Wie schwarz ist Schwarz, wie weiß ist Weiß? Jugend-Forscht-Arbeit 2017 Fachgebiet Physik von Gregor Dlabal Georg Christoph Lichtenberg Schule Ober-Ramstadt am Mad Science Club an der Gerhart Hauptmann Schule Griesheim
Dlabal: Wie schwarz ist Schwarz, wie weiß ist Weiß?, Mad Science Club an der GHS, 2017 Kurzfassung Ich untersuche wie IR-Strahlung absorbiert wird. Dazu habe ich kleine Kupferplättchen mit verschiedenen schwarzen und weißen oder silbernen Farben beschichtet. Ich habe einen Halter mit Sketchup entworfen und ausgedruckt. Da kommen die Kupferstücke rein. Mit einer Wärmebildkamera untersuche ich welche Plättchen schneller warm werden. Das Ergebnis meiner Arbeit wird für den Bau eines Pyranometers benötigt. Abbildung 1: IR-Bild von Kupferplättchen auf einem Halter. DasDatum ist falsch. 2
Dlabal: Wie schwarz ist Schwarz, wie weiß ist Weiß?, Mad Science Club an der GHS, 2017 Inhaltsverzeichnis Einleitung...3 Forschungsziel...4 Die Experimente...4 Ergebnisse...5 Diskussion...8 Danksagung...8 Anhang...8 Einleitung Ein Pyranometer ist ein Gerät, das die Sonneneinstrahlung misst, indem es Sonnenstrahlen absorbiert. In einem Pyranometer sind schwarze Platten drin diese absorbieren Licht. Es gibt verschiedene Arten von Schwarz. Manche glänzen und werfen damit mehr Licht zurück als matte. Manche werfen rotes Licht zurück und sind deshalb rötlich. Das Pyranometer, was für U-CUBE entwickelt wird soll auch weiße Plättchen haben, diese sollen möglichst viel Licht reflektieren und die Frage ist, welches Weiß mehr Licht reflektiert, silbernes, glänzendes oder mattes. Abbildung 2: Funktionsprinzip eines Pyranometers. Das Licht scheint auf die Plättchen und wärmt sie unterschiedlich auf. Wenn keine Sonne scheint hat beides die gleiche Temperatur. Wenn die Sonne scheint kann man die Temperaturdifferenz messen. 3
Dlabal: Wie schwarz ist Schwarz, wie weiß ist Weiß?, Mad Science Club an der GHS, 2017 Forschungsziel Ich möchte herausfinden, welches Schwarz und welches Weiß am besten für den Bau eines U-CUBE-Pyranometers geeignet sind. Die Experimente Zum Bau des Pyranometers soll Kupfer verwendet werden, da dies die Wärme gut leitet. Ich habe Kupferfolie mit 0,1mm Dicke verwendet, weil man die dünne Folie leicht mit der Schere schneiden kann. Die Plättchen sollen eine Fläche von 1cm 2 betragen. Darum habe ich mit der Schere aus der Folie kleine Quadrate von 1cm x 1cm ausgeschnitten. Abbildung 3: Schneiden der Kupferfolie Bevor die Plättchen mit Farbe beschichtet wurden, habe ich sie in Alkohol entfettet. Als Farben habe ich Acrylfarben verwendet, weil diese Farben auf Metall halten und elastisch sind. Die Farbe muss elastisch sein, weil sich die Metallplättchen minimal dehnen und wenn sich die Farbe Abbildung 4: Auftragen der Farbe nicht mit dehnt, bröselt sie. Für Schwarz habe ich folgende Farben ausprobiert: Mattschwarze Sprühfarbe von Molotow, schwarzen Edding (permanent marker), schwarzen Lackstift und schwarze Tinte. Für Weiss habe ich die folgenden Farben untersucht: Weißer Sprühlack von Molotow, weisser Edding, weisser Lackstift, chrom Lackstift und Chrom Sprühlack. Außerdem matte und glänzende Alufolie. Damit die Plättchen gleichen Abstand zueinander haben und gleichmäßig bestrahlt werden können, habe ich einen Ständer mit Sketchup konstruiert und als STL exportiert. Der Druckcode für den 3D- Drucker wurde mit CURA berechnet. Abbildung 6: Druckprogramm CURA Abbildung 5: Konstruktion des Halters in Sketchup 4
