogenen Berufswahl eher fördern als gefährden würde. Doch die künftigen Ingenieure wüssten im Zuge einer solchen umfassenden Grundbildung entschieden mehr darüber, was sie eigentlich tun und wären eher in der Lage, den Nutzen der Menschen zu mehren und Schaden von ihnen und ihrer Erde abzuwenden. Ob die Mehrheit der Apologeten der MINT-Bewegung daran, d.h. an grundlegend technisch gebildeten Ingenieuren und Bürgern wirklich ein Interesse hat, lässt sich bezweifeln. Eine solche, nicht natural verstümmelte Technische Bildung würde den Schleier der Naturnotwendigkeit und Wertneutralität eines in Wahrheit weitgehend von ökonomischen Interessen bestimmten technischen Wandels gründlich lüften. Anmerkungen und Nachweise: 1) STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics) bezeichnet ein groß angelegtes und ausgestattetes staatliches Programm der USA zur Sicherung bzw. Wiederherstellung der amerikanischen Dominanz in Wissenschaft, Forschung und Entwicklung. Wesentliches Instrument des Programms ist STEM-Education, ein interdisziplinäres Curriculum, das sich auf Naturwissenschaften, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik (STEM) konzentriert, wobei die Disziplinen nicht einzeln, sondern nur gemeinsam und aufeinander bezogen unterrichtet werden sollen. 2) Staatlich gefördertes Programm zur Sicherung des Nachwuchses in den Disziplinen Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT) durch MINT-Unterricht. 3) Für MINT-Schulen weist das Netz Treffer aus. Für MINT-Akademien , für MINT-Universität Alle machen mit! Eine kritische Prüfung dessen, wobei man da eigentlich mitmacht, wofür man in Anspruch genommen wird, findet nicht statt. Sie findet zumindest keinen Widerhall im Netz. 4) Z. B.: Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften: Stellungnahmen und Empfehlungen zur MINT-Bildung in Deutschland auf der Basis einer europäischen Vergleichsstudie. Berlin, Federführung O. Renn und U. Pfenning. Obwohl dabei weitreichende Forderungen zur Inhaltlichkeit und zur Didaktik des MINT-Unterrichts gemacht werden, sucht man bei den Autoren Erziehungswissenschaftler und Fachdidaktiker der betroffenen Fächer vergebens. Es bleibt völlig rätselhaft, wie die darin geforderte wissenschaftliche Mündigkeit und technische Mündigkeit unter Einbeziehung soziotechnischer Dimensionen in einem integrierten, Mathematik, Physik, Chemie, Biologie und Technik zusammenfassenden MINT-Sammelfach geleistet werden kann. 5) Pressemitteilung der Klett-Gruppe ) Blankertz, Theorien und Modelle der Didaktik. München 2000; Blankertz, H.: Didaktik der Arbeitslehre und ihre Konsequenzen für die Lehrerbildung. Bad Harzburg 1967; Klafki, W.: Neue Studien zur Bildungstheorie und Didaktik, Weinheim und Basel 2007; Klafki, W.: Bedeutung und Stellung der Werkerziehung in den allgemeinbildenden Schulen. In: Kaufmann/ Meyer (Hrsg.): Werkerziehung in der technischen Welt. Stuttgart 1967; Schulz, W.: Unterricht Analyse und Planung. In: Heimann / Otto / Schulz: Unterricht Analyse und Planung. Hannover 1972; Schulz, W.: Technik und Wirtschaft im Lehrplan der allgemeinbildenden Schule. In: Uschkereit / Mehrgardt / Kaufmann (Bearb.): Werkunterricht als technische Bildung. Weinheim, Berlin, Basel ) Sachs, B.: Schlüsselqualifikationen in der Berufsbildung und im allgemeinbildenden Technikunterricht. Teil 1 und 2 : In tu 69 u. 70 / 1993 Sachs, B.: Zum Bildungsverständnis der Bildungs -standards. In: Bienhaus, W. (Bearb.): Bildungsstandards und Qualitätssicherung in Hochschule, Schule und Studienseminar 7. DGTB- Tagung Berlin ) Künzli, R.: Der Slogan von den MINT- Fächern. Aarau Dez Lehrplanforschung.ch/?p=2901 9) 10) Kagermann, H. / Sattelberger, Th.: Nationales MINT-Forum (Hrsg.): MINT-Bildung im Kontext ganzheitlicher Bildung. Grundsatzpapier ) klett-mint-gmbh 12) Nationales MINT-Forum (Hrsg.): MINT-Bildung im Kontext ganzheitlicher Bildung. Grundsatzpaier ) Bundesministerium für Arbeit und Soziales Service/Publikationen/a756- arbeitsmarktprognose-2030.html 17

18 tu: Fachdidaktik Allgemeine Probleme 14) Forum soziale Technikgestaltung 15) Verschiedene Studien zu MINT- Arbeitsmarkt : IW, BIBB/IAB, DIW Frühjar 2015 Spiegel.de spiegel.de/karriere/berufsleben/ fachkraeftemangel-warum-dieingenieurluecke-doch-nicht-kama html de/handlungsfeld/mint- bildung/ fokus/2014.html uniabsolventen-punkten-nicht-immerstudium-oder-ausbildung-wann-lohntsich-was_id_ html 16) Litt, Th.: Technisches Denken und menschliche Bildung. Heidelberg 1957; Litt, Th.: Das Bildungsideal der deutschen Klassik und die moderne Arbeitswelt. Bochum o.j.; Litt, Th.: Das Problem der Menschenbildung in der modernen Wirtschaftswelt. Bielefeld 1955; Sachs, B. Allgemeinbildung und Arbeitswelt. Zur Rehabilitation des Neuhumanismus. In: Traebert; W.: Technik als Schulfach Bd. 3 Lehren und Lernen im Technikunterricht. Düsseldorf ) Beispielhaft deutlich ausgesprochen im Landtagsprotokoll Baden-Württemberg von Drucksache 8/1460 III/1 Beibehaltung des Faches Technik an Realschulen. S.9 f. Im Übrigen siehe: Sachs, B.: Grundlinien einer Geschichte des Technikunterrichts. In: tu 48, ) Welches MINT- Fach vor welchen Herausforderungen steht 19) Z.B.: Lovincach, J.: Auswendig lernen und wieder vergessen. Viele Ingenieurstudenten müssen Mathe pauken obwohl sie für ihren späteren Beruf davon wenig brauchen. In: Die Zeit, Nr. 41, ) Duden.online.de de/rechtschreibung/technik 21) Robert-Bosch-Stiftung: Technik im naturwissenschaftlichen Unterricht. content/language1/html/index.asp 22) Siehe Sellin, H. / Wessels, B. (Bearb.): Beiträge zur Didaktik der technischen Bildung ( ), Weinheim, Berlin, Basel 1970; Traebert, W. E.: Technik als Schulfach. Bände 1 6 im VDI-Verlag Jahresbände der Deutschen Gesellschaft für Technische Bildung (DGTB) seit 1998 Kohl, S. / Sachs, C.: Polytechnischer Unterricht in der DDR, Hamburg 2000 Zeitschrift für Technik im Unterricht tu seit 1976 Zeitschrift arbeiten + lernen Technik / Unterricht Arbeit und Technik Höpken, G./ Osterkamp, S./Reich, G. (Übers. u. Hrg.): Standards für eine allgemeine technische Bildung (USA) Bde. 1 u. 2 Villingen-Schwenningen 2003, 2004 Sachs, B.: Grundlinien einer Geschichte des Technikunterrichts. In: tu 48, ) Wilkening, F. / Schmayl, W. Technikunterricht Schmayl, W.: Didaktik allgemeinbildenden Technikunterrichts. Hohengehren 2010 Sachs, B.: Technikunterricht Bedingungen und Perspektiven. tu H. 100, 2001 Möller, K.: Technische Bildung im Sachunterricht der Grundschule. In: Duncker/Popp (Hrg.): Kind und Sache. Weinheim / München ) Banse,G./ Grunwald, A./ König, W./ Ropohl, G. (Hrg.): Erkennen und Gestalten Eine Theorie der Technikwissenschaften. Berlin 2006, Banse, G. / Hauser, R. (Hrg.): Technik und Kultur Bedingungs- und Beeinflussungsverhältnisse. Karlsruhe 2010 Banse, G.: Erkennen und Gestalten oder über Wissen-schaften und Machenschaften. In: tu H , Janich, P.: Die Struktur technischer Innovationen. In: Hartmann, D. / Janich, P. Die kulturalistische Wende. Frankfurt 1998 Krohn, W.: Eine Einführung in die Soziologie der Technik. Bielefeld 2006 (Uni Bielefeld) Rammert, W.: Technik Stichwort für eine Enzyklopädie. Berlin 1999 (TU Berlin) Rammert, W.: Technik, Handeln und Sozialstruktur: Eine Einführung in die Soziologie der Technik. TU Berlin 2006 Ropohl, G.: Eine Systemtheorie der Technik Zur Grundlegung der Allgemeinen Technologie. München / Wien 1979 Tjalve, E.: Systematische Formgebung für Industrieprodukte. VDI-Verlag, Düsseldorf und Goldach ) Krohn, W.: Eine Einführung in die Soziologie der Technik. a.a.o. 26) Krohn, W. a.a.o. 27) Ropohl, G.: Allgemeine Technologie Wissenschaft in didaktischer Absicht. In: Bonz, B. / Ott, B. (Hrg.): Allgemeine Technikdidaktik. Theorieansätze und Praxisbezüge. Baltmannsweiler 2003, 28) Rammert, W. Technik Stichwort für eine Enzyklopädie. a.a.o. 29) Wiesenfarth, G.: Zum technischen Handeln als Grundbegriff einer Technikdidaktik. In: tu H. 66, ) Janich, P.: Handwerk und Mundwerk. Über das Herstellen von Wissen. München ) Fies, H.: Allgemeine Technologie im Technikunterricht der allgemeinbildenden Schule? Teil 1 In: tu H. 139, ) Brecht, B. Das Leben des Galilei. 14. Aufzug 33) Leben im Technotop Technosophie Der Mensch im Technotop technosophie.de/aufsaetze.html 34) Beck, U.: Risikogesellschaft Auf dem Weg in eine andere Moderne. Frankfurt ) In der Flugphysik gibt es unterschiedliche Erklärungstheorien für den Auftrieb: Die Rückstoßtheorie nach Newton, die Theorie von Bernoulli und die Theorie der Zirkulationsströmung. Die Bernoulli-Theorie hatte ihre hohe Zeit als die Flieger die Luft eroberten. Sie gilt heute eher als falsch. Die Flugzeuge sind trotzdem geflogen. Die Flugzeugbauer nutzen den beobachteten und durch technische Maßnahmen beeinflussbaren Auftriebseffekt, wandten aber nicht das von Bernoulli formulierte Gesetz an. 36) Röben, P.: Von den Tücken der didaktischen Reduktion und der Notwendigkeit der Differenzierung des technischen Wissens. In: tu H. 150, ) Siehe den Beitrag von Röben in diesem Heft, S. 19 siehe auch S. 4 38) Kultusministerium Bayern, Fach Natur und Technik, Gymnasien contentserv/3.1.neu/g8.de/index. php?storyid= ) Kultusministerium Baden-Württemberg Biologie, Sek. I, Fächerverbund Naturphänomene und Technik. Startseite/schulebw/Bildungsplan+a ktuell#anker Stundenkontingente Sekundarstufe I 40) Startseite/schulebw/Bildungsplan+akt uell#anker ) VDI-Broschüre Entwicklung des Fachbereiches Technische Bildung im VD, Nov ) forschen-und-entwickeln/ 43) VDI-Nachrichten, Nr. 21, 22.Mai 2015, S. 2 44) Schlagenhauf, W.: Das Fach Technik in der Sekundarstufe Überlegungen zum aktuellen Stand, zu Problemen und Entwicklungsperspektiven. In: tu H. 154, 2014 Alle hier angegebenen Internethinweise wurden zuletzt am aufgerufen. 18 tu 156 / 2. Quartal 2015

19 Technikgeschichte tu: Sachinformationen Was man aus der Geschichte der Halbleiter- und Windkrafttechnik über das Verhältnis von Technik und Physik lernen kann Von Peter Röben Vorbemerkung Technik und Physik gelten bei vielen Menschen als Begriff für Anwendung und Theorie. Die Technik wendet an, was die Physik an Erkenntnissen hervorgebracht hat. Auf den ersten Blick scheint dieses Verhältnis ziemlich plausibel, denn gerade die Innovationen der aktuellen Technik, wie z. B. der neue Mobilfunkstandard LTE Advanced, das Cloud computing, der Roboter LBR iiwa von Kuka oder auch die sogenannte fühlende Werkzeugmaschine, wie sie am Laserzentrum Hannover entwickelt wird, sind ohne die Erkenntnisse der Physik nicht denkbar. Wer wollte bezweifeln, dass es Computer ohne die Halbleitertechnik nicht gäbe, doch diese ist ohne die Kenntnis ihrer physikalischen Grundlage nicht zu haben. Aber andere Beispiele aktueller Technik lassen sich nicht so einfach einordnen: So sind z. B. Windkraftanlagen sicherlich einerseits Beispiele für hochaktuelle Technik, die in einem hohen Maße von den Erkenntnisse der Strömungsphysik profitieren, doch wie ist es mit ihren Vorläufern, den Windmühlen? Sind diese auch auf der Grundlage der damaligen Physik entstanden? Im Folgenden soll an zwei Beispielen, nämlich der Halbleitertechnik und der Windkrafttechnik aufgezeigt werden, wie das Verhältnis zwischen Technik und Physik sich einerseits historisch entwickelt hat, aber andererseits auch heute noch Konsequenzen für die Gegenwart bestehen. Die Entwicklung der Quantenmechanik und Halbleitertechnik Der Transistor (Bild 1) ist der erste Halbleiter, der es im Transistorradio 1, (Bild 2) zu allgemeiner Berühmtheit gebracht hat. Er basiert auf der gleichen physikalischen Grundlage wie die Photovoltaik: nämlich der Anwendung der Quantenmechanik auf den Festkörper. Die Quantenmechanik ist eine Theorie, die das Verhalten von Elementarteilchen wie Elektronen beschreibt und Halbleiter sind besondere Festkörper, die sich in ihrem Verhalten nicht eindeutig nur den Leitern zuschreiben lassen (obwohl sie in bestimmten Situationen gut leiten) oder den Isolatoren (obwohl sie dem Strom auch einen sehr hohen Widerstand entgegensetzen können). Der Gedanke, dass die zugrundeliegende Physik unumgänglich für das Verständnis tu 156 / 2. Quartal 2015 der technischen Artefakte wie Diode, Transistor und Solarzelle ist, hat vielfältige Bemühungen gefördert, die Halbleiterphysik didaktisch zu reduzieren. Solche Ansätze finden sowohl im Bild 1: Der erste Transistor von 1947/48. Dies ist ein Foto eines Nachbaus aus dem Nixdorf- Museum. Bild 2: Das erste kommerzielle Transistorradio. Physik- als auch im Technikunterricht breite Anwendung, wenngleich die Tücke bei der didaktischen Reduktion nicht immer hinreichend erkannt wird (vgl. Röben 2013). Um die Sache mit der Anwendung der Physik auf Gegenstände der Technik genauer zu untersuchen, werden wir einen Rückgriff auf die Technikgeschichte machen. Wir begeben uns zunächst zurück in das Jahr Dies ist das Jahr, in dem Einstein eine sehr wichtige Arbeit zum fotoelektrischen Effekt in Festköpern publiziert hat. Einstein konnte zeigen, dass das Licht seine Energie in Quanten, also nur in festen Portionen und nicht in beliebigen Größen, an die Elektronen im Metall abgibt. Diese benötigen eine gewisse Mindestenergie pro Quant, um frei gesetzt werden zu können. Die Energie pro Quant entspricht der Wellenlänge des Lichts und die Quantenhypothese konnte erklären, warum Licht großer Intensität aber unterhalb einer gewissen Wellenlänge keine Elektro kam das erste Transistorradio in den USA auf den Markt (Regency TR1). In Deutschland war es das Telefunken Partner Das TR1, welches von der Firma Intermetall 1953 auf der Düsseldorfer Funkausstellung präsentiert wurde, kam wohl nicht in den Handel ( welt-der-alten-radios.de/geschichteerste-transistorradios-293.html). 19

20 tu: Sachinformationen Technikgeschichte Bild 3: Eine Folge der Erkenntnis, dass Elektronen das Licht nur in festen Portionen (Quanten) aufnehmen und abgeben können, ist die Erklärung des Linienspektrums. Die hier sichtbaren farbigen Linien stehen für verschiedene Übergänge der Elektronen des Wasserstoffatoms. Eine technische Nutzung dieses Wissens ist beispielsweise der Laser. nen freisetzen konnte (auch wenn insgesamt mehr Energie eingestrahlt wird als für den Austritt der Elektronen nötig ist), hingegen Licht oberhalb einer gewissen Wellenlänge praktisch bei jeder Intensität Elektronen freisetzt. Die klassische Theorie konnte dies nicht. Die Quantenmechanik entwickelte sich aus Widersprüchen heraus, die die alte Theorie der Elektrodynamik in Bezug auf das Verhalten der Elektronen im Festkörper lieferte. Nach der klassischen Theorie ist es nicht zu verstehen, warum die Elektronen nicht Energie in beliebiger Größe aufnehmen können, sondern nur in bestimmten Packungen, eben der Energie der Quanten. Die Quantenmechanik entwickelte sich mit den Arbeiten von Planck, Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Born etc. und feierte glänzende Triumphe als es gelang, das Spektrum des Wasserstoffatoms physikalisch zu erklären (Bild 3). Dass in diesen Spektren auffällige Regelmäßigkeiten zu entdecken waren, hatten im 19. Jahrhundert schon einige Forscher herausgefunden. Sie konnten auch jeweils Formeln für die von ihnen entdeckten Regelmäßigkeiten aufstellen: Lyman-, Balmer-, Paschen-, Brackett-, und Pfundserie. Doch sie scheiterten bei der Erklärung dieser Regelmäßigkeiten. Die Quantenmechanik hingegen war in der Lage, die Spektren des Wasserstoffgases aus grundlegenden Prinzipien zu erklären. Die Moleküle sind in einem Gas weit voneinander entfernt und man kann sie deshalb als voneinander isoliert betrachten, was bei der Berechnung große Vereinfachungen zulässt. Im Festkörper sind die Verhältnisse allerdings verwickelter, weil die Atome sehr dicht gepackt sind und sie sich nicht als unabhängig voneinander Bild 4: Dieses Foto zeigt eine der ersten Trioden von Lee de Forest (1906) betrachten lassen. Das Verhalten der Elektronen in Festkörpern konnten die Quantenphysiker daher zunächst nicht berechnen. Der Festkörper war zu der Zeit ein wichtiges Forschungsgebiet der experimentellen Physik und mit den Arbeiten von R. W. Pohl zur Konduktivität in Halbleitern und seiner Vorhersage, dass die Steuerung von Elektronen in diesem Material eine große Zukunft haben wird, zeichnete sich die Bedeutung der Halbleiter auch innerhalb der Physik bereits ab und die Halbleiterphysik entwickelte sich zu einem eigenständigen Gebiet der Physik. Doch die ganze Bedeutung der Halbleiterphysik kann man nicht erkennen, wenn man sich auf die Physik beschränkt. Aus physikalischer Sicht ist die Anwendung der Quantenmechanik auf den Festkörper lediglich eine Ausweitung des Anwendungsgebietes einer bereits ausgearbeiteten Theorie. Dass die Halbleiterphysik bedeutsamer ist, war auch den Physikern jener Zeit klar. Doch der Grund für den Bedeutungszuwachs ergibt sich erst aus der Technik. Die Funktechnik hatte sich um die Jahrhundertwende entwickelt. Der Ingenieur Guglielmo Marconi ( ) gab zum Glück nicht viel auf die Hinweise von Physikern, dass man mit elektrischen Wellen niemals große Distanzen überwinden kann. In den Augen der damaligen Physiker mussten die sich geradlinig ausbreitenden Wellen in den Weltraum entweichen, weil die Erde eine Kugel ist und die Wellen sich nicht um dieses Kugel herum bewegen würden. Allerdings wusste es Marconi nicht wirklich besser, sondern sein Glück war es, dass die Atmosphäre eine Ionosphäre hatte, an der das Funksignal reflektiert und Richtung Erdoberfläche weitergeleitet wurde. Davon wusste allerdings noch niemand. Durch Marconis 1901 realisierte Übertragung eines Funksignals über den Atlantik wurde nun aus Sicht der Physiker eine Erklärung notwendig und in der Atmosphärenphysik auch gefunden 2. Die Funktechnik wurde zunächst nur als drahtlose Morsetechnik, z. B. für die Kommunikation mit Schiffen eingesetzt, die nicht mit den etablierten Kommunikationsmitteln erreicht werden konnten (Untergang der Titanic 1912). Doch Reginald Fessenden ( ) gelang schon 1906 die erste drahtlose Musik- und Sprachübertragung und damit entwickelte sich die Funktechnik in eine Richtung, die kaum ein Mensch vorhergesehen hatte (Gollwitzer 2007). Bereits in den 20er Jahren etablierte sich ein kommerziell bedeutsamer Radiomarkt in den USA, angetrieben von Rundfunkamateuren, aber bald auch von dem Unterhaltungsbedürfnis sehr vieler Menschen, die dem Radio anders als die Rundfunkamateure als technischen Gegenstand nicht viel Interesse entgegenbrachten. Die Bedeutung der Funktechnik erschließt sich durch die Entwicklung dieses Marktes, der 1922 noch bescheidene $ betrug, aber schon sieben Jahre später ein Volumen von 850 Mio. $ aufwies (Halfmann 1984, S. 107). Solche Geschäftsaussichten riefen die großen Elektrotechnikfirmen jener Zeit auf den Plan. Ein zentrales technisches Element der Funktechnik war die Elektronenröhre, deren Physik man gut verstand (Bild 4). Die Röhre wurde für die verschiedenen Anwendungszwecke ausdifferenziert und in der Industrie entwickelte sich eine Forschung, die speziell auf industrielle Zwecke ausgerichtet war. Über die Grenzen der USA 2 Dafür hat EDWARD VICTOR APPLE- TON ( ) 1947 den Nobelpreis für Physik bekommen. 20 tu 156 / 2. Quartal 2015

21 Technikgeschichte tu: Sachinformationen bekannt geworden ist diese Form der Forschung durch Thomas Alva Edison ( ), der das Erfinden wohl als Erster zu einem hoch arbeitsteiligen Prozess in einer besonderen Art von Labor entwickelt hatte. Sein Labor im Menlo Park (1876) wurde sehr berühmt und Edison als Zauberer vom Menlo Park bezeichnet, weil er es verstand, mit der von ihm entwickelten Glühbirne die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit durch effektheischende Präsentationen zu fesseln. Mit der Gründung der Bell-Laboratories (1925) wurde die Forschung in der Industrie auf eine neue Stufe gehoben, weil mit ihnen über die Forschung für industrielle Anwendung hinaus eine besondere Form der Grundlagenforschung betrieben wurde. Die Verbreitung des Telefons machte Neuentwicklungen notwendig, die sich nicht einfach aus der Physik der damaligen Zeit ableiten ließen, sondern eine eigene, auf das spezifisch technische Problem fokussierte Physikanwendung erforderten. Ein Beispiel sind die Pupinspulen, die das Problem der Dämpfung auf den Telefonleitungen lösten. Ohne sie wäre die Reichweite des Telefons auf Distanzen von 20 bis 30 km beschränkt geblieben, in den Augen von dem damals größten Telekommunikationskonzerns AT&T eine unhaltbare Zumutung bei ihren ökonomischen Expansionsbestrebungen. In den Bell- Laboratories entwickelte sich eine Art von Industrieforschung, die auf einem bereits gut entwickelten Stand der Physik aufsetzte. Im Fall der Pupinspulen ließ sich das Problem noch mit der klassischen Physik lösen, aber als es darum ging, die Elektronenröhre abzulösen, stellte sich das Problem, dass die Physik in den für die Entwicklung einer Alternative zur Elektronenröhre notwendigen Feldern der Physik noch nicht weit genug entwickelt war. Sowohl in der schon gut etablierten Telefontechnik als auch in dem sich neu entwickelnden Feld der Funktechnik waren Elektronenröhren weit verbreitet (ab 1904 Vakuumdiode, 1906 Verstärkerröhre von Lieben und Audionröhre von Lee de Forest) und dabei wurden die Grenzen dieser Technik spürbar: Denn gerade ihre vielfältigen Anwendungen in Grundschaltungen als steuerbarer Schalter und als Verstärker tu 156 / 2. Quartal 2015 machte ihre Abwärme, ihr Gewicht und ihre nur beschränkte Miniaturisierungsmöglichkeit zu einem Problem. Sobald sich an ihrer Stelle eine Lösung mit Halbleitern finden ließe, so die damalige Einschätzung, könnte ein weiterer Engpass der ökonomischen Entwicklung mit Hilfe der Technik überwunden werden. In den Bell-Laboratories wurde die Halbleitertechnik unter ihrem neuen Forschungsdirektor M. Kelly ab 1936 zu einem Forschungsprogramm. Also zu einer Zeit, als auch in den Universitäten noch intensiv an Halbleitern geforscht wurde. Schüler der damals führenden amerikanischen Festköperphysiker John Slater vom MIT und Eugen Wigner von Princeton, die späteren Nobelpreisträger William B. Shockley und john bardeen, wurden gezielt für die Bell-Laboratories angeworben. Der Geist dieser Unternehmensforschung wird im folgenden Zitat von Kelly deutlich: Es wird nicht erwartet, dass dieses Programm der Festkörperphysik, bei dem die neuesten Konzepte der Festkörperstruktur angewendet werden, Resultate erbringen, die unmittelbaren Nutzen für unsere Firma haben. Dennoch ist die Herangehensweise so grundlegend und kann von so weitreichender Bedeutung sein, dass wir solche Studien als Hintergrund für unsere verschiedenen Materialentwicklungen weiter betreiben sollten. Es besteht die rationale Erwartung, dass letztendlich ein so fundamentaler Angriff den Weg zur Produktion neuer Materialien mit bedeutenden Eigenschaften für den Telefongebrauch weisen wird. (zitiert nach Halfmann 1984, S. 105). Das Argument, dass man das Ergebnis der Forschung nicht unmittelbar vorhersehen kann, wird typischerweise für die Begründung der universitären Forschung herangezogen. Gerade weil sich das Resultat der (Grundlagen) Forschung nicht unmittelbar nützlich für Unternehmensinteressen erweist, verzichten die Unternehmen darauf, dafür Geld zu investieren. Damit der Fortschritt der Wissenschaft nicht von diesem (kurzsichtigen) Gewinnkalkül behindert wird, muss dieser vom Staat gewährleistet werden. Wir sehen hier nun bei den Bell-Laboratories eine Umkehrung dieser Argumentation: Gerade weil die Grundlagenforschung im Bereich der Festkörperphysik so dramatische Auswirkungen auf die Unternehmensinteressen haben kann, muss darin investiert werden, auch wenn das unmittelbare Resultat nicht vorhergesehen werden kann. Die Entwicklung des Transistors kann als eine solche technisch inspirierte, ökonomisch getriebene Grundlagenforschung angesehen werden. Unter der Leitung des Theoretischen Physikers William B. Shockley wurde 1945 eine Arbeitsgruppe mit einem Experimentalphysiker, einem Chemiker und einem Elektronikingenieur eingesetzt, die allerdings noch im selben Jahr beim Experiment mit ihrem ersten Feldeffekttransistor 3 scheiterte. Es ist die theoretische Erklärung des Fehlers in diesem Experiment, die den entscheidenden Fortschritt ermöglichte: Der Kontakt zwischen dem Halbleiter und dem Metall führt nämlich zu einem unerwarteten Effekt, der erst durch die Vervollständigung der Mott-Schottky- Theorie verstanden wurde und auch erst dann die Weiterentwicklung des Transistors ermöglichte. Das entscheidende Experiment gelang Brattain im November Shockley, Bardeen und Brattain erhielten 1956 den Nobelpreis für Physik. Die Entwicklung der Solarzelle findet nur wenige Jahre später ebenfalls in den Bell-Laboratories statt. Daryl Chapin, Calvin S. Fuller Und Gerald Pearson entwickeln 1953 die erste mit Arsen dotierte Solarzelle auf Siliziumbasis und eröffnen damit den Eingang der Halbleitertechnik in die Energietechnik, auch wenn das zu ihrer Zeit noch utopisch erschien. Zusammenfassend: Am Beginn des Transistors stand ein technisches Problem, einen Ersatz für die Elektronenröhre zu finden. Aber zur Lösung dieses Problems konnte nicht einfach auf die Physik als Wissenslieferantin zurückgegriffen werden, denn diese 3 Hier ist mit Absicht die Formulierung ihrem ersten Feldeffekttranssistor gewählt worden, denn HERBERT MATARÉ und HEINRICH WELKER haben zeitgleich ebenfalls einen solchen entwickelt und sind erst spät dafür geehrt worden (Handel, 1999). 21

22 tu: Sachinformationen Technikgeschichte musste zunächst selbst weiterentwickelt werden. Die Vergabe des Physiknobelpreises für die Entwicklung des Transistors ist demnach auch der Weiterentwicklung der Physik zu verdanken, obwohl es den Bell-Laboratories darum ging, tatsächlich ein technisches Artefakt zu entwickeln 4. Es ist daher keineswegs so, dass die Rollen von Physik und Technik klar verteilt wären: Hier der Zulieferer von Wissen und dort der Anwender. Die Physik hatte allerdings in den vierziger Jahren schon ein solches Niveau erreicht, dass die vorherige Zurückhaltung der Unternehmen in diesem Feld der Grundlagenforschung aufgegeben wurde. In dem Wissen, dass sich die Probleme, die der ökonomisch getriebene technische Fortschritt durch die Verbreitung von Telefon und Funktechnik sich selbst bereitete, nur durch die Weiterentwicklung der Physik selbst zu lösen sind, wurde die Grundlagenforschung auch in die eigene Hand genommen (Bell-Laboratories). Die Quantenmechanik selbst ist das Resultat einer Grundlagenforschung, deren Nützlichkeit sich niemand zu ihrem Beginn ausmalen konnte, die also niemals für unternehmerische Investitionen interessant gewesen wäre. Aber mit dem Fortschritt dieser Theorie und der durch sie erst möglich gemachten Schaffung von völlig neuen Halbleitermaterialien mit definierten Eigenschaften wurde ihre Weiterentwicklung zu einem Geschäftsinteresse der großen Kommunikationsunternehmen der USA. Durch die Entwicklung von technischen Artefakten wie dem Transistor werden aber auch Teilbereiche der Anwendung der Theorie der Quantenmechanik bedeutsam, die, aus der Perspektive der reinen Physik betrachtet, nicht so vordringlich sind. Die korrekte Erklärung der Phänomene eines Metall-Halbleiter- Kontakts erhält ihre volle Bedeutung nicht aus dem System der Physik, dort sind sie ein weiterer Anwendungsfall einer bereits erfolgreichen Theorie, sondern durch die Leistung, die sie für die Weiterentwicklung des technischen Artefakts Transistor erbringt. Die Bell- Laboratories sind damit der Beginn der Entwicklung eines naturwissenschaftlichen-technischen Komplexes, in dem die Unterscheidung der Rollen Bild 5: Eine sogenannte Holländer Windmühle, der Höhepunkt des erfahrungsgeleiteten Mühlenbaus, der zum Zeitpunkt des Baus der abgebildeten Moorseer Mühle in der Nähe von Nordenham schon im Niedergang begriffen war. zwischen Physik und Ingenieurwissenschaften sekundär ist. Eine Seite als Wissenslieferant und die andere als Empfänger von Wissen zu betrachten, wird der Rollenverteilung nicht gerecht. Diese interdisziplinäre Zusammenarbeit ist allerdings nicht identisch mit einer Gleichsetzung der Disziplinen. Der Schwerpunkt der Ingenieurwissenschaft ist die Schaffung von funktionstüchtigen Artefakten, die sich in den Anwendungsfällen außerhalb des Labors bewährend müssen, während die Physik einen wichtigen Teil der Voraussetzungen dafür schafft, entsprechende Prototypen im Labor zu entwickeln und zu optimieren. Die Entwicklung der Windenergietechnik Der zweite Fall unserer Betrachtung, die Windenergietechnik, ist auch für den Laien als eine Technik begreiflich, die zumindest von ihrer Entstehung her nicht auf der Anwendung von Physik beruhen kann, ganz einfach, weil es die Physik als Wissenschaft bei der Entstehung dieser Technik noch gar nicht gab. Ob man dem Hinweis in den Gesetzbüchern von Hammurapi folgt und die erste Nutzung eines Windrades als Arbeitsmaschine auf 1750 v. Chr. datiert 5, die Windmaschine von Heron um 60 n. Chr., die ersten Windräder in Persien um 900 oder erst die Bockwindmühle ab dem 12. Jahrhundert als echte Windmaschine gelten lässt: Die Physik konnte zu ihrer Entwicklung nichts beitragen, da es diese Wissenschaft noch nicht gab oder da, wo sie sich entwickelte, aus gutem Grund eher mit den Sternen als mit dem Wind beschäftigt war. Die erste ernsthafte Befassung der Physik mit dem Wind, d. h. mit der Strömung von Luft, findet erst recht spät statt und resultierte in dem Werk Hydrodynamika (1738) von Bernoulli, dessen gleichnamiges Gesetz auch heute noch gilt. Doch zur Anwendung im Windmühlenbau wurde es nicht herangezogen, weil die Erbauer von Windmühlen mit einem solchen Gesetz nichts anfangen konnten. Ihre Herangehensweise an den Bau einer Windmühle basiert auf Erfahrung und Tradition (Bild 5). Gelernt wurde von einem Meister und seine Vorgehensweise wurde weitgehend beibehalten. Veränderungen wurden nur mit Bedacht vorgenommen, das Risiko eine nicht funktionsfähige Windmühle zu bauen, konnte man nicht eingehen, da der Auftraggeber sich dann geweigert hätte, zu zahlen. Es entstand im Laufe der Jahrhunderte ein Windmühlen- 4 Das Testament von ALFRED NOBEL sieht ja auch ausdrücklich vor, dass der Preis an diejenigen ausgeteilt werden soll, die im vergangenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen erbracht haben. Der Nutzen zeigt sich bei vielen Entdeckungen von Kandidaten oft erst Jahre später, manchmal sogar Jahrzehnte und so kommt es zu großen Verzögerungen zwischen dem Zeitpunkt der Entdeckung und der Preisverleihung. JACK KILBY erhielt den Physiknobelpreis zum Beispiel erst 2000 (zusammen mit HERBERT KRÖMER und ZHORES I. ALFEROW) für die erste Realisierung einer Schaltung von mehreren Transis toren auf einem Halbleiterplättchen. Ob sich dagegen die Entdeckung des Higgs-Mechanismus (Theorie 1964, Entdeckung am LHC 2012, Nobelpreis 2013) einmal als nützlich für die Menschheit herausstellen wird, scheint dem Nobelpreiskomitee keine Frage zu sein. Jedenfalls wurde der Preis ein Jahr nach der experimentellen Bestätigung verliehen. 5 vgl. wikipedia de.wikipedia.org/wiki/ Windmühle#cite_note-1 22 tu 156 / 2. Quartal 2015

23 Technikgeschichte tu: Sachinformationen typ, der Holländer (Jan Adriaanszoon Leeghwater ), der einen stationären Zustand darstellte und nur noch im Detail verändert wurde. Insbesondere die Arbeitserleichterungen für den Windmüller, nämlich der Ersatz der Segel, die noch per Hand ein und ausgerollt werden mussten, durch die Jalousieklappen, die durch eine Mechanik an verschiedene Windstärken angepasst werden konnten und die Rosette, die das Drehen der Haube in den Wind automatisierte, waren bedeutsame Fortschritte. Doch an den vier Flügeln und vor allem an der Flügelform fanden keine gravierenden Veränderungen mehr statt, bis die Physik hier ein neues Kapitel der Windkrafttechnik aufschlug. Dennoch musste einer der ersten Wissenschaftler, die sich mit der Anwendung der Erkenntnisse aus der Strömungsphysik auf die Windkraftanlagen beschäftigte, der Däne Paul La Cour ( ), den alten Windmühlenbauern Folgendes konstatieren: Die Form, welche die größte Arbeitsleistung darbietet, ist ähnlich derjenigen, zu welcher das Menschengeschlecht durch hundertjährige Erfahrung gelangt ist, ohne dass man jedoch ein eigentliches Verständnis des Zusammenhangs gehabt hat ( ). (La Cour 1905, S. 53 f.) Dennoch versuchte z. B. der Erfinder und Artillerie-Offizier Kurt Bilau ( ) mit Unterstützung von Albert Beetz, dem Leiter der Aerodynamischen Versuchsanstalt in Göttingen, die Erkenntnisse über die Auftriebskraft bei den Flügelprofilen zum Bau neuer Windmühlenflügel zu nutzen und ihre Leistung zu steigern. Es gelang ihm auch und er realisierte Windmühlen mit sogenannten Bilauschen Ventikanten, also Windmühlenflügel mit einem Strömungsprofil, das auch die Auftriebskraft für die Drehbewegung des Flügels nutzt (siehe Bild 6). Aber dies geschah in einer Zeit (ab 1930 mit einem Höhepunkt der Verbreitung um 1941) als das Windmühlensterben schon eingesetzt hatte und so konnte trotz einer zwei- bis dreifach höheren Windausbeute diese Innovation sich nicht gegen Diesel-, Benzin- und Elektromotoren durchsetzen. Immerhin wurden 160 Mühlen mit den Ventikanten ausgestattet, von denen tu 156 / 2. Quartal 2015 sich übrigens einige bis in die heutige Zeit erhalten haben 6. Ihre Ursprünge hatte die aerodynamisch optimierte Flügelform in den Untersuchungen der Brüder Lilienthal, die schon 1874 begannen mit einem selbst entwickelten Rotationsapparat die Auftriebskraft von gewölbten Flügeln systematisch zu untersuchen. Anders als noch frühere Vorläufer, haben die Brüder lilienthal ihre Untersuchungen systematisch durchgeführt und ihre Ergebnisse publiziert, was von den Brüdern Wright hervorgehoben wurde, die sich bei ihren eigenen Flugversuchen auf die Tabellen der LILI- ENTHALS stützten und dies auch ausdrücklich erwähnt haben 7 : Von allen, die das Problem des Fliegens im 19. Jahrhundert behandelten, war Otto Lilienthal zweifelsfrei der Bedeutendste. [ ] Niemand tat so viel dafür, das Problem des menschlichen Fluges in die freie Luft zu überführen, wohin es gehört. [ ] Als Forscher war er unter seinen Zeitgenossen ohne Konkurrenten. Er entschlüsselte die Vorteile der gewölbten Fläche so überzeugend, dass er als ihr eigentlicher Entdecker gelten kann. Andere haben die Wölbung des Vogelflügels bemerkt und über die Möglichkeit spekuliert, dass ein gewölbter Flügel einem völlig glatten überlegen sei. Lilienthal demonstrierte den Grund für diese Überlegenheit und machte aus der puren Spekulation akzeptiertes Wissen. (Wilbur Wright in Bild 6: Eine Windmühle mit Bilauschen Ventikanten, die durch die Nutzung der Auftriebskraft eines entsprechenden Strömungsprofils leistungsfähiger ist als die klassische Windmühle mit dem sog. Widerstandsläufer. einem vom Aero Club of America veröffentlichten Aufsatz 8 ) Wenn man das Vorgehen von Lilienthal mit dem der Windmühlenbauern vergleicht, lassen sich folgende bedeutsame Unterschiede festhalten: Windmühlenbauer veröffentlichten nicht: Sie konnten es auch nicht, weil das Wissen in ihrem Können inkorporiert war. Zwar schufen auch sie einen Flügel mit einer geeigneten Form, aber sie konnten nicht erklären und begründen, warum es so und nicht anders gemacht werden sollte. Die Lilienthals führten ihre Experimente so durch, dass ihre Veröffentlichung jeden Verständigen prinzipiell in die Lage versetzte, ihre Experimente zu verifizieren (oder auch zu falsifizieren, falls sie falsch lagen). Ihr Wissen fassten sie in eine Form, die explizit und personenunabhängig war. Das Experiment hatte einen finalen Zweck. Systematisch wurde nach der optimalen Form für den Flügel gesucht. Ein auf die theoretischen Ursachen gerichteter Erkenntnisgewinn spielte eine sekundäre Rolle. Mit dem ersten Motorflug der Brüder WRIGHT 1903 setzte dann die Entwicklung des Flugzeugs ein überquerte z. B. LOUIS BLÉRIOT mit seinem Flugzeug den Ärmelkanal und wurde zum ersten kommerziellen Flugzeughersteller 9. Bereits 1919 wurden die ersten Passagierflugzeuge eingesetzt. Schon vorher wurde durch die Entwicklung der Luftschiffe die Untersuchung der bei der Luftströmung entstehenden Kräfte angeregt wurde die Modellversuchsanstalt für Aerodynamik der Motorluftschiff-Studiengesellschaft von Ludwig Prantl in Göttingen gegründet, in der durch Messungen im Windkanal systematische Experimente 6 de.wikipedia.org/wiki/kurt_bilau 7 de.wikipedia.org/wiki/otto_lilienthal 8 Wilbur Wright: Otto Lilienthal. In: Aero Club of America Bulletin. September Zitiert nach de.wikipedia.org/ wiki/otto_lilienthal. 9 de.wikipedia.org/wiki/louis_blériot 23

24 tu: Sachinformationen Technikgeschichte Bild 7: Die experimentellen Windmühlen von Paul Lacour in Dänemark. auf theoretischem Fundament durchgeführt werden konnten. Die Nutzung der Windenergie zum Zwecke der Elektrizitätserzeugung setzt überraschend früh ein und der Pionier war der Meteorologe Poul la Cour ( ), der seine Experimente in Askov, Dänemark, ab 1891 durchführte, wo er als Professor an einer Volkshochschule arbeitete 10 (Bild 7). Die Elektrifizierung hatte zu dieser Zeit gerade erst begonnen. Das erste Kraftwerk von THOMAS ALVA EDI- SON ( ) arbeitete seit 1882 in der Pearl Street Station in New York und 1884 wurde mit dem Café Bauer in Berlin das erste Haus in Deutschland mit Glühlampen beleuchtet. Während sich die Elektrizität in den Städten relativ schnell ausbreitete, dauerte dies auf dem Land sehr viel länger. La Cour suchte deswegen nach Möglichkeiten, mit denen sich die Landbevölkerung selbst mit elektrischer Energie versorgen konnte. Er wollte die Windenergie nutzen und errichtete zu diesem Zweck schon 1891 die erste Windkraftanlage zum Zwecke der Elektrizitätserzeugung (Christensen 2009). Bei seinem Tod 1908 gab es schon 30 ländliche Energieversorger in Dänemark. La Cour erkannte wohl als einer der Ersten, dass die aerodynamisch geformten Profile, die Leistung einer Windkraftanlage bedeutend steigern konnten und experimentierte zu diesem Zweck auch mit einem selbst gebauten Windkanal (Resultate siehe La Cour 1905, Beurskens 2014, S. 13). Bild 8: Die Gedser Mühle, ein Meilenstein auf dem Weg zur modernen Windturbine. Neben seine Leistung als Forscher trat gleichbedeutend seine Leistung als Lehrer (Professor) an der Volkshochschule in Askov. Er unterrichtete dort die physikalisch-technischen Grundlagen für den Bau von dezentralen Windkraftanlagen und begründete eine technische Community aus Akademikern und Handwerkern, die sich weit über seinen Tod hinaus mit dem Bau von kleinen Windkraftanlagen beschäftigten und dabei stetige Verbesserungen vornahmen (Christensen 2009, S. 12). Doch bevor es eine zuverlässige und ökonomisch sinnvolle Nutzung von Windkraftanlagen zur Stromerzeugung geben konnte, musste eine Reihe von Problemen gelöst werden. Diese liegen zum Beispiel in der Regelung und Steuerung des Windrades, der Umsetzung seiner Drehbewegung in die Drehbewegung des Generators und der zuverlässigen Ausführung der ganzen Apparatur. Bei der Umsetzung in realisierbare Konstruktionen wurden sehr unterschiedliche Wege eingeschlagen, die sich aber wohl in zwei Gruppen einteilen lassen wie Matthias Heymann untersucht hat (Heymann 1995). Es gibt einen dänischen Weg, der sich charakterisieren lässt als eine Fortsetzung des erfahrungsbasierten Windanlagenbaus der handwerklich geprägten Windmühlenbauer. Dabei werden die modernen Erkenntnisse der Strömungsphysik für die Gestaltung des Flügelprofils herangezogen und die Elektrotechnik für den Generatorbau. Doch war die community der Windanlagenbauer, die von Paul la Cour und seinem Schüler Johannes Juul begründet wurde, der 1953 mit dem Bau der sog. Gedser Mühle, einer dreiflügeligen 200 kw-anlage einen bedeutenden Meilenstein der Windkraftanlagenentwicklung schaffte, keine community von akademischen Ingenieuren. Dennoch setzten ihre Anlagen Maßstäbe für den Bau von Windkraftanlagen, die noch lange galten. Gerade in die Konstruktion der Gedser Mühle flossen viele Erfahrungen aus dem Bau von Windkraftanlagen ein und Juul schuf ein Design, dass durch seiner Zuverlässigkeit und seine Ertragssicherheit überzeugen konnte, weniger durch seine Ästhetik 11 (Bild 8). Der andere Weg lässt sich als der Weg der akademischen Ingenieure bezeichnen, die weitaus weniger von praktischer Erfahrung ausgingen, ihre Anlagen nach ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien bauten und dabei sehr viel größere Schritte machen wollten als die dänische community. Einer der Vertreter dieses Weges war 10 de.wikipedia.org/wiki/poul_la_cour und engelsk/cour.htm. Die Ergebnisse seiner Untersuchungen sind auch auf Deutsch erschienen: LA COUR (1905) 11 ele.aut.ac.ir/~wind/en/pictures/juul. htm. Foto der Mühle: energimuseet. dk/entdecken/windkraft.aspx 24 tu 156 / 2. Quartal 2015

25 Technikgeschichte tu: Sachinformationen Ulrich Hütter, der mit seiner W34 (100 kw), die von 1959 bis 1968 auf der Schwäbischen Alb lief, ebenfalls einen Meilenstein der Windkraftanlagenentwicklung ablieferte. Seine zweiflügelige Anlage war konsequent auf hohen Wirkungsgrad und damit hohe Drehzahl getrimmt. Die Pendelnabe, die Leichtbauflügel aus Kunststoff und die Flügelsteuerung setzten einen bis in die achtziger Jahre hinein gültigen Standard der Technik (Hau 2008, S. 41). Allerdings lieferte diese Anlage viel weniger Strom als die Anlage von Juul, weil sie störanfällig war und immer wieder stillgelegt werden musste. Vibrationen führten dazu, dass die Anlage mit nur 80 % ihrer Leistungsfähigkeit betrieben werden konnte (Heymann 1995). Diese Erfahrungen führten allerdings nicht dazu, dass Hütter Vorsicht walten ließ, wenn es um die Abschätzung der Möglichkeit zur Vergrößerung der Windkraftanlage ging. Acht Jahre nach der Stilllegung der W34 empfahl er dem Bundesforschungsministerium den Bau einer Anlage mit der 10-fachen Leistung der W34, also 1MW. Das Ministerium und seine Berater nahmen diesen Vorschlag nicht nur an, sondern hielten es für möglich, gleich eine Anlage mit 100 m Turmhöhe und 100 m Flügeldurchmesser und einer Leistung von 3 MW also dem 30-fachen der W34 zu bauen: das Prestigeprojekt Growian, die lange Zeit größte Windkraftanlage der Welt. Aber diese Anlage war nicht nur die größte ihrer Zeit, sondern auch der größte Fehlschlag in der Geschichte der Windkraftanlagen: Bei einer Gesamtsumme 87,2 Mio. DM (doppelt so viel wie geplant) lieferte sie zwischen 1983 und Stunden Lastbetrieb und Stunden Stillstand (99 %). Dieses Resultat hat die Vorstellung befeuert, dass das Ganze eine Beweisführung für die Unmöglichkeit der Windkraftnutzung sein sollte 12. tu 156 / 2. Quartal 2015 In Kalifornien kam es zu Beginn der achtziger Jahre zu einem Boom der Windkraft. Ursache war das erste Einspeisevergütungsgesetz der Welt. Innerhalb weniger Jahre entstand ein lukrativer Markt für Windkraftanlagen mit fast Neuinstallationen auf dem Höhepunkt 1984 und einer Gesamtzahl von ca Anlagen (Heymann 1995, S. 346). Diese große Zahl erlaubte eingehende Vergleiche der verschiedenen Bauformen von Windturbinen und die Investoren waren natürlich in erster Linie an der Rendite aus den Anlagen interessiert, denn nur der eingespeiste und vergütete Strom spülte die verausgabten Vorschüsse wieder in die Kassen zurück und erlaubte einen Profit, wenn es gut lief. Auf diesem Markt dominierten die dänischen Hersteller, weil ihre Anlagen die höchsten Kapazitätsfaktoren aufwiesen, d. h. am zuverlässigsten Strom ins Netz speisten und die wenigsten Stillstände wegen Reparaturarbeiten aufwiesen. Dies ist umso verblüffender, je genauer man hinsieht und z. B. die Forschungsinvestitionen betrachtet, die von den USA und Deutschland getätigt wurden und sie mit denen in Dänemark vergleicht: Das kleine Land Dänemark hat weniger als ein Hundertstel der amerikanischen Ausgaben getätigt (Heymann 1995, S.400) und dennoch entstand hier mit der Firma Vestas der Weltmarktführer für Windturbinen. Die Gründe für den dänischen Erfolg am Beginn der Entstehung eines Weltmarktes für Windenergieanlagen liegen in der starken Orientierung am Gebrauchswert (Stromproduktion) und an der Wertschätzung der Erfahrung: So wurde die Leistungsfähigkeit der Anlagen in kleinen Schritten (55,65,75,95,150,200,400 und 500 kw) gesteigert und zunächst die Erfahrungen beim Betrieb einer neuen Leistungsklasse ausgewertet, bevor man weitere Steigerungen in Betracht zog. Die Wertschätzung von praktischer Erfahrung war geradezu diametral entgegengesetzt zu dem der ingenieurwissenschaftlich geprägten Firmen wie z. B. US Windpower, die am Beginn die Steigerung des Wirkungsgrades und damit der Drehzahl als wichtigstes Ziel verfolgten. Schlussfolgerungen Was für Schlussfolgerungen lassen sich nun aus der Geschichte der Windenergie zum Verhältnis Physik und Technik ableiten? Technik, hier verstanden als der dänische Weg bis in die achtziger Jahre hinein, ist ein eigenständiger, von der Physik und akademischen Ingenieurwissenschaft weitgehend unabhängiger Weg, der zudem noch weitaus früher beginnt, vermutlich bei der mittelalterlichen Windmühle oder vielleicht sogar noch früher. Diese Art von Technik hat ihre Wurzel im gegenständlichen Handeln und bezieht das durch das Subjektivierende Handeln (Böhle 2013) gelieferte Erfahrungswissen im Konstruktionsprozess ein. Dass es mit dem Untergang der Windmühle nicht obsolet wurde, davon legt der dänische Weg einen eindrucksvollen Beweis ab. Gerade der Anfangserfolg auf dem kalifornischen Windenergieanlagenmarkt liefert ein objektives Kriterium dafür ab, dass der Erfahrungsseite des technischen Handelns auch in der Gegenwart eine hohe Bedeutung zukommt. Erfahrungen sammelt man aber immer nur mit dem, was man selbst tut. Im Zuge der sich mit der Etablierung der Ingenieurwissenschaften an technischen Hochschulen (z. B. die Universität Karlsruhe ab 1865) vertiefenden Arbeitsteilung zwischen Technikern, Facharbeitern und Ingenieuren kam es zur Ausbildung ingenieurwissenschaftlicher Disziplinen (zunächst im Maschinenbau, dann in Chemie- und Elektrotechnik), deren Erfahrungsbasis das universitäre Labor wird. Erfahrungen aus dem direkten Umgang mit den technischen Artefakten sammelten sich nun weniger bei den Konstrukteuren, als bei den Nutzern und Betreibern. Dies führte zum Verlust des Ansehens technischen Könnens, es fiel in die Sphäre der Techniknutzer und damit aus der Sphäre der Technikgestalter heraus. Eine weitere Ursache für die Geringschätzung praktischer Erfahrung hat wohl viel mit dem Selbstbewusstsein des neu entstehenden Ingenieurstandes zu tun. Er hat in den USA, Frankreich und Deutschland im 19. Jahrhundert zwar eine beeindruckende Karriere hingelegt (vgl. KAISER, KÖNIG 2006, S. 127 ff. und 179 ff.), doch wurde ihm die Anerkennung als universitäre Disziplin in Deutschland zunächst verwehrt. Das Promotionsrecht z. B. wurde den technischen Hochschulen erst 1899 auf allerhöchsten Erlass Kaiser Wilhelms gegen die Widerstände an den Universitäten verliehen. Diese sorgten dafür, dass der zu führende Doktortitel nicht mit den richtigen Titeln ver- 12 de.wikipedia.org/wiki/growian 25

26 tu: Sachinformationen Technikgeschichte wechselt werden konnte und beharrten auf dem Dr.-Ing., also mit Bindestrich und ohne den lateinischen Zusatz der wissenschaftlichen Disziplin, wie es an den Universitäten üblich war (Dr. phil. z. B. für die Promotion in Philosophie oder Dr. rer.nat. für die Promotion in den natürlichen Dingen, also den Naturwissenschaften). Die Ingenieure an den Hochschulen und Universitäten haben um ihre Anerkennung gekämpft und dabei wohl auch die Abgrenzung zu der als theorielos geltenden Praxis zu scharf gezogen und die mathematische Formalisierung ihrer eigenen Disziplin als Grenzpatrouille etabliert. Dies hat den Schein befördert, dass das Erfahrungswissen von geringerer Bedeutung sei als das zur Konstruktion notwendige theoretische Wissen. Das dies nur ein Schein ist, lässt sich z. B. dadurch nachweisen, dass selbst im absoluten Hochtechnologiesektor das in der Praxis gewonnene und an Personen gebundene Wissen notwendig für den Fortbestand dieser Technologie ist. Techniksoziologen wie Donald Mckenzie und Graham Spinardi (1995) haben dargelegt, dass dieser Seite der Technik, von ihnen als implizites Wissen bezeichnet (M. Polanyi), auch bei einem so avancieren Produkt wie der Atombombe vorausgesetzt werden muss: Ohne die Tradierung des Wissens von Experte zu Novize, nur aufgrund des in Dokumenten niedergelegten Wissens, ließe sie sich nicht nachbauen. D. h. die Seite der Erfahrung ist auch für das wissenschaftliche Arbeiten konstitutiv, allerdings erfährt die Erfahrung hier eine weitaus geringere Wertschätzung als in der technische Artefakte hervorbringenden Praxis. Auch ohne den Rückgriff auf die Atombombe und dem bei ihr gewonnenen Erfahrungswissen, welches man gerne dem Vergessen anheim geben würde, ergeben sich Konsequenzen für das Verhältnis der Fächer Physik und Technik. In der Physik wird der Erfahrung meist keine so hervorgehobene Bedeutung beigemessen wie in der Technik. Zwar weiß jeder Experimentalphysiker, dass man Erfahrungen beim Experimentieren benötigt, aber das Paradigma der intersubjektiven Überprüfbarkeit von experimentellen Daten führt dazu, dass man individuelle Besonderheiten in Veröffentlichungen nicht erwähnt. Allerdings lässt sich eine gewisse Renaissance der Erfahrung auch in der Physik beobachten, nämlich in der Physikdidaktik. Das Experimentieren der Schüler im Physikunterricht erfreut sich in den letzten Jahren wieder einer zunehmenden Aufmerksamkeit. Viel dazu beigetragen haben sicherlich die Schülerlabore und Science-Center. Durch die selbst gemachten Erfahrungen beim Experimentieren kann die Attraktivität der naturwissenschaftlichen Fächer erheblich gesteigert werden, und gerade die Physik gehört zu den unbeliebtesten Fächern, muss sich also um Maßnahmen zur Steigerung ihrer Attraktivität kümmern. In den Schulen hatte vielfach die Vorstellung um sich gegriffen, dass die eigene Erfahrung der Schüler im selbst durchgeführten Experiment verzichtbar sei oder durch Simulationen, Animationen oder Vorführexperimente ersetzt werden könnte. In der Schule zeigt sich der durch die Stofffülle in den Lehrplänen ergebene Zeitdruck als eine der möglichen Ursachen, die zum Ersatz des Experiments oder zur Reduktion der Experimentierzeit führen. Denn Experimentieren kostet Zeit, Schüler können Fehler machen und sich in der Handhabung konkreter Geräte und vor allem ihrer Verkabelung verirren, Resultate bleiben aus oder weichen von den Erwartungen ab und erfordern einen nicht eingeplanten Erklärungsaufwand. Die negative Bewertung des Experimentierens wird durch eine Sichtweise gefördert, die sich auf das Resultat des Experimentierens fixiert und weniger auf den Lernprozess der Schüler und seiner Resultate. Im Fach Technik hat das gegenständliche Tun der Schüler immer schon einen anderen Charakter und den dabei zu entwickelnden Fähigkeiten wurde größeres Gewicht beigemessen als in der Physik. Allerdings kann der Bezug zu dem dabei gewonnenen Wissen im Fach Technik unterschiedlich ausfallen. Es ist auffällig, dass in den Gymnasien das Fach Technik viel seltener vertreten ist als in den anderen allgemeinbildenden Schulen. Warum also leuchtet es in einer nicht-gymnasialen Sek.I eher ein, eine Werkstatt einzurichten als im Gymnasium? Und warum hält man technischen Unterricht, selbst wenn man ihn in der Sek.I anbietet, in der Sek.II für verzichtbar? Es fällt schwer, dafür didaktische Gründe zu finden und eher wird man auf ganz pragmatische Dinge wie Berufsorientierung stoßen, um diesen Unterschied zu erklären. Doch auch das Fach Technik hat dort, wo es etabliert ist, mit ähnlichen Problemen wie das Fach Physik zu kämpfen, wenn auch wohl kaum mit dem Ersatz der Animation für die gegenständliche Tätigkeit, aber doch mit dem Ersatz eigener Konstruktions- und Fertigungserfahrungen durch vorgefertigte Materialien und Bausätze. Es zeigt sich aber auch hier, dass der durch Versuch und Irrtum gekennzeichnete Lernweg des Erfahrungslernens nur begrenzt abgekürzt werden kann und eine Fixierung auf das Produkt den Blick verstellt für die im Prozess der Produktion wirksam werdenden Lernprozesse. Allerdings lässt sich leider noch nicht von einer soliden Erforschung der beim technischen Handeln wirksam werdenden Lernprozesse sprechen, die zu einem Anwachsen des tacit knowing (M. Polanyi) führen. Erste Arbeiten zum technischen Wissen (Gaycken 2010, Mildenberger 2006, Kornwachs 2012) und zum handlungsbegleitenden Sprechen (Binder 2014) eröffnen aber bedeutende Forschungsfelder für die Technikdidaktik. Das Fach Technik hat das Potenzial, beide Seiten der Technik zu repräsentieren: sowohl die Ingenieurwissenschaft als gegenüber den Naturwissenschaften eigenständige Disziplin mit eigenen Verfahren und Erkenntnisweisen, wie sie am Beispiel von Lilienthal erwähnt wurde, als auch die selbst in der Ingenieurwissenschaft nicht verlorengegangene Seite des Erfahrungslernens und des aus dem gegenständlichen Handeln gewonnenen impliziten Wissens. Potenzial: Das Fach ist längst nicht in allen Bundesländern im Gymnasium vertreten und die DGTB wie auch die Zeitschrift TU werden nicht als Impulsgeber für den Unterricht an Gymnasien und an der Sek. II wahrgenommen, wie z. B. Schlagenhauf (2014, S. 9) für den Unterricht im neu geschaffenen Fach NwT im Detail nachweist. Die vielen Förder- 26 tu 156 / 2. Quartal 2015

27 Technikgeschichte tu: Sachinformationen möglichkeiten im Bereich des MINT- Unterrichts können dazu beitragen, dass sich diese Situation ändert und das Fach seine Stärken ausspielt. Dies kann es durch die Besinnung auf beide Wurzeln, Wissenschaft und Erfahrung, und durch die sorgfältig kommunizierte Unterscheidung zwischen Physik und Technik. Literatur Beurskens, Jos (2014): The History of Wind Energy. In: Alois Schaffarczyk (Hrg.): Understanding wind power technology. Theory, deployment and optimisation. Unter Mitarbeit von Gunther Roth. Chichester, S Böhle, Fritz (2013): Subjektivierendes Arbeitshandeln. In: H. Hirsch-Kreinsen; H. Minssen (Hrsg.): Lexikon der Arbeits- und Industriesoziologie, edition sigma, Berlin, S Binder, Martin (2014): Private Speech in technischen Handlungen. Eine Untersuchung zum handlungsbegleitenden Sprechen von Kindern. In: Journal of Technical Education 2 (2). Online verfügbar unter joted/article/view/35, zuletzt geprüft am Christensen, Benny (Hrg.) (2009): Wind power. The Danish way, from Poul la Cour to modern wind turbines. Askov, Denmark. Poul la Cour Foundation. Gaycken, Sandro L. S. (2010): Technisches Wissen. Denken im Dienste des Handelns. Univ., Diss. Bielefeld, Berlin: Lit. (Technikphilosophie, 19). Gollwitzer, Jan (2007): Die Anfänge der Funktechnologie. In: Gudrun Wolfschmidt (Hrg.): Von Hertz zum Handy Entwicklung der Kommunikation. Ausstellung anlässlich des 150. Geburtstags von Heinrich Hertz ( ) von Gudrun Wolfschmidt und Karl Heinrich Wiederkehr. Norderstedt: Books on Demand (Nuncius Hamburgensis Beiträge zur Geschichte der Naturwissenschaften, Bd. 6), S Halfmann, Jost (1984): Die Entstehung der Mikroelektronik. Zur Produktion technischen Fortschritts. Frankfurt, New York. Handel, Kai Christian (1999): Anfänge der Halbleiterforschung und -entwicklung. Dargestellt an den Biographien von vier deutschen Halbleiterpionieren. Techn. Hochsch., Diss. Aachen, Online verfügbar unter darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/ volltexte/2008/2517. Hartmann, Elke (Hg.) (2008): Technik und Bildung in Deutschland. Technik in den Lehrplänen allgemeinbildender Schulen; eine Dokumentation und Analyse. Düsseldorf. (VDI-Report / Verein Deutscher Ingenieure, 38). Hau, Erich (2008): Windkraftanlagen. Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. 4., vollst. neu bearb. Aufl. Berl. Heymann, Matthias (1995): Die Geschichte der Windenergienutzung Deutsches Museum, Diss. München. Frankfurt/Main. Kornwachs, Klaus (2012): Strukturen technologischen Wissens. Analytische Studien zu einer Wissenschaftstheorie der Technik. Berlin. La Cour, Poul (1905): Die Windkraft und ihre Anwendung zum Antrieb von Elektrizitäts-Werken. Übersetzung von Johannes Kaufmann. Leipzig. Kaiser, Walter; König, Wolfgang (Hg.) (2006): Geschichte des Ingenieurs. Ein Beruf in sechs Jahrtausenden. München: Hanser. Online verfügbar unter toc/ pdf. MacKenzie, Donald; Spinardi, Graham: Tacit knowledge, weapons design and the uninvention of nuclear weapons. American Journal of Sociology, Vol. 101, 1995, Nr. 1, pp Mildenberger, Georg (2006): Wissen und Können im Spiegel gegenwärtiger Technikforschung. Techn. Univ., Diss. Darmstadt, Berlin: Lit. (Technikphilosophie, 15). Röben, Peter: Von den Tücken der didaktischen Reduktion und der Notwendigkeit der Differenzierung technischen Wissens. TU Technik im Unterricht (2013), Heft 149, S Bildnachweise Bild 1: wikipedia/commons/6/62/nachbau_ des_ersten_transistors.jpg Bild 2: Transistorradio#mediaviewer/ File:Regency_transistor_radio.jpg Bild 3: wiki/file:visible_spectrum_of_ hydrogen.jpg#mediaviewer/file: Visible_spectrum_of_hydrogen.jpg Bild 4 wikipedia/commons/1/14/triode_ tube_1906.jpg Bild 5: org/wikipedia/commons/a/a3/ Galerieholl%C3%A4nder-Moorseer- M%C3%BChle.jpg Bild 6: Windm%C3%BChle#mediaviewer/ File:Muehle_donsbr%C3%BCggen. JPG Bild 7: Bild 8 gedser2.jpg Anzeige Faszinierende Handwerkskünste hautnah erleben Jetzt im Handel Erscheinungsweise: Zwei Ausgaben pro Jahr Einzelpreis 8,90 [D] Abopreis: 16,90 [D] 17,80 [Ausland] inkl. Versandkosten Lassen Sie sich in der neuen Ausgabe von Altes Handwerk...neu erlebt! von der Geschichte des ältesten Handwerksberufs der Welt, der Geschichte des Steinmetzen, begeistern. Schreiben Sie wie ein Mönch mit selbstgeschnittener Gänsefeder und selbstgekochter Tinte nach einem Rezept von 1563! Lesen Sie außerdem u. a. über die 400 Jahre alte Tradition des Blaudrucks und begleiten Sie uns in die Töpferei Arnold, die älteste Töpferei Deutschlands. Natürlich fi nden Sie auch in dieser Ausgabe wieder interessante Veranstaltungshinweise sowie wertvolle Insider-Tipps, um selbst handwerklich tätig zu werden. Neckar-Verlag Weitere Infos unter Neckar-Verlag GmbH Klosterring Villingen-Schwenningen Tel. +49 (0)77 21 / bestellungen@neckar-verlag.de tu 156 / 2. Quartal

28 tu: Unterrichtspraxis Frischer, kräftiger Wind im Technikunterricht Windkraftanlage als Funktionsmodell im Windkanal*) von Dietrich Kadell und Lothar Georgi *) Ein Beispiel für die technische Nutzung erneuerbarer Energieträger Unterrichtsskizze für den allgemeinbildenden Technikunterricht Sek. I und II Erarbeitet in der Grund- und Gemeinschaftsschule Kropp, Geestlandschule, Kropp Sachbereiche Erneuerbare Energien, Maschinentechnik, Fertigungstechnik, Elektrotechnik, Strömungsmechanik Technische Fähigkeiten Konstruieren, Fertigen, Experimentieren, Testen, Messen, Vergleichen, Berechnen, Analysieren, Repowern Vorbemerkung Die Problematik einer zukunftsweisenden globalen Energieversorgung hat zu technischen Entwicklungen geführt, die erneuerbare Energieträger effizient nutzen können. Windkraftanlagen und die damit verbundenen gesellschaftlichen Kontroversen gehören zum Erfahrungsbereich unserer Schülerinnen und Schüler. Damit stellt sich die Aufgabe, dieses Thema für den Technikunterricht aufzubereiten und in den fachimmanenten Kontext von praktisch-manuellem Tun und gedanklicher Durchdringung der technischen und gesellschaftlichen Zusammenhänge zu stellen. Das Unterrichtsobjekt Windkraftanlage in aufgelöster Bauform zur Erzeugung von elektrischem Strom steht exemplarisch für andere Bauweisen von Windkraftanlagen und für andere technische Systeme der Windnutzung (mechanische Mühlen, Pumpen, und Quirle). Umsetzung für den Technikunterricht Die didaktische Diskussion ergibt dazu mehrere Möglichkeiten: Energietechnik a) Vorgefertigte Kleinsysteme werden im Block angeboten. Sie ermöglichen zwar das Aufnehmen von Messergebnissen, werden jedoch nicht der Breite technischer Handlungsvollzüge gerecht. b) Andererseits wird eine Idee diskutiert, die die Montage einer leistungsstarken, wetterbeständigen Anlage aus originalen Maschinenteilen für den Dauerbetrieb im Freien vorsieht. Die Kosten-, Wartungsund Beaufsichtigungssituation wäre problematisch. Unterschiedliche Windverhältnisse behindern unterrichtlich organisiertes Testen und Experimentieren. Die Herstellung von nur einer Anlage durch die gesamte Schülergruppe schränkt den Bildungszuwachs für den Einzelnen wesentlich ein. c) Das hier skizzierte Konzept zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: Aufbau und Betrieb einer labormäßigen Teststrecke im Fachraum mit Windmaschine und Messvorrichtungen. Die Windmaschine wird aus Sicherheitsgründen von der Lehrkraft bedient. Die Maße des Funktionsmodells sind der verfügbaren Windmaschine angepasst. Das Baukastensystem besteht im Wesentlichen aus Bauteilen der Firma Traudl Riess. Es ermöglicht maschinentechnisch stabile Konstruktionen, ist variabel und zur späteren Wiederverwendung vorgesehen. Das Funktionsmodell ist relativ kostengünstig und von den Schülerinnen und Schülern gut zu handhaben. Das Funktionsmodell ist nicht wetterbeständig und nicht für den Dauerbetrieb geeignet, jedoch sehr wohl stabil für den gelegentlichen Betrieb im Freien. Fachdidaktische Überlegungen Das Konzept öffnet vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten des Unterrichts und seiner inhaltlichen und methodischen Anspruchsebenen, die jeweils abhängig von der Lernsituation in der Lerngruppe sind. 28 tu 156 / 2. Quartal 2015

29 Energietechnik tu: Unterrichtspraxis Es ermöglicht die Wahl zwischen einfachen und anspruchsvollen Inhalten. a) Einerseits kann die konzipierte WKA nach Vorlage montiert und betrieben werden. b) Andererseits ermöglicht dieses Unterrichtskonzept im Zusammenhang mit dem labormäßigen Betrieb der Testanlage vielfältig anspruchsvolle und technisch relevante Handlungsvollzüge. c) Auf anspruchsvollerem Bildungsniveau ergibt sich während des Unterrichts zwangsläufig die Notwendigkeit, die praktischen Tätigkeiten mit physikalischen, maschinentechnischen, elektrotechnischen, meteorologischen und aerodynamischen Wirkungszusammenhängen einer WKA zu verknüpfen. Stichwortartig Beispiele: Windentstehung, WKA im Überblick, historisch und zeitgemäß, Fertigung, Aufbau, Betrieb von WKA, Standort, Stromnetz, Widerstands- und Auftriebsprinzip, Schnelllaufzahl, Leistungsbeiwert, Leistungsregelungen, Steuerung der Anlage. Die ökologische, ökonomische und gesellschaftliche Energieproblematik wäre unterrichtlich in Kooperation mit anderen Unterrichtsfächern einzubeziehen. Der Unterricht ist auf anspruchsvollem Niveau problem- und handlungsorientiert angelegt. Schülerinnen und Schüler planen, montieren und testen jeweils ihr eigenes Funktionsmodell, um individuelle Kreativität und Problemlösungsverhalten entwickeln zu können. Vermieden werden konkrete Konstruktionsvorgaben und differenzierte, schrittweise angelegte Montageanweisungen. Für Konstruktion und Montage der WKA bestehen Wahlmöglichkeiten: Material, Form und Anzahl der Rotorblätter, Getriebeübersetzungen, E-Motoren als Generator, auch Arbeitsablauf, Arbeitsmittel und Montagehilfen, Fertigung einzelner Bauteile. tu 156 / 2. Quartal 2015 Die Wahl des Vorgehens ist zunächst Aufgabe der Schülerinnen und Schüler. Dies führt zu verschiedenen Konstruktionen und vergleichbaren Testergebnissen. Unterschiedliche Testergebnisse generieren Problemstellungen und werden möglichst in Eigenleistung gelöst. Fertigung und Vergleich unterschiedlicher Konstruktionen liegen im didaktischen Interesse. Schwerpunkte techniktypischer Handlungsweisen sind hier: Lesen und Umsetzen technischer Anweisungen, eigene Informationsbeschaffung, vorausschauende konstruktive, auch kreative Planung, organisieren von Arbeitsablauf und Arbeitsplatz, Montagearbeiten, entwickeln und anfertigen von Bauteilen und Montagehilfen, testen, experimentieren, Testergebnisse analysieren, Windleistung und elektrische Leistung messen, berechnen und vergleichen, Funktionszusammenhänge erkennen, daraus funktionelle und konstruktive Entscheidungen treffen. Dies fordert anspruchsvoll von der Lehrkraft die Initiierung entsprechender Lernprozesse. Das vorliegende Unterrichtskonzept bedingt bei anspruchsvoller Gestaltung die Einbeziehung grundlegender technischer, physikalischer und mathematischer Funktionszusammenhänge in den Lernprozess. Deren Komplexität erfordert im Unterrichtsablauf verfügbares, funktionales Vorwissen der Schülerinnen und Schüler aus dem Physik-, Mathematik- und dem Technik unterricht. Themen z.b.: einfache elektrotechnische Schaltungen, elektromagnetische Wirkungen, Aufbau und Funktion einfacher E- Motoren, Spannung, Stromstärke, Widerstand, Aufbau und Funktion einfacher Getriebe, Aufbau und Funktion einfacher Maschinen, Grundbegriffe der Steuerungstechnik. In der Unterrichtspraxis gestaltet sich ein Rückgriff auf vorhandenes Vorwissen oft problematisch. Deswegen werden eingeschobene Lehrgänge erforderlich, die wiederum den geplanten Lernprozess unterbrechen und stören können. Vorteilhaft wäre die Möglichkeit curricularer Planung des Technikunterrichts über die gesamte Schulzeit der Schüler. Dies ist jedoch bei labiler Position des Faches im Schulangebot oft nicht möglich. Auch die effektive Abstimmung der Unterrichtsinhalte mit anderen Unterrichtsfächern bereitet oft Schwierigkeiten. Funktionsmodell der Windkraftanlage, Arbeitsbögen mit Informationen und Aufträgen Die Unterrichtsskizze bleibt hier offen, ohne Vorschläge zur Einordnung von Unterrichtssequenzen und ohne Hinweis auf unterstützende Medien. An einer themadienlichen Sammlung der Unterrichtsmedien wird gearbeitet. Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf die Konstruktion und Montage des Funktionsmodells und auf das Messen und Berechnen der Windleistung sowie der elektrischen Leistung. Die Arbeitsbögen sind für die Hand der Schülerinnen und Schüler angelegt. Sie sind in Form von Hinweisen, Aufträgen und Anregungen gestaltet, und ebenso als Dokumente für die unterrichtsbegleitende Technikmappe zum Nachschlagen und Präsentieren vorgesehen. Blatt Nr. 1 Triebstrang der WKA / 2 MW Windkraftanlage / Funktionsmodell Blatt Nr. 2 Rotor / Form und Anzahl der Rotorblätter / Vorschlag für ein Rotorblatt aus Balsaholz Blatt Nr. 3 Rotornabe / Blattwinkelverstellung / Bohrvorlage Blatt Nr. 4 Hauptwelle mit Wellenlager / Bohrvorlage für Wellenlagerträger 29

30 tu: Unterrichtspraxis Energietechnik Blatt Nr. 5 Getriebe / Generator Blatt Nr. 6 WKA-Triebstrang / Montage der Baugruppen Drehkranz der WKA-Gondel am Turmschaft Blatt Nr. 7 Test / Geräteaufbau / Schalttafel / Einsatz verschiedener Verbraucher Blatt Nr. 8 Wirkungsgrad der WKA / Windleistung vor dem Rotor / Formeln Blatt Nr. 9 Testprotokoll / Berechnungen / Vergleich Blatt Nr. 10 Energieumwandlung / Energieausbeute / Reibungsverluste Anmerkungen zu den Arbeitsbögen Blatt 2 Die projektbezogene Entscheidung für das Metallbaukasten-System der Firma Traudl Riess fiel nach didaktischer Diskussion und Vergleich mit anderen marktgängigen Baukastensystemen. Den Ausschlag gaben: die Schraubmontage als ein Beispiel für das Grundverfahren der Fertigungstechnik Fügen, die Stabilität des Systems durch Schraubmontage von Metall-Bauelementen und die für das Projekt geeigneten und geringen Ausmaße des Triebstranges als Funktionsmodell. Die Lochung der Riess-Metallelemente beträgt im Durchmesser 4,15 mm, Durchmesser der Wellen-Elemente 4,00 mm. Diese Differenz erfordert bei der Montage genaues Beachten der parallelen und rechtwinkligen Zuordnung der Bauelemente und Baugruppen. Die Stücklisten der Arbeitsblätter vermerken die Artikelnummern aus dem Hauptkatalog. Sie enthalten nicht die in hoher Zahl erforderlichen Zylinderschrauben und Muttern. Empfehlung: Zylinderschrauben mit Zylinderkopf und Kopf-Schlitz. Muttern-Artikelnummer Schrauben M4 x Schrauben M4 x Bild zu Blatt 2 Auf erforderliche Montage-Werkzeuge und Montage-Hilfen wird hier nicht eingegangen. Für die Fertigung der Rotorblätter ist halbhartes Aluminiumblech (0,5 mm) besonders auch für den Betrieb der WKA im Freien gut geeignet. Durch Abkanten erhalten die Rotorblätter Stabilität. Blatt 3 Die Auswahl konstruktiver Komponenten bleibt offen und dem Schüler überlassen. Natürlich werden in der Literatur optimale Lösungen genannt. Jedoch liegen in dieser Unterrichtskonzeption vielseitige Lösungsansätze im didaktischen Interesse. Blatt 4 Die mechanische Belastung des Funktionsmodells ist abhängig vom Gewicht des Rotors (Zahl und Form der Rotorblätter, Material) und von Bild zu Blatt 5 Bild zu Blatt 5 der Windleistung. Darum wird grundsätzlich empfohlen, die Hauptwelle als M5-Gewindestange zu wählen und entsprechende Kugellager (5-16-5) zu verwenden, die beide nicht im Ries- Katalog angeboten werden. Die Radnabe (Blatt 4, Pos. 10) ist aufzubohren, 5 mm. Als Material für die Wellenlagerträger ist auch Sperrholz möglich. Blatt 5 Für die Experimente sind als Generator alle E-Motoren geeignet, die an die Platten des Riess-Universal-Getriebe- Bausatzes angeschraubt werden können. Das Übersetzungsverhältnis des abgebildeten zweistufigen Getriebes beträgt 1:6,25. Der bisher erreichte Wirkungsgrad dieses Funktionsmodells ist extrem gering, siehe Berechnungen Blatt 9. Die Auswahl eines optimal geeigneten E-Motors als Generator ist problema- 30 tu 156 / 2. Quartal 2015

31 Energietechnik tu: Unterrichtspraxis In der Gondel befindet sich der Triebstrang der Maschine. Gondel Windkraftanlage aufgelöste Bauform Eine Windkraftanlage ( WKA ) wandelt die Bewegungsenergie der Windströmung in elektrische Energie um. Triebstrang einer 2 Megawatt (MW)- Windkraftanlage schnelle Welle Arbeitsauftrag an dich als Entwicklungsingenieur für Rotoren: - Überlege und forsche nach, mit welcher Anzahl und Form der Rotorblätter deine WKA die beste Windausbeute erreichen könnte. - Entscheide dich und skizziere einen Plan. Der Baukasten ermöglicht unterschiedliche Planungen. Auch über geeignetes Material für die Rotorblätter solltest du nachdenken. - Fertige und erprobe deinen Rotor ( Windkanal ). Überlege Verbesserungen und führe sie aus. Flansch zur Befestigung der Rotornabe Diese WKA kann bei guten Windverhältnissen in ca.3,5 Stunden den Jahresbedarf an Strom für einen durchschnittlichen Haushalt erzeugen Vorschlag für ein Rotorblatt aus Balsaholz 100 TEMBRA GmbH,Berlin Rotor Hauptwelle Getriebe Scheibenbremse wandelt die Bewegungsenergie der Windströmung in die Drehbewegung um langsame Welle, verbindet die Rotornabe mit dem Getriebe wandelt die Drehzahl des Rotors in schnelle, für den Generator günstige Drehzahlen um bringt die Maschine zum Stillstand für Wartungsund Reparaturarbeiten langsame Welle Übertragungsgetriebe 1:1 Generator wandelt die Drehbewegung der schnellen Welle in elektrischen Strom um schnelle Welle 30 Zeichnung nicht maßstabgerecht / Bohrung: 4 mm Die Maße passen zu einem Ventilator O / = 60 cm Aufträge an dich als Fachkraft für technisches Zeichnen,CAD und CNC: - Bohrvorlage mit Zeichenprogramm anfertigen und maßstabgerecht ausdrucken - Für exakte Bohrungen könnte CNC-Fräse mit CAD-Ansteuerung genutzt werden Wieviel Strom kann deine WKA erzeugen? Dietrich Kadell Triebstrang unserer kleinen Windkraftanlage Ein Wettbewerb: Wessen WKA liefert die beste elektrische Leistung? ü Stückliste - Rotorblatt Nr. Bezeichnung Anzahl Material / Bauteil * Tragfläche Blattverstärkung Befestigungsbügel Balsabrett 2 mm Hartholz 70 x 20 x 3 Bügel 3 x 1 Loch klein Befestigung je 2 Zylinderschraube M4-10 Unterlegscheibe * Flachstab 2 Loch Bohrvorlage Papier * entsprechend der Rotorplanung * * Artikel Name: Projekt: Windkraftanlage (WKA) - Funktionsmodell Datum: Name: Projekt: Windkraftanlage ( WKA ) - Funktionsmodell Datum: Schule: Klasse / Kurs: Thema: Triebstrang der WKA - 2 MW Windkraftanlage - Funktionsmodell Maßstab: Blatt-Nr.: 1 Schule: Klasse / Kurs: Thema: Rotor / Form und Anzahl der Rotorblätter Vorschlag für ein Rotorblatt aus Balsaholz Maßstab: Blatt-Nr.: 2 Dietrich Kadell Dietrich Kadell 1 3 Montage der Rotornabe / Einstellen der Anströmwinkel Beispiel: Vierblatt-Rotor Nabenkörper des Rotors Je nach Zahl der Rotorblätter sind zusätzliche Bohrungen ( 4 mm ) im Nabenkörper erforderlich. Aufträge an dich als Fachkraft für technisches Zeichnen,CAD und Gerätebau: 2 - Bohrvorlage mit PC-Zeichenprogramm anfertigen und maßstabgerecht ausdrucken, - Bohrlehre herstellen. 5 Bohrvorlage Hauptwelle mit Wellenlager Lagergehäuse der Hauptwelle Es sind zusätzliche Arbeiten erforderlich: Aufträge an dich als Fachkraft für 8 technisches Zeichnen, Gerätebau, CAD und CNC: 4 - Bohrvorlage für den Wellenlagerträger mit Zeichenprogramm anfertigen und maßstabgerecht ausdrucken, 1 - Kugellagerträger anfertigen, nach Möglichkeit CNC-Fräse und CAD-Ansteuerung nutzen, - Bohrung: Freilauf des inneren Kugellagerringes Lochabstand in allen Bauteilen: Abstand 10 mm 2- und 4-Blatt 3- und 6-Blatt Bohrlehre Nabenkörper vor dem Bohren unterhalb der Bohrlehre mit Zylinderschraube befestigen Bohrvorlage Name: ü Schule: 3 Blattwinkelverstellung Befestigungsbügel des Rotorblattes auf der Längsachse verstellen und mit Kontermuttern festsetzen. 6 5 Ein Auftrag für dich als Entwicklungsingenieur: - Eine Messlehre entwickeln für genaues Einstellen der gegen die Windströmung angewinkelten Rotorblätter, Anströmwinkel. Stückliste - Rotornabe Nr. Bezeichnung Anzahl Material / Bauteil Klasse / Kurs: Dietrich Kadell Nabenkörper Nabe der Hauptwelle Befestigungsbügel Befestigung Rotorblatt-Längsachse Kontermuttern * 2 * 1 * 2 * Mehrzweckscheibe 70 mm Radnabe 6 mm Bügel 3 x 1 Loch klein Zylinderschraube M4-8 Gewindestange M4-70 mm Muttern M4 * je Rotorblatt Projekt: Windkraftanlage ( WKA ) - Funktionsmodell Thema: Rotornabe, Blattwinkelverstellung Bohrvorlage / Bohrlehre / Messlehre für Aufprallwinkel Beispiel: zusätzliche Bohrungen für 4-Blatt-Rotor Artikel Datum: Maßstab: Blatt-Nr.: Zahnrad, Übertragung der Drehbewegung zur Getriebe-Baugruppe Stückliste - Hauptwelle mit Wellenlager ü Nr. Bezeichnung Anzahl Material / Bauteil 1 Maschinengestell 1 Montageplatte 11 x 5 2 Wellenlagergehäuse 2 Montageplatte 5 x 3 3 Wellenlagerträger 2 Hartholz 5 x 20 x 50 4 Wellenlager 2 Kugellager Hauptwelle, langsame Welle 1 Gewindestange M Sicherungsscheibe 1 Flachstab 2 Loch 7 Zylinderschraube 4 M Gehäuseflansch 4 Flachwinkel 9 Übertragungsgetriebe 1 Zahnrad Modul 1-20 Z Name: Schule: Klasse / Kurs: Dietrich Kadell Projekt: Thema: 7 1 Windkraftanlage ( WKA )- Funktionsmodell Hauptwelle mit Wellenlager Bohrvorlage für Wellenlagerträger 3 2 Freilauf des inneren Kugellagerringes: beide Teile des Lagergehäuses sind mittig aufzubohren, 10 mm. Artikel Datum: Maßstab: Blatt-Nr.: 4 Die 10 Arbeitsbögen sind abrufbar unter: TU 156 tu 156 / 2. Quartal

32 tu: Unterrichtspraxis Energietechnik Getriebe und Generator Du benutzt den Riess-Universal-Getriebemotor-Bausatz. Er ermöglicht 1-5 Getriebeübersetzungen. Hier als Beispiel ein zweistufiges Getriebe Aufträge an dich als Konstrukteur und Monteur: - Wähle Getriebeübersetzung und Generator aus. - Montiere den Triebstrang deiner WKA. WKA-Triebstrang / Montage der Baugruppen Hauptwelle und schnelle Welle sind parallel versetzt. Zahnräder übertragen die Drehbewegung, 1:1 Hauptwelle, langsame Welle 11 Generatorwelle, schnelle Welle Übertragungsgetriebe zwischen Lagergehäuse der Hauptwelle und der Getriebe-Generator-Baugruppe 6 Drehkranz - Sockel der WKA-Gondel Montage der Windrichtungsnachführung am Maschinengestell, einfache Windfahne Aufträge an dich als Ingenieur: - Berechne die Getriebeübersetzung. - Berechne und Vergleiche die elektrische Leistung. Blatt Nr. 7 Stückliste - Getriebe / Generator ü Nr. Bezeichnung Anzahl Material / Bauteil Artikel 1 Maschinengestell 1 Montageplatte 11 x Getriebegehäuse 2 Montageplatte 3 x 5 ** 3 Abstandsbolzen * 3 / 6 Abstandsbolzen M4 12 u 18 ** 4 Befestigungslasche 4 Winkel 1 Rundloch 1 Langl Übertragungsgetriebe 1 Zahnrad Modul 1-20 Zähne Antriebswelle, langsame Welle 1 Metallachse ** 7 Antriebszahnrad 1 Doppelzahnrad ** 8 Stufengetriebe 4 Doppelzahnräder ** 9 Distanzrolle div Distanzrollen ** 10 Stellring 2 Elastikstellring ** 11 Abtriebszahnrad 1 Zahnrad ** 12 Abtriebswelle, schnelle Welle 1 Generatorwelle ** 13 Generator 1 E-Motor Empfehlung: *je nach Konstruktion **Bausatz / gewünschten Motor anfordern Name: Projekt: Windkraftanlage (WKA) - Funktionsmodell Datum: Name: ü Projekt: Windkraftanlage - Funktionsmodell 3 Montage der Stabilatorscheibe Stückliste / Drehkranz Nr. Bezeichnung Anzahl Material - Bauteil Artikel Nr Turmschaft Sockelteil am Turmschaft Drehsgestellachse 1 1 Holz Montageplatte 5x5 Loch Achse mit Gewindeenden Drehkranz, Gleitlager fest 1 Mehrzweckscheibe Drehkranz, Gleitlager beweglich 1 Mehrzweckscheibe Sockelteil am Maschinengestell 1 Montageplatte 5x5 Loch Stabilisator 1 Scheibe mit Buchse Kontermuttern Befestigung am Turmschaft Achsführung 4 1 M4 Schrauben Flachstab 5 Loch Windrichtungsnachführung Aluminium, Stab, Blech Datum: Schule: Klasse / Kurs: Thema: Getriebe - Generator Getriebeübersetzung, berechnen, auswählen Generator, auswählen Maßstab: Blatt-Nr.: 5 Schule: Klasse / Kurs: Thema: - WKA - Triebstrang / Montage der Baugruppen - Drehkranz der WKA-Gondel am Turmschaft Maßstab: Blatt-Nr.: 6 Dietrich Kadell Dietrich Kadell Name: Schule: Klasse / Kurs: Aufträge an dich als Ingenieur für Testverfahren: Zu deinen Aufgaben gehört nicht nur das Anfertigen der WKA, sondern auch das Experimentieren, Messen, Rechnen, Vergleichen und Verbessern. Jetzt geht es los. Deine WKA im Test / Versuchsanordnung im Fachraum Technik Standventilator ( PEREL 60 cm, 239 V) mit offenem Windkanal 3 Geschwindigkeitsstufen Fertige eine Schalttafel mit schaltplangerechter Montage der Leiterbahnen an. G Projekt: Thema: Windmessgerät Anemometer Meter pro Sekunde ( m/s) messen WKA mittig vor dem offenen Windkanal platzieren und betreiben WKA im offenen Windkanal Motorwinde: Möglichkeit, die mechanische Leistung einer Maschine zu messen und zu vergleichen - verrichtete Arbeit (Gewicht und Strecke) - benötigte Zeit Miss die elektrische Leistung, Volt und Ampere. Testprotokoll: Kennzeichne deine WKA, vermerke spezielle Einstellungen, protokolliere Messergebnisse, berechne Wind- und Generatorleistung, Wirkungsgrad. ( Protokoll-Formular, Formeln, Blatt Nr. 9) Verbessere deine WKA, vergleiche sie mit den WKA deiner Mitschülerinnen und Mitschüler. - Einsatz verschiedener Verbraucher - Aufladen von Akkus für Kleingeräte Dietrich Kadell V Teste verschiedene Konstruktionen und Einstellungen deiner WKA. A M Deine WKA erzeugt Strom, den du nutzen kannst.: - Stromspeicherung im Super-Cap-Kondensator - mit gespeichertem Strom Funktionsmodelle antreiben Windkraftanlage (WKA) - Funktionsmodell Test / Geräteaufbau im Fachraum Schalttafel, Einsatz verschiedener Verbraucher Testprotokoll, Datum: Maßstab: Blatt-Nr.: 7 Du möchtest nun wissen, wie gut deine WKA funktioniert, wieviel Energie sie aus dem verfügbaren Wind in elektrischen Strom um wandeln konnte. Das ist die Frage nach dem Wirkungsgrad - Cp. Wie stark ist der Wind vor dem Rotor?... ist abhängig von - der Masse der Luft (Gewicht) - der Rotorfläche (Durchmesser) - der Windgeschwindigkeit (m/s) Wieviel Strom stellt der Generator zur Verfügung?... ist abhängig von - der Leistung des Windes vor dem Rotor - der Bauweise der WKA (Konstruktion) - der störungsfreien Funktion der WKA Windleistung vor dem Rotor Die Energie des Windes steckt in der Masse der Luft (Gewicht). Volumen Luftmenge - V Windleistung vor dem Rotor Generatorleistung Wirkungsgrad der WKA Pel Pwind = 0,5 (Rho) A v³ Pel = U I Cp = Pwind Name: Projekt: Datum: Windkraftanlage ( WKA) - Funktionsmodell Schule: Klasse / Kurs: Dietrich Kadell zugeführte Leistung Thema: abgegebene Leistung Leistung ist eine physikalische Größe. Sie bezeichnet die umgesetzte Energie bezogen auf eine Zeitspanne. Formelzeichen: P (power) / Maßeinheit: Watt, Zeichen W. Masse der Luft = Luftdichte mal Volumen Luftdichte - ( Rho ) Auch Luft wiegt. Die Dichte der Luft gibt an, wie viel Masse Luft (Gewicht) in einem bestimmten Volumen enthalten ist. 1 m³ trockene Luft wiegt 1,225 kg, 15 C, Meereshöhe. Je schwerer die Luft ist, umso mehr Energie kann die WKA aus ihr entnehmen. Rotorfläche - A Grundfläche der Strömungsröhre A = r² Pi A-vollständig vom Wind angeströmt, vom drehenden Rotor erfasst Rotorfläche bei halbiertem Radius Verdoppelung des Rotordurchmessers führt zu vierfacher Energieausbeute. 2² = 2 x 2 = 4 Wirkungsgrad Das Volumen der Luftmenge, die in einer bestimmten Zeitspanne durch die Rotorfläche strömt, kann als zylindrische Luftstromröhre dargestellt werden. Vzyl = G h = A v A - Rotorfläche v - Windgeschwindigkeit m/s Windströmung hinter dem Rotor verlangsamt wegen Energieausbeute a b a - Luftmenge in 1 Sekunde b - doppelte Luftmenge / doppelte Windgeschwindigkeit in 1 Sek. Windgeschwindigkeit in m/s - v Die Windgeschwindigkeit ist extrem bedeutsam und geht mit der 3. Potenz in die Berechnungen ein. Beispiel Strömungsröhre: Doppelte Masse der Luft bedeutet doppelten Energiegehalt. Doppelte Geschwindigkeit bedeutet vierfachen Energiegehalt. erkunde: Newton`sches Gesetz. Doppelte Masse mal doppelte Geschwindigkeit führen zusammen zu achtfachem Energiegehalt des Windes. 2³ = 2 x 2 x 2 = 8 Maßstab: Wirkungsgrad der WAK Windleistung vor dem Rotor Blatt-Nr.: Berechnung: Windgeschwindigkeit mit 3. Potenz 8 Die 10 Arbeitsbögen sind abrufbar unter: TU tu 156 / 2. Quartal 2015

33 I Energietechnik tu: Unterrichtspraxis Berechnungen Messergebnisse Test Name: Schule: Klasse / Kurs: Rangfolge Wirkungsgrad der WKA - Cp (Verhältnis von zugeführter Windgeschwindigkeit Generatorleistung - Pel (abgegebene Leistung) Windleistung vor dem Rotor - Pwind (zugeführte Leistung) zu abgegebener Leistung) Pel Pwind = 0,5 A v³ Pel = U I Cp = WKA Test Pwind Pel Nr. Nr. m m/s V A m² A v³ W U I W Pwind W Prop. (Eta) Faktor W kg/m³ 0,5 1,22 0,5 1,22 0,5 1,22 0,5 1,22 0,5 1,22 0,5 1,22 0,5 1,22 0,5 1,22 0,5 1,22 Rechenbeispiel: 4-Blatt-Rotor, Blatt Nr. 7 Generator ,5 1,22 0,28 2,1 0,53 0,06 0,2 0,5 1,22 0,24 9,26 1,35 0,53 0,06 0,032 0,032 1,35 0,02 Rotorfläche r² Stromstärke Spannung Radius des Rotors Nr. Projekt: Thema: Windkraftanlage ( WKA) - Funktionsmodell Testprotokoll kennzeichnen, messen, berechnen - Wirkungsgrad - Generatorleistung - Windleistung vor dem Rotor - Maß der Wirksamkeit von Energiewandlung und -transport Cp Pel Pwind (Eta) - über die Anlage verfügbare elektrische Leistung - elektrische Spannung in Volt ( V ) - elektrische Stromstärke in Ampere ( A ) Pel U Pwind - Windleistung in Watt ( W ) 0,5 - Proportionalitätsfaktor * (Rho)- Luftdichte ( kg/m³ ), etwa 1,22 kg/m³ A - Rotorkreisfläche, ( m² ) - Windgeschwindigkeit ( m/s ) Datum: Maßstab: Blatt-Nr.: 9 v Energieumwandlung - Energieausbeute Euch Monteuren und Ingenieuren ist aufgefallen: - Bei kräftigem Wind aus der Windmaschine liefert deine WKA nur sehr wenig Strom. - Das erkennst du am gemessenen und berechneten Wirkungsgrad deiner Anlage und noch deutlicher an der geringen Leistung der angeschlossenen kleinen Winde und des kleinen Ventilators. Welche Ursachen könnten diese Leistungsverluste haben? Die WKA entzieht dem Wind Energie und bremst dabei die Windströmung ab. 1 Da der Wind nicht hinter dem Rotor stehen bleiben kann, ist nur ein Teil der Windenergie nutzbar. Erkunde: Betz`sches Gesetz. Du hast flache Rotorblätter benutzt. Sie wirken nach dem Widerstandsprinzip. 2 Die Energieausbeute lässt sich verbessern. Forsche: aerodynamisch geformte Rotorblätter Du kannst deutlich die Reibungsverluste im Getriebe deiner WKA spüren. 3 Minderung der Verluste ist kaum möglich. Oder? 1-Probemontage des Nabenkörpers 2-Kühlanlage für Getriebeöl 3-Getriebeölfilter 4-Kühlanlage für den Generator 5-Schaltschränke 6-Drehkranzantrieb 7-Drehkranz Name: Schule: Klasse / Kurs: Energiefluss einer modernen Windkraftanlage Der Energiegehalt des Windes vor dem Rotor kann zu 40% in elektrische Energie umgewandelt werden. Eine sehr gute Ausbeute. Und die Ausbeute deiner WKA? Physikalisch nicht nutzbare 1 Leistung des Windes Aerodynamische Verluste durch Reibung und Wirbel am Rotorblatt 2 Mechanische Verluste durch Reibung in Lager und Getriebe 3 Projekt: Elektrische Verluste in Generator, Umrichter, Kabel und Trafo Abb. TEMBRA GmbH,Berlin Windkraftanlage ( WKA) - Funktionsmodell Abb. Bundesverband Windenergie, Berlin Thema: Energieumwandlung / Energieausbeute Reibungsverluste / aerodynamisch geformte Rotorblätter Du hast einfallsreich, zielgerichtet, gründlich und ausdauernd gearbeitet. Weiter so! Datum: Maßstab: Blatt-Nr.: 10 Dietrich Kadell Dietrich Kadell Die 10 Arbeitsbögen sind abrufbar unter: TU 156 tisch. Versuche mit anderen verfügbaren E-Motoren ergaben keine Leistungssteigerung. Eine andere Triebstrang-Konstruktion mit dem Riess-Bausatz RGM08 (Artikel Nummer ) ermöglicht zwei Getriebeübersetzungen (1:3 und 1:9) und vermindert Reibungsverluste. Jedoch können Schülerinnen und Schü- Bild zu Blatt 6 tu 156 / 2. Quartal 2015 ler die Montage und Feineinstellung eines Getriebes damit nicht üben. Kardangelenk als Kupplung Artikel Nummer Gewindestifte Artikel Nummer Blatt 6 Für die Testversuche am Windkanal wird kein Drehkranz benötigt. Bei Aufbau der WKA im Freien für längere Betriebszeiten ist als Drehkranz der Gondel eine andere, stabilere Konstruktion erforderlich, evtl. mit Fahrradnabe. Blatt 7 Leistungsgerechte Axial-Trommelventilatoren werden marktgängig angeboten. Für den Wohnbereich übliche Standventilatoren reichen nicht aus. Empfehlung: Korbdurchmesser mindestens 60 cm. Für die Konstruktion des hier dargestellten Funktionsmodells wären zur Optimierung der Leistungsergebnisse Korbdurchmesser von cm angebracht. Wechselstrom 230 V, Drehstrom bei Anschluss im Fachraum denkbar, 2 3 Stufen der Windgeschwindigkeit Richtwert für den Luftstrom ca ³/h Fachkollegen nutzen im Austausch zwischen den Schulen eine gemeinsam angeschaffte Windmaschine. Regional können Handwerk und Feuerwehr oft behilfl ich sein. Die Luftströmung von Axialventilatoren ist stark verwirbelt. Die Windgeschwindigkeit ist zwischen Zentrum und Randbereich extrem unterschiedlich. Für die Berechnung des Wirkungsgrades wäre ein gemittelter Wert der Windgeschwindigkeit, bezogen auf Teilbereiche der Rotorfl äche, sinnvoll. 33

34 tu: Unterrichtspraxis Energietechnik Windmaschine Bild 1 Versuche von Kollegen mit kompletter Bestückung des Windkanalausgangs mit kleinen Pappröhren und sogar Strohhalmen zur Verbesserung der Strömung blieben unergiebig. Windmessgerät: Einfache digitale Geräte (Anemometer) für das Messen der Windgeschwindigkeit werden kostengünstig als Handgeräte angeboten. Die Geräteausstattung des Physikunterrichts könnte über ein geeignetes Schalenkreuz-Anemometer verfügen. Es wäre an sich bereits eine kleine Windkraftanlage. Windmaschine: preisgünstige Windmaschine von PEREL: industrieller Trommelventilator, 230 V mit 3 Stufen der Windgeschwindigkeit, 120, 145, 200 W, Ventilator- Durchmesser 60 cm, für angemessene Leistungssteigerung besser: z.b. CasaFan DF 800 Windkanal: nur Eigenbau nach Maßvorgabe der Windmaschine, Länge des Kanals ca. 60 cm Abbildungen: stabile Kanalröhre, Zuschnitt Schweißgitter-Gartenzaun grün, Maschen 10 x 5 cm, Matte als Röhre formen und mit Blumendraht an der Stoßstelle fixieren, Röhre mit zwei Schichten Wellpappe auskleiden, Rolle 60 cm breit, zwischen den Schichten punktuell mit Tapetenleim fixieren, Wellpappe mit Blumendraht an den Rohrenden befestigen, s. Abbildung, Windmaschine Bild 2 Die Klebebänder auf der Abbildung sind nachträgliche Korrekturen. Sockel des Windkanals wie Abbildung. Verbesserung der elektrischen Leistung: Wenn nicht durch experimentelle Vergleiche bereits von den Schülern selbst erkannt, kann auf mögliche funktionelle Zusammenhänge zur Steigerung der elektrischen Leistung hingewiesen werden. Beispiele: Formen und Anzahl der Rotorblätter verändern, Anströmwinkel verändern, Unwucht der Rotoren überprüfen und beheben, Leichtgängigkeit der Mechanik überprüfen. Andere Getriebe-Übersetzungen, auch Zahnrad-Module erproben, verschiedene Generatoren erproben (Versuche mit Brushless-Motoren aus dem Flugmodellbau!), Betrieb im Freien ermöglicht längere Rotorblätter. Blatt 9 Die Wirkungsgrade der Funktionsmodelle sind eher vergleichbar, wenn jeweils Mittelwerte von Messreihen zugrunde liegen. Blatt 10 Der Hinweis auf aerodynamisch geformte Rotorblätter ist als weiterführender Auftrag zur Fertigung und Erprobung zu verstehen. Aerodynamisch geformte Profile und geometrische Schränkung der Rotorblätter sind zweifellos wesentliche Komponenten moderner Windkraftanlagen. Dazu Informationen in der hier genannten Quellenauswahl. Fachkollegen haben solche Rotorblätter aus Holz und auch aus Styropor herstellen lassen. Der Zeitaufwand und die Anzahl missglückter Arbeitsergebnisse ist erheblich. Für aerodynamisch geformte Rotorblätter aus massivem Holz reicht die Stabilität der vorgestellten WKA-Konstruktion wegen des hohen Gewichts nicht aus. Weiterführende Vorschläge und Hinweise wären hilfreich. Auch ohne den Aspekt aerodynamisch geformter Rotorblätter sehen wir die mit dem vorliegenden Unterrichtskonzept verbundenen didaktischen Zielvorstellungen zunächst als erreicht an. Das skizzierte Unterrichtsbeispiel ist innovativ offen. Der wissenschaftlichen Unterrichtsforschung bietet sich ein fachdidaktisch und auch lernpsychologisch interessantes Feld. Verbesserungsvorschläge aus dem Erfahrungsschatz der Kollegen und TU -Leser sind willkommen. Viel Erfolg! Sachinformation, Quellenauswahl 1. Bundesverband Windenergie, Berlin themen/technik-anlagen 2. Schuler AG, Göppingen 3. Verband der dänischen Windkraftindustrie: Streifzug durch die Welt der Windenergie in Deutsch unter Vorlesung/windpower_dk/ windweb/de/tour/index.htm 4. Bundesverband Windenergie Unterrichtseinheit Physik: Windenergie Messung der Leistung und Bestimmung der Wirkungsgrade von Windenergieanlagen default/files/download/publication/ unterrichtseinheit-physik/ physikbroschuere.pdf 34 tu 156 / 2. Quartal 2015

35 Elektrotechnik / Elektronik Batterietester für viele gängige Batterietypen Von Wolfgang Zeiller Das Gerät dieses Bauvorschlags ist käuflichen Testgeräten in zwei Punkten überlegen: Es hat eine große analoge Ampelskala und mit ihm können auch die 4,5-V-Flachbatterien, die häufig im Unterricht Anwendung finden, geprüft werden. Nahezu alle neueren Lithiumzellen sind ebenfalls prüfbar. tu: Unterrichtspraxis ist eher irritierend und bedarf zuerst eines intensiven Studiums der Bedienungsanleitung, die u. U. natürlich im Irgendwo verlegt wurde. Auch bei den modernen ziemlich kleinen Displays mit Ziffernanzeigen ist eine eingehende Sichtung der zuordnenden Tabellenwerte von Spannungen in einer Betriebsanleitung für eine wertende Aussage nötig. In der tu 88 (S. 26 links unten) hatte schon 1998 der Autor Gerrit Upmeier zu Recht beklagt: Oft ist die Messanzeige solcher (Komponenten-) Tester auch nur auf dem Hintergrund großer Erfahrung ablesbar oder interpretierbar. Eine Ampelanzeige mit den Farben Grün Gelb Rot ist jedenfalls unmissverständlich aussagekräftig. Hier zeigt sich die grundsätzliche Wirkung wirklich effektiver technischer Artefakte. Alles muss nicht nur funktionieren, sondern schneller und intuitiver als bisher ablaufen. Im Grunde handelt es sich hier um ein Informationsgerät. Ein Nutzer möchte rasch die informierende Ja/Nein-Aussage bekommen: Taugt die vorliegende Batterie noch was oder nicht? Der neue Batterietester In der tu 76 hatte ich schon einmal einen Batterieprüfer vorgestellt. Inzwischen gibt es jedoch zusätzlich die 3-V-Lithiumbatterien, und zwar nicht nur als Knopfzellen, sondern auch als Rundzellen (gleiche Form wie Mignonund Babyzellen). Dies war der Anlass nach 20 Jahren für eine Neukonzeption. Das nun vorgestellte jetzige Produkt kann nicht nur weit mehr Batteriesorten prüfen (alle im Foto gezeigten Ausführungen), sondern ist auch mit seinem schönen großen Ampelskala- Instrument aussagekräftiger: tu 156 / 2. Quartal 2015 grüner Sektor: neuwertig bzw. guter Zustand der Batterie (Bat. ok) gelber Sektor: Achtung: mäßiger Zustand, deutlich angebraucht bzw. teilentladen roter Sektor: die Batterie ist verbraucht, d.h. möglichst gleich austauschen Schnelle Aussage über den Batteriezustand erwünscht Ein Batterietester mit zu kleinem Zeigerwerk und zu vielen Balkenbögen Die Messung mit einem DMM Zuweilen kommt die Frage: Bekommt man die Information über den Batteriezustand nicht einfacher und preiswerter über eine Spannungsmessung an den Batteriepolen mit einem schon vorhandenen Digitalmultimeter (DMM)? Ein gängiges DMM hat meist 10 Megaohm Innenwiderstand im Voltmeterbereich. Bei einer 9-V-Blockbatterie ist der entnommene Strom I dann beim Testen lediglich unter einem Mikroampere (aus: I = 9 V/107 Ω). Das ist kein praxisnaher Belastungsstrom. Erst mit einem parallel zu an den Batteriepolen angelegten relativ niederohmigen Widerstand geht diese Leerlaufspannung herunter. Beim Test müsste daher ein solcher Belastungswiderstand dem jeweiligen Anwendungsfall der Batterie angepasst sein. Dies gelingt Testern nicht immer. Dazu ein Beispiel: Bei einer geringen Belastung von 5 ma eines Testgeräts ist für eine Babyzelle die gemessene Spannung von 1,3 V für eine Uhrenbatterie noch o. k. Eine solche Wanduhr läuft auch noch 35

36 tu: Unterrichtspraxis eine Weile weiter. Anders sieht es aus, wenn dieselbe Zelle in einer Taschenlampe drin ist, deren Leuchtmittel 300 ma benötigt. Dann senkt sich die Zellenspannung im Betrieb auf z. B. 0,9 V und die Lampe ist damit eine unbrauchbare Funzel. Wäre der Belastungsstrom des Testgeräts jedoch 0,3 A, würde der Anwender die Batterie aber schon für eine Uhr unbrauchbar halten und entsorgen. Allzu viele Einstellmöglichkeiten machen jedoch das Testgerät wiederum bei der Bedienung eher zu kompliziert. Um einen Batterietester nicht konstruktiv zu umfangreich und bedienungsintensiv werden zu lassen, muss man hier für eine Zielkonfliktlösung Kompromisse eingehen. Es gibt viele Batterietypen Falls bereits bei relativ kleinem Belastungsstrom die Spannung an den Batteriepolen deutlich absinkt, ist das durchaus ein Warnhinweis, die Batterie möglichst sogleich auszutauschen. Zudem gibt es eine enorme Vielfalt von Batterietypen hinsichtlich Baugröße und Spannungswerten. So ist es nicht einfach, alle momentan gängigen Typen mit einem handlichen Gerät zu prüfen. Schließlich soll so ein Produkt im Unterricht nicht bloß stumpf dem Schaltplan nachgebaut, sondern auch von den Lehrenden und Lernenden funktional verstanden werden. Kurz: Zu komplex darf das Konstrukt nicht werden. Der vorgestellte Tester hat einen Drehschalter (auch Stufenschalter genannt) mit sechs Schalterstellungen. Mit ihm gelingt es immerhin, alle eingangs abgebildeten Batterietypen zu testen. Dazu waren auch etliche Änderungen bzw. Umbauten während der Entwicklung nötig. Ganz so einfach ist es eben nicht, einen brauchbaren Tester für die derzeitige große Vielzahl von Batterievarianten zu entwerfen. Es gibt einen schönen kleinen Bat.-Tester (schwarz-gelbes Gehäuse), sogar mit kleinem Ampelinstrument. Doch sein ausziehbarer Einklemmbügel für die Testbatterien brach nach einiger Zeit ab. Dies kann mit unseren Prüfkabeln nicht passieren, zudem sind so alle möglichen Bat.-Formen leichter zu kontaktieren. Batterien verraten ihren inneren Zustand selten durch eine Sichtprobe Batteriezellen sind heutzutage so gut verarbeitet, dass man nach längerer Einsatzdauer eher selten ausgelaufene Zellen oder gar aufgeblähte Exemplare findet. Auch die neueren Lithium- Mignonzellen etwa zeigen bei ihrem Lebensende äußerlich nicht die geringste Spur von Unbrauchbarkeit. Sie gaukeln einem geradezu einen Neuwert vor. In schönstem Silberglanz der Umhüllung bringen sie jedoch nach Monaten oder gar Jahren bei Nachmessung statt der aufgedruckten 1,5 V Nennspannung z. B. nicht ein paar Zehntel Volt an einem 100-Ohm-Widerstand zuwege! Bei Knopfzellen sieht man ebenfalls selten Oxidationsspuren eines austretenden Elektrolyts, der wie bei großen älteren Rundzellen mit dem Zink-Kohle-System (heute nur noch in Billigprodukten) nicht nur die Nickeloberfläche der Bat.-Pole, sondern auch die federnde Batteriehalterung (meist auch vernickelt) angreift. Chemiker wissen: Nickelsalze sind grünlich. Eine Kontaktreinigung erledigt man schonend mit einem Schmirgelschwamm oder mit einem Stückchen Sandpapier mit ganz feiner Körnung. Mit mit Wattestäbchen putzen allein erreicht man jedenfalls keinen Stromdurchgang. Elektrotechnik / Elektronik Auch anderen Bat.-Typen sieht man ihren guten oder schlechten Ladezustand eher selten direkt an. Der Benutzer benötigt daher ein Instrument als Vermittler für den ungefähren Zustand einer Batterie. Es gibt Geräte mit bis zu 8 (!) seriell eingesetzten 1,5-V-Rundzellen, um z. B. 12 V zu erreichen, wie die moderne tragbare Gartendruckspritze mit Elektropumpe zur komfortableren Applikation von Fungiziden und Herbiziden. Hier kann man mit einem Batterietester problemlos die lahmen oder gar toten Exemplare der langen Batteriereihe detektieren. Funktionsprinzip des Batterietesters Das verwendete Voltmeter hat wie jedes gängige Drehspulwerk eine lineare Anzeige. Auf der Skala würde der hier interessierende Bereich als die letzten % vom Vollausschlag in der Praxis zu schmal erscheinen. Deshalb blenden beim aufgezeigten Bauvorschlag eingebaute Zenerdioden den unteren, nicht relevanten Spannungssektor aus. Die Wirkung ist damit so, als ob nun der interessierende Voltbereich in der Anzeige wie mit einer Lupe herausgehoben erscheint. Mit den Einstellbauteilen (Trimmer) werden die genaueren Anzeige- Schaltplan Batterietester: Die zu prüfende Batterie liefert selbst den Strom für die Anzeige. Das Gerät benötigt daher im Gegensatz zu Batterietestern mit Display keine eigene Batterie wie Knopfzellen. Erfreulich ist zudem: Außer Dioden gibt s hier keine elektronischen Bauteile. 36 tu 156 / 2. Quartal 2015

37 Elektrotechnik / Elektronik tu: Unterrichtspraxis stellungen von Spannungen eingestellt. Wir machen dies im Vergleich mit einem DMM und man erkennt: Messen ist nichts anderes als Vergleichen. Grund des Vorgehens: Es gibt ja immer Bauteiltoleranzen, auch bei Dioden. Die Kleinpotis begrenzen zugleich den Zenerdiodenstrom, andernfalls werden sie evtl. zu erwärmt. Der Drehschalter ermöglicht es, den Bereich der Testspannung entsprechend der Batteriespannung auszuwählen. Er hat also eine Zuordnungsfunktion. Belastungswiderstände setzen die Testbatterie ein wenig unter Druck. Es ist wie beim Menschen, der sich ohne Belastung im Fernsehsessel fit gibt, aber bei Arbeitsbelastung erst zeigen kann, was er wirklich drauf hat. Mit merklicher Stromentnahme sinkt die Leerlaufspannung einer Batterie deutlich und verrät uns mehr über das, was in ihr noch drin ist. Im Idealfall wäre der Belastungsstrom beim Testen so groß wie der Einsatzstrom der Batterie. Die restlichen Bauelemente sind meist Sicherheitsteile, um das teure Messwerk bei möglicher Fehlbedienung des Geräts zu schützen. Auch das Gehäuse ist nicht nur ein anordnendes Gestell, sondern ein Sicherheitsteil. Selbst wenn das Gerät mal vom Tisch fällt, fängt das elastische Material noch Stöße auf und das sensible Messwerk kann so ein Malheur wohl überstehen. Der Anzeigeteil Zunächst fällt links das Anzeigeinstrument mit seiner Peripheriebeschaltung auf. Das Voltmeter V ist gar mit 3 Dioden (1 N 4148, ca. 5 Cent/Stück) bestückt. Wozu dienen sie? Zudem: Was soll der Kondensator C bewirken? Die Diode D1 (grün) verhindert durch Stromsperrung, dass der dünne Zeiger bei versehentlicher Falschpolung der zu testenden Batterie an den Krokodil-Klemmen nicht zu heftig in den linken Begrenzungsstopp saust und sich dann verbiegt. Zudem nimmt D1 tu 156 / 2. Quartal 2015 ca. 0,7 V in korrekter Durchlassrichtung weg, denn das Instrument (R i = 1,66 kω, I max. = 0,27 ma) verträgt für den totalen Vollausschlag nicht mehr als etwa 0,5 V (aus: U = R i x I max. ); selbst eine altersschwache Rundzelle (Alkali-Typ) hat aber z. B. immer noch 0,9 V. D2 und D3 leiten jede Spannung über 0,7 V am Messwerk vorbei. Dadurch wird die sensible Drehspule geschont, falls der Nutzer z. B. im 3-V-Bereich unkorrekt eine 9-V-Batterie anschließt. Ebenso ist das bei versehentlicher Vertauschung der Krokoklemmen ein Überlastungsschutz für das Instrument V bei allen Einstellbereichen des Drehschalters DS (rechts im Schaltplan). Der Elko (ca. 10 Cent) bewirkt eine Zeigerberuhigung. Dieser Kondensator C dämpft zu unruhiges Zeigerpendeln beim Testen. Wir pressen an einige Bat.-Pole wie bei Knopfzellen ja nur kurz die Krokoklemmen an. Dabei gibt s mal guten Kontakt oder mal weniger guten, worauf der Zeiger mit heftigem Pendeln zu unruhig reagieren würde. Nur bei der Flachbatterie und dem kleinen E-Block können wir die Klemmen an die Bat.-Pole fixieren. Alle anderen Typen haben zu unterschiedliche Formen und Größen, weshalb hier auf Bat.-Fassungen verzichtet wird. Zusammengefasst dient die Peripheriebeschaltung von V der Betriebssicherheit und dem Komfort beim Ablesen des Instruments. Das Kalibrieren (Einstellen der Potis) Schalter an 1,5 V: Rundzellen und Alkali-Knopfzellen Der Drehschalter DS steht auf 1,5 V. Die Batterie wird durch R1 mit 100 Ohm mit etwa 150 ma belastet. Im Schaltplan sind alle grauen Widerstände R1 bis R6 solche Belastungswiderstände für die jeweilige Batteriesorte. Um die zarten Kontakte des DS vor möglicher Kontaktoxidation durch Funken zu schützen, soll laut Hersteller des DS der Schaltstrom jedoch 0,15 A beim Schalten nicht übersteigen (ohne Stromdurchgang mehr, aber mit hastigen Fehlbedienungen ist eben zu rechnen). Also darf ein Belastungswiderstand hier auch nicht zu niederohmig gewählt werden. Der Messstrom wird ganz oben über P1 begrenzt. Das Trimmpoti P1 wird so mit einem einstellbarem Netzgerät und einem an den Krokoklemmen angeschlossenen DMM (Spannungsbereich 20 V) eingestellt, dass bei 1,5 V der Zeiger bei Mitte Grün liegt. Am DMM 1,0 V entspricht dann beim Batterietester Mitte Gelb. Ab Rot rechts ist U Bat = 0,7 V. Die Verwendung eines DMM beim Kalibrieren ist sinnvoll, weil die Display- oder Zeigerangaben eingebauter Instrumente an Netzgeräten nicht immer exakt sind. Schalter an 3 V: Lithiumzellen P2 wird so eingestellt, dass Mitte Grün 3,2 V am DMM entspricht. Mitte Gelb ist dann 2,6 V. Rot rechts ist 2,4 V. Die Zenerdiode 2,7 entlastet das sensible Analoginstrument V zusammen mit D1 und P2 vor zu viel Spannung (die Z-Diode nimmt für sich 2,7 V in Anspruch). R2 ist mit Rücksicht auf die kleinen Knopfzellen 680 Ω, sodass ein nur relativ kleiner Belastungsstrom etwa 4 5 ma fließt (aus 3 V/680 Ω). Li-Zellen haben neu teilweise 3,6 V Leerlaufspannung. Erst mit einem Belastungsstrom verraten sie ihren Ladungszustand. Schalter an 4,5 V: Flachbatterie: P3 auf Mitte Grün 4,5 V einstellen (Mittel Gelb ist dann 4,2 V und Rot rechts 4 V). R3 ist unkritisch, z. B. 100 Ω (jedoch nicht kleiner als 47 Ohm wählen, um die Kontakte vom DS zu schonen). Schalter an 9 V: R4 sollte z. B. 470 Ω sein, denn bei Werten < 390 Ω sinkt die Spannung der kleinen Blockbatterie sonst zu stark. Man bedenke: Die kleinen 6 internen Zellen des E-Blocks haben natürlich in der Summe einen merklichen Innenwiderstand. P4 ist so einzustellen, dass bei 9,0 V der Zeiger in der Mitte Grün liegt. Mitte Gelb ist dann 8,2 V und Rot rechts 8 V. Viele DMM mit Blockbatterie zeigen bei 7,5 V das Batterieende an; unter 7,2 V gibt es dann beim Messen gar meist Mondwerte im Display. Schalter an 12 V: Zur Kurzüberprüfung eines Bleiakkus. Der Wider- 37

38 tu: Unterrichtspraxis standswert R5 mit 220 Ohm ist als Belastungswiderstand eigentlich zu hoch und dadurch der Belastungsstrom eher zu klein. Aber wir wollen ja kein Heizelement in den Bat.-Tester einbauen. R5 muss mindestens diese Leistung P aufnehmen können, wenn der frisch geladene Akku 13 V hat: P = U²/R = 13² V²/ 220 Ω = 0,75 W. Hat man einen hochkapazitiven Akku, ist es sinnvoll, während des Testens ihn zusätzlich mit einer 12-V-Halogenlampe mit Watt zu belasten. Bei einem Autoakku schaltet man die Frontlichter zu und misst dann die Spannung. P5 stellt man auf Zeigerende Grün bei 12,6 V des DMM, Anfang Grün ist dann 12 V, Mitte Gelb 11,8 V und Rot links 11,2 V. Hinweis: Ein Bleiakku sollte auch belastet nicht deutlich unter 10,8 V gehen, sonst liegt Tiefentladung vor, was seine Lebensdauer verkürzt. Schalter an A23: Manchmal auch 23 A genannt so heißt eine kleine 12-V- Alkali-Rundzellen-Batterie, die oft für Garagen- und andere Funk-Fernsteuerungen benutzt wird. Man kann sich gut vorstellen, dass bei der kleinen Größe (D = 10 mm, L = 28 mm) die winzigen 8 Zellen in Reihe zusammen einen relativ hohen Innenwiderstand haben. Daher wurde R6 mit 3,3 kω gewählt, denn bei kleinerem Belastungswiderstand sackt die Bat.-Spannung, wie ich prüfte, schon zu stark ab und würde beim Testen eine Altbatterie anzeigen, selbst wenn sie nagelneu wäre. P6 stellt man so ein, dass Mitte Grün Das Schaltzeichen einer Zener-Diode und das reale Bauteil: Wenn man in einem Elektronikshop die blaue Ausführung bekommt, nehme man diese, da bei ihr die aufgestempelten Daten (wie 2V7; das V steht immer für das kaum sichtbare Komma, also hier 2,7 V) viel besser lesen kann als auf den roten Typen. Man bevorzuge die 1,3-Watt-Ausführungen, da sie für Schüler/-innen leichter handzuhaben sind als die zierlichen 500-mW-Typen. Man beachte, dass eine Z-Diode (10 bis 30 Cent/ St.) andersherum gepolt eingebaut wird als eine Normaldiode (z. B. 1N 4148). bei 12,3 V des DMM liegt. D4 hebt die Zenerspannung von 10 V etwas an. Man bedenke, dass bei sehr kleinen Strömen die auf das Bauteil aufgestempelten Z-Diodenspannungen auf Grund der leicht gekrümmten Kennlinien nicht mit den Normwerten ganz exakt übereinstimmen. Daher wählte ich nach optimierendem Ausprobieren hier die serielle Kombination von ZD 10 und 1 N Das Gehäuse Es handelt sich um einen gängigen Plastik-Abzweigkasten (100 x 100 x 40 hoch), Farbe: Lichtgrau; auf jeder seiner Seitenflächen sind 3 Abzweigvorprägungen zu sehen). Seine Vorteile sind: Er ist preiswert (knapp 3 Euro im Baumarkt), hat einen Schnappverschluss, ist elastisch und alle nötigen Löcher sind unschwer zu bohren. Die beiden Testkabel sind halbierte gängige Krokokabel. Aber Achtung: Wenn nichts zu messen ist, ist wohl wieder mal die oftmals miese Klemmbefestigung des Kabels schuld. Hier muss evtl. die die Kupferseele an die Klemme angelötet werden. Zur Sicherheit messe man mit einem Durchgangsohmmeter (Piepser), ob da überhaupt eine leitende Verbindung Krokoklemme bis Kabelende vorhanden ist. Die Plastikhülle lässt sich oft nur durch Erwärmen mit einem Heißluftföhn weichmachen und dann abziehen bzw. später wieder überstülpen. Das Instrument und der Drehschalter werden innen mit etwas Schmelzkleber fixiert. Die 6 Schalterstellungen werden mit einem wasserfesten Farb-Filzstift markiert. Der Rest (Trimmer und Dioden) dürfte 5 nicht wesentlich überschreiten, sodass man mit etwa als Gesamtpreis auskommt. Im Gehäuse befindet sich der gesamte Drahtverhau. Eine vorgefertigte Platine ergibt zwar möglicherweise bei einigen Schüler/-innen weniger Schaltungsfehler beim Löten, jedoch benötigt sie Elektrotechnik / Elektronik auch Platz und das Gehäuse müsste dann größer sein. Also beim Löten Leitung für Leitung im Schaltplan abhaken und nicht an allen möglichen Stellen weitermachen. Die Z-Dioden sind so gedreht einzubauen, dass ihre Spannungswerte ablesbar sind und so eine eventuelle Fehlersuche erleichtert wird. Das Instrument Verwendet wird das Einbau-Messgerät AM-49X27/KONTROLL: Conrad.de Best-Nr Preis 6,05 (bei Bestellung ab 10 St. nach Business- Katalog 2014/15, S. 608), sonst fast 7 ). Zum Einbau wird der Gehäusedeckel vorgebohrt (z. B. mit 13 mm) und mit einem 20-mm-Stufenbohrer oder besser mit einer ebenso großen kegelförmigen Handreibahle aufgebohrt. Das Arbeiten mit einem größeren Forstnerbohrer ist gerne unfallträchtig hier besonders vorsichtig sein! Der Drehschalter DS Es wird hier der preisgünstige und leichtgängige Typ LORLIN verwendet (z. B. bei conrad.de, Best.-Nr ; ca. 3,50 ). Er hat allerdings 2 x 6 Schaltstellungen. Wir benötigen aber Die Beschaltung des Drehschalters (DS) von unten nur die Hälfte der Kontakte, wie die Grafik zeigt. Das Einbauloch im Gehäusedeckel erfordert einen 11-mm- Bohrer. Die schwarze 6-mm-Achse des DS ist aus Kunststoff und daher leicht mit einer PUK-Eisensäge zu kürzen. 38 tu 156 / 2. Quartal 2015

39 Elektrotechnik / Elektronik tu: Unterrichtspraxis Batterietyp Anwendungsbeispiel u Kapazität Gewicht Preis Wo im Eingangsbild? Knopfzelle Alkali wie LR 43; Messschieber 1,5 V 0,1 Ah 1,4 g 1,70 kleinste Zelle vorne Ladyzelle N Fahrrad-Rückleuchte 1,5 V 0,8 Ah 9 g 2,50 vorne links unten Microzelle AAA elektr. Kleinwaage 1,5 V 1,1 Ah 11 g 1, am roten Kabel, braun Mignonzelle AA LED-Taschenlampe 1,5 V 2,7 Ah 24 g 1, am roten Kabel, blau Babyzelle C Portabel-Radio 1,5 V 7,7 Ah 43 g 1,70 zwei hinter bl. Blockbat. Monozelle D tragbare Warnleuchte 1,5 V 18 Ah 137 g 2,20 groß rund, links oben Knopfzelle Lithium Sender Garagentor 3 V 0,09 Ah 1,6 g 3,30 vorne am roten Kabel wie z. B. CD = Durchmesser, 16 = 1,6 mm hoch, Leerlaufspannung neu: 3,3 V Flachbatterie für kleine E-Motoren 4,5 V 5,4 Ah 108 g 4,20 ganz hinten, hier grün Blockbatterie Sender Fernsteuerung 9 V 0,55 Ah 46 g 3,30 rechts, hier blau A 23 Sender Funkfernsteuerung 12 V 0,05 Ah 8 g 3, schwarz/silber, vorne Diese Batterie ist leicht mit der Ladyzelle (nur 1,5 V) zu verwechseln! links von der kl. Knopfzelle Batterietypen, die mit dem Testgerät prüfbar sind Anmerkung zu Lithiumzellen Eine gängige Alkali-Babyzelle hat 1,5 V. Die im Eingangsfoto gezeigte grüne Babyzelle (nahe dem schwarzen Drehknopf) ist jedoch ein 3-V-Lithium- Typ (neu im Leerlauf gar 3,6 3,7 V). Sie kostet mit 10 das 5-Fache einer Alkali-Babyzelle, hat allerdings einen tieferen Temperaturbereich. So hält mit nur einer solchen Li-Zelle ein flackerndes Grablicht auf dem Friedhof besonders im Winter länger durch als zwei Alkali-Babyzellen in Reihe: Alkalizellen müssen alle 2 3 Monate gewechselt werden, Grablichter mit Paraffinkerzen sogar alle 3 4 Tage und können u. U. von einem Sturmwind ausgeblasen werden. Lithiumzellen in Mignongröße und Microgröße gibt es auch als 1,5-V-Typen in Baumärkten. Bei Kälte halten sie in Außenthermometer-Sendern viel länger durch und auch bei elektrischen Uhren im Haus. Allerdings sind sie auch teuer als ihre Alkali-Vorgänger. In Armbanduhren mit ihren Schnappverschlüssen baut man heutzutage nur noch die 3-V-Knopfzellen aus Lithium, da sie nicht nur eine größere Energiedichte (schon wegen der doppelten Zellenspannung) als die Alkalizellen haben, sondern auch weil sie länger tu 156 / 2. Quartal 2015 korrosionssicher lagerbar (bis 10 Jahre) und benutzbar sind. Entsorgung von Batterien Auf Recyclinghöfen dürfen Akkus und große Batterien, ganz besonders Lithiumakkus, nur entladen abgegeben werden, da sie bei Kurzschluss durch Kontakt der durcheinandergewürfelten Zellen schon öfters den ganzen Sammelbehälter zum Brennen gebracht haben. Auch in Schulen sollen Flach- und Blockbatterien mit ihren offenen Kontakten nicht zusammengewürfelt werden. So manche alte Batterie ist eben nur teilentladen und kurzgeschlossen dann zündwillig. Das gilt auch für kleine Akkus wie von Handys, Rollladenantrieben und Akkubohrern. Alte Autobatterien nehmen Recyclinghöfe nicht an sie müssen zum Schrotthändler und werden dort der Säure wegen auf gesondertem Bodenbelag (Wanne) gelagert. Besser ist, man nimmt sie zum Neukaufs eines solchen Akkus mit dann hat man auch die richtigen Einbaumaße und die richtige Amperestundenzahl (Ah) gleich parat. Zudem bekommt man 7,50 Pfand quasi gutgeschrieben, die man extra bezahlen müsste, wenn man die Altbatterie (gleich welchen Herstellers und ähnlicher Kapazität) eben nicht mitbringt. Baut eil-list e 1 Abzweigkasten groß (je 3 seitl. Ausgänge) oder ein ähnl. Kunststoffgehäuse 1 Analog-Instrument (Conrad.de, Best-Nr ) 1 Drehschalter für 6 Kontakte und 1 Drehknopf für die 6-mm-Achse des DS 4 Poti-Trimmer 2,5 kω (P1 P4); z. B. Miniatur-Trimmer PT 10 stehend 2 Trimmer 1 kω (P5 u. P6), z. B. PT 10 LH 4 Dioden 1 N 4148 Z-Dioden: jeweils 1 x ZD 2,7; 3,6; 6,8; 10; 11 (möglichst 1,3 W; insgesamt 5 St.) Widerstände (Festwiderstand, Kohle, ¼ Watt, Toleranz unkritisch: 10 % auch i. O.) 2 x 100 Ohm (R1 und R3) 1 x 470 Ω (R4), 1 x 680 Ω (R2), 1 x 3,3 kω (R6) 1 x 220 Ω (R5), 2 Watt (Kohle) od. 5 W (Keramik) 1 Elko 47 µf/6,3 V 1 Verbindungskabel mit kleiner schwarzer Krokodilklemme 1 Verbindungskabel mit kl. roter Krokoklemme (jeweils ca. 15 cm lang) 39

40 tu: Veranstaltungen DGTB Deutsche Gesellschaft für Technische Bildung e. V. Einladung zur 17. Jahrestagung und zum Nachwuchsforum der DGTB Technik: Wirklichkeitsbereich und Bildungsgegenstand vom in Ingolstadt Tagungsort: Bildungswesen der Audi AG Ingolstadt (A 101) Freitag, Technik: Wirklichkeitsbereich und Bildungsgegenstand Raum A :00 Grußworte des DGTB-Vorstands und der Audi AG 13:15 Einführung in das Tagungsthema 13:30 Dienel: Technik und Wirtschaft ein Spannungsverhältnis 14:15 Pause 14:30 Schlagenhauf: Alltagstechnik als Gegenstand des Technikunterrichts 15:15 Graube/Mammes: Big Data und Industrie 4.0 Herausforderungen an Technikbildung und -didaktik 16:00 Pause 16:15 Janich: Technik: Wirklichkeitsbereich und Bildungsbereich 17:15 Binder: Fragestellungen und Perspektiven der Soziologie auf den Wirklichkeitsbereich Technik und Folgerungen für die Technikdidaktik 18:00 Gesellschaftsversammlung 20:00 Gemeinsames Abendessen im das Mo, Bergbräustraße 7, Ingolstadt Offenes Forum Flur Posterpräsentationen von Lehr- und Forschungsprojekten Präsentation von Ausstellern Samstag, :00 Eröffnung des zweiten Tages (A 101) Offenes Forum Sektion Technikdidaktik Sektion Unterrichtspraxis Offenes Forum A 101 Flur 09:15 Egbert/Gies: Räumlich-zeitliche Mobilität mit dem Schwerpunkt Verkehr als Themenkomplex im Sachunterricht 10:00 Ilgenstein: Berufswahl und Persönlichkeit Eine Studie zu Schülerpersönlichkeiten und deren Berufswahlentscheidungen unter der Einflussnahme einer technikorientierten, lernortübergreifenden Lernumgebung 10:45 Pause 11:00 Möllers: Technische Mündigkeit als Bildungsziel am Beispiel einer Unterrichtsreihe zur Elektromobilität in der gymnasialen Oberstufe 11:45 Wiesmüller: Abschlussdiskussion und Ausblick 12:30 Möglichkeit zum individuellen Mittagessen (Mövenpick Restaurant im Audi Forum) 13:00 Führung I Museum Mobile Lehmke: Vorwiderstand, PWM, MOSFET und Co. Lösungsvarianten für ein technisches Problem vergleichen Zeiller: Der Optimierungsprozess Methodische Vorgehensweisen zur Verbesserungen von der Gestaltung technischer Objekte Löhr: Museales Arbeiten im Technikunterricht 14:00 Jeretin-Kopf: Nachwuchsforum der DGTB Führung II Museum Mobile Hinweise zur Hotelbuchung, zur Anreise und einen Plan der Tagungsräume finden Sie unter Posterpräsentationen von Lehr- und Forschungsprojekten Präsentation von Ausstellern 40 tu 156 / 2. Quartal 2015

41 Allgemeine Technikwissenschaften tu: Sachinformationen Technische Grundsachverhalte Einführung in die Technikwissenschaft(en) 5. Folge Bild 1 Von Helmut Fies S1 Der Beitrag gehört zu einer Folge von Artikeln, welche grundlegende wissenschaftliche Einsichten in wesentliche Zusammenhänge und Bezüge der Technik vorstellen. Siehe auch tu 152 S , tu 153 S und tu 154 S In tu 152 befindet sich die gemeinsame Literaturliste Strukturen computergestützter, informationsverarbeitender Systeme Moderne Technikentwicklung zeichnet sich dadurch aus, dass zunehmend informationsgewinnende, -übertragende und -verarbeitende Systeme durch den Einsatz von Mikroprozessoren bzw. dafür speziell entwickelten Computersystemen gestützt oder übernommen werden. Moderne Mess-, Steuerungsund Regelungssysteme sind also z. B. mehr und mehr prozessor- bzw. computergestützte Systeme. In diesem Abschnitt sollen nur informationsverarbeitende Systeme untersucht werden. Die grundsätzliche Struktur eines Computers lässt sich leicht überall nachlesen, da findet man dann den Mikro-Prozessor, den Fest- und den Arbeitsspeicher, verschiedene Ein- Ausgabe-Bausteine und Bussysteme (Daten-, Adress- und Steuerbus). Diese Grobstruktur lässt sich noch weiter verfeinern, indem man diese sehr großen Black Boxes öffnet und die Struktur der darin befindlichen Baugruppen untersucht. Dann findet man Decodierer, Adress-Decodierer, Befehlszähler, ALU, AKKU, Register, Tore usw. Aber selbst wenn man diese Strukturen immer weiter verfeinert, wird ein wichtiger Unterschied zur klassischen, konventionellen Informationsverarbeitung nicht deutlich: der Unterschied zwischen verbindungsprogrammierten und befehlsprogrammierten Systemen. Anders ausgedrückt, der wesentliche Unterschied zu den bisher besprochenen Systemen besteht nicht darin, tu 156 / 2. Quartal 2015 dass hier eine andere Struktur vorliegt, sondern dass es sich um ein grundsätzlich anderes Struktur-Prinzip handelt! Ein einfaches Beispiel: Aufgabe: Für ein einstöckiges Haus soll die Steuerung für einen Lift entworfen werden (EG, 1. OG). Anforderungen: Im Fahrkorb sind die Zieltasten eingebaut, mit denen man das Stockwerk wählt, in das man fahren möchte. Wenn während der Fahrt Zieltasten gedrückt werden, dürfen die se keine Auswirkungen haben (Verriegelung). Bild 1 zeigt die Anlage des Lifts mit eingezeichneten Bauelementen, aber ohne die notwendige Steuerung. Es handelt sich also um eine Transportmaschine mit Antriebsorgan, Übertragungsorgan, Führungsorgan und Arbeitsorgan. Damit daraus eine funktionsfähige Transportmaschine wird, müssen die Steuerelemente (Zieltasten, Endlagentaster) und das Elektromagnetische Lösung: Relaisschaltung EG S0 Z0 b3 in EG a1 A Verriegelung 1. OG S1 Z1 a3 in 1. OG b1 B Z1 Z0 S0 An triebs organ durch eine Schaltung (Konstruktion) so miteinander verknüpft werden, dass damit die geforderten Funktionen realisiert werden. Eine elektrotechnische Lösung dieser Konstruktion zeigt die Abbildung unten. Diese Schaltung (Konstruktion) (Bild 2) besteht aus zwei Teilen: Der linke Teil (Steuerungsteil) dient der Anwahl der Stockwerke, der Speicherung der Informationen bis zum Erreichen des Ziels, dem Stopp des Fahrkorbs beim Erreichen des gewünschten Stockwerks und der Verriegelung der beiden Relais, damit nicht + _ in 1. OG b2 Li a2 in EG Re Bild 2 + _ 41

42 tu: Sachinformationen Allgemeine Technikwissenschaften Bild 3 Programm: CIUS 2 Computer-Interface DO IF DINS ( ) = " " THEN AMOT 1, Left, 255 DO LOOP UNTIL DIN (10) = 1 AMOT 1, Off, 0 END IF IF DINS ( ) = " " THEN AMOT 1, Right, 255 DO LOOP UNTIL DIN (9) = 1 AMOT 1, Off, 0 END IF LOOP Aufwärts- und Abwärtsfahrt gleichzeitig angewählt werden können. Dies würde in diesem Fall zum unweigerlichen Stopp des Fahrkorbs führen. Der rechte Teil (Energieteil) steuert den Motor (Start, Rechts-Links) und damit die Bewegung des Fahrkorbs. Diese Konstruktion ist also die aufgabenspezifische Verknüpfung der Bauelemente und Baugruppen, um die eingangs geforderten Funktionen zu realisieren. Z1 Z0 S1 S0 'Aufzug im EG, Z1 gedrückt 'Fahrt ins 1. OG 'bis S1 gedrückt 'Motor aus 'Aufzug im 1. OG, Z0 gedrückt 'Fahrt ins EG 'bis S0 gedrückt 'Motor aus Möchte man diesen Lift mit Zusatzfunktionen ausstatten, z. B. dass während der Fahrt bereits das nächste Stockwerk angewählt werden kann, um es nach Ankunft automatisch anzufahren, muss diese Konstruktion aufgelöst und eine neue Struktur gefunden werden, die auch die Zusatzfunktion realisiert. Eine solche Konstruktion/ Steuerung nennt man verbindungsprogrammiert, da das Steuerprogramm eben durch die Schaltung, also die Verbindung der Schaltelemente oder Baugruppen, realisiert wird. Man kann dieselbe Aufgabe (mit denselben Anforderungen) auch durch Einsatz eines Mikroprozessors/Computers lösen. In diesem Fall werden die einzelnen Bauelemente aber nicht durch eine entsprechende Schaltung verbunden, sondern über eine Anpassschaltung (Interface) an einen Computer angeschlossen, und die geforderten Funktionen werden durch ein Programm (Software) realisiert (Bild 3). Ein solches Programm könnte etwa so aussehen (siehe Abb. unten): Der entscheidende Unterschied zur verbindungsprogrammierten Konstruktion besteht darin, dass in diesem Fall die notwendigen Verknüpfungen und Strukturen durch das Programm hergestellt werden. Das Programm ist an die Stelle der Konstruktion getreten und übernimmt seine Aufgabe. Deshalb spricht man hier von befehlsprogrammierter Steuerung/Konstruktion. Dieser Punkt, dass nämlich das Programm über Befehle die Verknüpfungs-Struktur bestimmt und diese dadurch auch ständig geändert werden kann, selbst während des Programmablaufes, soll durch das Bild 4 noch deutlicher gemacht werden: Hier wurde versucht, die flexible Struktur eines solchen Systems deutlich zu machen: Die Bedienelemente, die Sensoren, die die Signale aus dem laufenden Prozess liefern, und die Aktoren, die wiederum in den Prozess eingreifen und ihn steuernd oder regelnd verändern, sind hier je an Eingangs- bzw. Ausgangsschnittstellen (Interface, Anpass-Schaltung) angeschlossen, die diese Signale leistungsmäßig vom Computer/Prozessor trennen. Eingabe- bzw. Ausgaberegister sorgen dafür, dass die Signale eine gewisse Zeit zwischengespeichert werden. Aber die eigentliche flexible Struktur wird hier durch sogenannte Datenselektoren und interne Verknüpfungsschaltungen repräsentiert. Einen Datenselektor kann man sich wie einen elektronischen Schalter vorstellen, der über Befehle gesteuert wird. Dies soll über die roten Befehlsleitungen angedeutet werden. Man kann damit zu jeder Zeit z. B. bestimmte Eingangs- 42 tu 156 / 2. Quartal 2015

43 Allgemeine Technikwissenschaften tu: Sachinformationen Bedienelemente Signale aus dem Prozess Schalter Taster Sensor (allgemein) 24 V 5 V Eingaberegister Datenselektoren kombin. verknüpfen math. verknüpfen zeitlich beeinflussen Antriebsmotor M Verarbeitungsprozesse zwischenspeichern Datenspeicher schreiben/lesen Datenselektoren Ausgaberegister 230 V 5 V Ventil Relais, Schütz Endlagentaster Überstromauslöser Leuchtmelder Anpass-Schaltung Interface Bef. Bef. adressieren Adr. Programmspeicher: Befehle zur Prozesssteuerung Bef. Anpass-Schaltung Interface Bild 4 Mikroprozessor, Computer Informationen auswählen und sie einer bestimmten Art der Verknüpfung unterwerfen. Aber auch diese Verknüpfungen, die hier wie geschlossene Blocks aussehen, sind so gestaltet, dass man über Befehle die Form und Komplexität der jeweiligen Verknüpfung bestimmen kann. Dies soll wiederum durch die roten Befehlsleitungen angedeutet werden. Die Befehle selbst sind in einem Programmspeicher abgelegt, der selbst wieder eine ziemlich komplizierte Steuerung benötigt. Wenn auch nicht alle Details der Prozessorstruktur angegeben sind, so wird durch diese Darstellung doch deutlich, dass es sich hier nicht um eine fixe, fest verdrahtete Struktur handelt, sondern um eine außerordentlich flexible, praktisch in jedem Moment veränderbare Struktur. tu 156 / 2. Quartal 2015 Vergleich von Verbindungsprogrammierung (VP) und Befehlsprogrammierung (BP) Aufgabe des Programms: Bei einer Verbindungsprogrammierung sind durch die schaltungstechnische Verknüpfung ständig alle Bauelemente vorhanden, also funktionsbereit, sie arbeitet quasi parallel. Sollen für einen bestimmten Funktionsablauf gewisse Bauelemente oder Baugruppen außer Funktion sein, so muss dies durch gezielte schaltungstechnische Maßnahmen realisiert werden, was bei komplexeren Schaltungen einen ziemlich hohen Aufwand bedeuten kann. Im Gegensatz dazu arbeitet die Befehlsprogrammierung seriell, d. h. sie durchläuft ein Programm Schritt für Schritt und führt die entsprechenden Anweisungen nacheinander aus. Das bietet die Möglichkeit, dass während dieses Ablaufs jeweils nur diejenigen Bauelemente miteinander verknüpft werden, die im Moment in Funktion sein müssen durch die flexible Struktur der BP treten hier die Ablaufprobleme der VP in ungleich geringerem Maß auf. Anforderungen an Kenntnisse und Erfahrungen: Für Lösungen mit Verbindungsprogrammierung, besonders wenn die Aufgaben etwas anspruchsvoller werden, werden schnell differenzierte Kenntnisse über die Bauelemente, ihre Betriebseigenschaften und ihre Schaltungstechnik notwendig. Es handelt sich bei dieser Tätigkeit um eine sehr anspruchsvolle Konstruktionsarbeit! Dies kann in der allgemeinbildenden Schule, die nur die Grundprinzipien verdeutlichen soll, nicht geleistet werden. Hier muss man also auf einer sehr einfachen Ebene bleiben, um die Schüler nicht zu überfordern. Durch Befehlsprogrammierung werden die Bauelemente und Baugruppen durch das Programm in jedem Moment so miteinander verknüpft, dass sich durch ihr Zusammenwirken der geforderte Ablauf/ Prozess ergibt. Dazu muss man keine Kenntnisse über die Bauelemente, ihre Betriebseigenschaften und ihre Schaltungstechnik haben, wohl aber über die Struktur des Problems und die verwendete Programmiersprache. Es handelt sich beim Programmieren also ebenfalls um eine Art Konstruktionsarbeit, aber auf einer abstrakten, formalen, eher logischen und virtuellen Ebene! Lösungen mit BP sind also im Vergleich mit VP recht einfach zu realisieren, was die Möglichkeit eröffnet, in der Schule auch anspruchsvollere und damit reizvollere Themen zu behandeln. Damit gelingt auch der Transfer in die industrielle Wirklichkeit leichter. Auch dort sind solche Lösungen einfacher und schneller zu realisieren als die klassischen fest verdrahteten VP. 43

44 tu: Sachinformationen Allgemeine Technikwissenschaften Komplexität der Systeme: Mit Verbindungsprogrammierung stößt man recht schnell an die Grenze des Machbaren. Es ist leicht, Forderungen an eine Aufgabe zu knüpfen, die als VP nicht mehr lösbar ist; Beispiel Aufzug: Es mag noch realisierbar sein, die während der Fahrt betätigten Zieltasten zu speichern und dann die entsprechenden Stockwerke nacheinander anzufahren. Eine Optimierung dieser Fahrwege in der Form, dass die jeweils kürzesten Wege ausgewählt werden, scheint durch eine VP nicht mehr lösbar. Anders als Programm für eine BP, dies können sogar noch gewiefte Schüler leisten! Daraus wird deutlich, dass BP-Lösungen nicht nur einfacher und schneller als VP zu realisieren sind, sondern auch, dass BP überhaupt erst die Lösung komplizierter Aufgaben und komplexer Systeme gestattet (automatische Steuerung von Großkraftwerken, Verkehrssystemen, verfahrenstechnischen Anlagen, automatisierte Produktion, Autopilot in Flugzeugen usw.). Unterschiede in der Flexibilität: Sollen in einer Firma die Produktion umgestellt, veränderte oder neue Produkte gefertigt werden, so ist die BP der VP weit überlegen. VP-Lösungen müssen in einem solchen Fall völlig neu konzipiert, entwickelt, getestet und installiert werden, ein Aufwand, der viele Monate in Anspruch nehmen kann. BP-Lösungen können dagegen sehr leicht an veränderte Produktionslinien angepasst werden, da Programme leicht umgeschrieben werden können. Dies kann z. B. bereits geschehen, während die alte Produktion noch läuft. Auch die hardwaremäßige Umstellung gelingt viel schneller, da keine Schaltungen entwickelt, sondern lediglich die Sensoren und Aktoren richtig an die Computersteuerung angeschlossen werden müssen. Die Flexibilität der BP ist sehr hoch, was einen enormen Produktivitätsfaktor darstellt. Unterschiede in der Verarbeitungsgeschwindigkeit: BP zeichnet eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit aus. Dies ist wichtig beim Messen, Steuern oder Regeln sehr schneller oder sehr komplexer Prozesse. Demgegenüber sind etwa Relais- oder Schützsteuerungen extrem langsam. Wirtschaftlichkeit: Die beschriebene Flexibilität der BP hat in der Industrie die automatisierte Fertigung auch kleinerer Stückzahlen ermöglicht: Wenn die Umrüst- und damit Standzeiten kleingehalten werden können, dann werden auch kleinere Serien rentabel. Alle diese Gründe haben dazu geführt, dass die Steuerung und Regelung komplexer Prozesse in der Industrie in immer stärkerem Maß von Prozessoren gesteuert werden Strukturen informationsübertragender Systeme (nach [17]) Die drei grundlegenden Funktionen, die die Informationsübertragungstechnik ausmachen, sind: Senden Übertragen Empfangen. In den Fällen, in denen die Informationen nur an einen ganz bestimmten Empfänger übertragen werden sollen, muss zum Übertragen noch das Vermitteln dazutreten. Die vollständige Organ struktur dieser Anlagen sieht also so aus: Sendesystem Vermittlungssystem Übertragungssystem Vermittlungssystem Empfangssystem. Nicht besonders betont werden muss, dass diese Systeme zum Teil außerordentlich komplex sind, die hier angegebene Struktur also die allgemeinste Ebene darstellt (Bild 5). Dabei sind die Sendegeräte und die Empfangs-Endgeräte meist identisch: Sie dienen sowohl dem Senden als auch dem Empfangen von Informationen. Beispiele dafür sind Telefonapparate, Telefaxgeräte, Fernschreiber und Fernkopierer, Sprechfunkanlagen usw. Die Abbildung auf der letzten Seite zeigt anschaulich diese Struktur für zwei wichtige Anwendungsbereiche: die Rundfunk- und Fernsehtechnik und die Fernsprechtechnik. Die unterschiedlichen Bereiche der Informationsübertragungstechnik können stichwortartig folgendermaßen gekennzeichnet werden: Rundfunk- und Fernsehtechnik: Sender: Studio- und Videokameras, Rundfunk- und Fernsehübertragungswagen. Empfänger: Rundfunkempfänger, Fernsehgeräte, Audio- und Videorecorder, Hifi-Geräte. Fernsprechtechnik Über sie kann man sprechen, sehen, schreiben, fernkopieren und andere Daten übertragen. Dazu gehören: Telefonanlagen, Teletex, Telefax, Buchungsanlagen. Alle diese Systeme dienen sowohl zum Senden als auch zum Empfangen der Informationen. Bildschirmtext (Btx) >> Internet Dialogfähige Btx-Systeme bestanden aus einem Bildschirm (Fernsehgerät), aus einer Tastatur für Ziffern und Buchstaben und einem Drucker zur Dokumentation der empfangenen Informationen. Dieses System verband die Telefon- mit der Fernsehtechnik und erlaubte nicht nur Daten abzufragen, sondern auch Aufträge zu erteilen, Finanzierungen, Steuern oder Renten berechnen zu lassen sowie Aufgaben aus dem Bereich Konstruktion und Entwicklung lösen zu lassen. Dieses System wurde abgelöst vom Internet, welches dezentral strukturiert ist und eine höhere Flexibilität und Reichweite besitzt. Sprachgesteuerte Datentechnik Damit sind Systeme gemeint, die menschliche Sprache erkennen und ausgeben und über menschliche Sprache gesteuert werden können. Dies reicht von der automatischen Zeitansage über die sprachgesteuerte Abfrage von Datenbanken bis zu Bestellsystemen, um Waren direkt beim Computer ordern zu können. Solche Sprachsysteme sind bis heute noch nicht so weit ausgereift, dass sie universell eingesetzt werden könnten, da die Spracherkennung und die grammatikalisch und sinngemäß richtige Sprachausgabe ein schwieriges Grundproblem der künstlichen Intelligenz (KI) darstellt. Für begrenzte Aufgabenbereiche sind funktionierende Systeme bereits im Einsatz. Funktechnik Dazu gehören: Sprechfunkanlagen, Kraftfahrzeugfunk, Handsprechfunk, Funkalarmsysteme und Personenrufanlagen. Solche Funksysteme eignen sich auch für den Dialog zwischen Mensch und Maschine. Um den Ausfall von Maschinen oder Anlagen(teilen) anzuzeigen, können codierte Funktelegramme ausgesendet werden, um 44 tu 156 / 2. Quartal 2015

45 Allgemeine Technikwissenschaften tu: Sachinformationen Bild 5 tu 156 / 2. Quartal

46 tu: Sachinformationen Allgemeine Technikwissenschaften den Empfänger zu alarmieren und ihm Ort, Zeit und Art der Störung mitzuteilen. Mit manchen Empfangsgeräten ist auch ein Sprachdialog mit der Zentrale möglich. Verkehrs- und Mobile Informationstechnik Autoradios, Autotelefon, Verkehrsfunk, Eurosignal, Autofahr- und Leitsysteme, Informationssysteme und der elektronische Verkehrslotse (Navigator) gehören hierzu. Besonders das Autoradio wird immer mehr zum intelligenten Terminal weiterentwickelt mit allen Funktionen vom Identifizieren und Ansagen bestimmter Sender bis zu Leit- bzw. Pilotsystemen, die die Autofahrer sicher zum Zielort leiten. Insgesamt muss jedoch angemerkt werden, dass viele dieser Funktionen und Systeme nur durch eine Integration von Informationsverarbeitung und -übertragung realisiert werden konnten, also keine reinen Übertragungssysteme mehr darstellen. Doch dies ist bereits bei modernen automatischen Vermittlungssystemen der Fall. Man kann allgemein sagen, dass genau hierin ein wichtiger Entwicklungstrend moderner Informationstechnik zu sehen ist, dass die Grenzen zwischen ehemals getrennten Bereichen überschritten werden und diese Bereiche mehr und mehr zusammenwachsen: Fernsehtechnik und Computertechnik, Telefontechnik und Bildübertragungstechnik, Telefontechnik und Funktechnik (Handys), Telefontechnik und Computertechnik, fotografische Technik und Computertechnik Zusammenfassung Vergleicht man die unterschiedlichen Strukturen von Maschinen (Ener gie-, Werkzeug- und Transportmaschinen), von Informationsgewinnungs-, Informationsübertragungs- und Informationsverarbeitungssystemen (Messsystemen, Steuerungs- und Regelungssystemen) sowie von Computersystemen (befehlsprogrammierten Systemen), so kann man feststellen, dass sich die Idee einer allen technischen Systemen gleichermaßen zugrunde liegenden, allgemeinen Struktur nicht bewahrheitet hat. Weder lässt sich die Organstruktur von Maschinen auf andere Systeme übertragen, noch lassen sich umgekehrt die Maschinen nach den Grundstrukturen der Informationstechnik analysieren. Eine Vereinheitlichung und damit Vereinfachung der Theorie und Beschreibung von Technik gelingt also auf der recht allgemeinen Ebene der Funktionen recht gut, auf der konkreteren Ebene der Strukturen aber nicht mehr. Hier muss man sich damit begnügen, dass es innerhalb der einzelnen technischen Teilbereiche solche Grundstrukturen gibt, die aber innerhalb dieser Grenzen aufschließend, gliedernd und ordnend wirkt. 2.3 Eigenschaften technischer Sachsysteme Natürlich müssen, wenn die oben behandelten Funktionen präzise beschrieben werden sollen, die verwendeten Stoffe/Materialien, Energien und Informationen bezüglich ihrer Größen und Eigenschaften genauer bestimmt werden. Dies soll hier nicht geschehen, weil dies nur im Zusammenhang mit einer differenzierten Planung und Konstruktion notwendig ist. Eigenschaften, die aber für den Benutzer oder Folgebetroffenen eines technischen Sachsystems bedeutungsvoll sind, sind die Eigenschaften des Systems als Ganzes. Es handelt sich dabei um solche, die durch die ausgewählten Wirkungsgefüge, die spezifischen Konstruktionsmerkmale und den gewählten Bau- und Systemzusammenhang erzeugt werden. Man kann dabei mehrere Gruppen von Eigenschaften unterscheiden, wobei hier nur die für den Benutzer/Laien wichtigen angegeben werden sollen: Funk tionsbedingte Eigenschaften: Leistung, Geschwindigkeit, Tragfähigkeit usw. Betriebseigenschaften: Betriebssicherheit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Energieverbrauch, Raumverbrauch, Wartungsfähigkeit, Reparaturfähigkeit usw. Wirtschaftliche Eigenschaften: Betriebskosten, Herstellungskosten, Effektivität, Wirkungsgrad, Preis usw. Ergonomische Eigenschaften: Bedienungssicherheit, Handhabung, Übersichtlichkeit (intuitive Bedienung), Forderungen an die Aufmerksamkeit, körperliche Belastung (Kraft, Haltung usw.), Stör - Eigenschaften (Vibrationen, Lärm, Emissionen usw.). Ökologische Eigenschaften: Landschafts- und Raumverbrauch, Eingriff in die Landschaft, Entnahme von nicht regenerierbaren Rohstoffen und Energien, Emissionen in die Umwelt (Abgase, Abwärme, Abwässer, Abfallstoffe, ausdampfende Gifte, Abgabe von Radioaktivität, Lärm), Belastung der Umwelt beim Verschrotten (Müll, Sondermüll) usw. Ästhetische Eigenschaften: Form (Design), Farbe, Oberflächengestaltung, Verbindung von Form und Funktion usw. Prestige-Eigenschaften: Betont es meine Person? Zeigt es meine gesellschaftliche Rolle/Stellung? Zeigt es meine Zugehörigkeit zu einer Gruppe? (Diese Eigenschaften spielen mehr oder weniger bewusst bei den Jugendlichen, aber auch bei vielen Erwachsenen eine große Rolle.) Je nach Art des Sachsystems werden diese unterschiedlichen Eigenschaften mehr oder weniger in den Vordergrund treten und an Bedeutung gewinnen. Bei Objekten, die Laien unmittelbar nutzen, werden sie sich beim Kauf und beim Gebrauch zeigen, bei Sachsystemen im öffentlichen Raum (z. B. Kraftwerke) zeigen sie sich im Betrieb. Während die Funktionen eng mit dem Sinnzusammenhang und dem Wissen und Verstehen der Sachsysteme verbunden sind, korrespondieren die Eigenschaften der Sachsysteme mit der Beurteilung und Bewertung von Technik. Sie stellen eine Reihe von Bewertungskriterien zur Verfügung, die man sowohl für die Planung und Herstellung als auch für den Vergleich und Test oder die analytische Untersuchung von technischen Objekten im Unterricht (oder außerhalb des Unterrichts) benutzen kann. Literatur: siehe 1. Teil in tu 152 Wird fortgesetzt 46 tu 156 / 2. Quartal 2015

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