Dlabal: Wie schwarz ist Schwarz, wie weiß ist Weiß?, Mad Science Club an der GHS, 2017 Im Keller habe ich aus Backsteinen und Ytong Steinen ein Podest gebaut in das ich den Halter mit den Plättchen einbauen konnte. Zum Bestrahlen habe ich eine Wärmelampe genommen. Ich habe das im Keller aufgebaut, weil im Keller keine Wärmequellen sind und alle Wände so ziemlich die gleiche Temperatur haben. Wärmebilder mache ich von der Rückseite, weil ich wissen will, wie die Kupferplättchen die Wärme nach hinten abgeben. Abbildung 7: Der Halter mit den schwarzen und weissen Plättchen Abbildung 8: Der Aufbau für die Messungen im Keller. Links ist der Halter eingebaut und rechts ist die Wärmelampe Ergebnisse Experiment 1 Bestrahlung mit Wärmelampe (500W) aus 1m Abstand. Wärmebilder von der Rückseite. Dabei kamen schöne Bilder wie dieses hier heraus. Diese sind leider völlig unbrauchbar, weil man nicht die Temperatur der Plättchen sieht, sondern eine Reflektion. Die metallische Rückseite der Kupferplättchen reflektiert die Wärmestrahlung. Die Unterschiede kommen von Fingerabdrücken, Verunreinigungen, verschiedenen Klebermengen und schief aufgeklebten Plättchen mit anderen Winkeln. Die Farben sind also nicht die Temperatur der Rückseite. Abbildung 9: Wärmebild des ersten Experiments Um die Reflektionen von der Rückseite zu verhindern, habe ich neue Plättchen ausgeschnitten und die Rückseiten aller Plättchen mit dem gleichen matt schwarz angesprüht. Dann musste ich noch einen neuen Ständer drucken, weil ich die Plättchen nicht vom alten entfernen konnte. 5
Dlabal: Wie schwarz ist Schwarz, wie weiß ist Weiß?, Mad Science Club an der GHS, 2017 Experiment 2 Bestrahlung mit Wärmelampe (500W) aus 1m Abstand. Diese Bilder sind ebenfalls nicht verwertbar. Diesmal lag es nicht am Ständer, sondern an der Lampe, denn diese strahlt keine gleichmäßige Wärme aus, sondern ein unregelmäßiges Muster. Im Bild erkennt man, dass sich die rechte, obere Ecke viel stärker erwärmt, als die linke untere Ecke. Dadurch lassen sich die Temperaturen der Plättchen nicht vergleichen. Auch durch eine Veränderung des Abstandes der Wärmelampe zum Ständer oder Bewegen der Wärmelampe war es nicht möglich die Plättchen gleichmäßig zu erwärmen. Abbildung 10: Wärmebild des 2. Experiments Darum habe ich mich entschlossen, die Wärmelampe durch eine 60W Glühbirne zu ersetzen. Experiment 3 Bestrahlung mit Glühbirne (60W) aus ca. 60cm Abstand. Abbildung 11: Wärmebilder des 3. Experiments im Abstand von jeweils 1 Minute Mit dem Programm von FLIR konnte ich den Zeiger, der in den Bildern abgebildet ist, be - wegen und an den Plättchenstellen jeweils die Temperaturen messen. Diese Temperaturen habe ich in Tabellen aufgeschrieben. Die ausgewerteten Bilder und Tabellen sind im Anhang. Die Temperaturen der einzelnen Plättchen habe ich mit LoggerPro in einem Graph dargestellt: 6
Dlabal: Wie schwarz ist Schwarz, wie weiß ist Weiß?, Mad Science Club an der GHS, 2017 Spray matt Schwarz Aluminiumfolie glatt Abbildung 12: Graph der Temperaturentwicklung bei Experiment 3 Man erkennt, dass das Mattschwarz (Sprühfarbe von Molotow) sich erheblich besser erwärmt, als alle anderen Farben. Die schwarze Tinte ist etwas besser, als der schwarze Edding, wobei das Messgerät aber nicht so genau ist, so dass es etwa aufs Gleiche hinauskommt. Die hellen Farbtöne erwärmen sich am Anfang ähnlich. Nach einiger Zeit ist das Chrom und das weiße Acryl am wärmsten. Von den anderen Farben ist das glatte Aluminium am Anfang am kältesten und wird dann etwas wärmer als als Weißes acryl spray und Chromspray. Das matte Aluminium ist anfangs leicht wärmer als das glänzende und später sehr ähnlich. Der Knick in der Kurve ist möglicherweise durch einen Luftzug entstanden, als jemand an der Apparatur vorbeigelaufen ist. 7
Dlabal: Wie schwarz ist Schwarz, wie weiß ist Weiß?, Mad Science Club an der GHS, 2017 Diskussion Ich wollte herausfinden, welche Farben am besten Wärme reflektieren und absorbieren, weil ich das Ergebnis für ein Pyranometer benötigte. Ich habe herausgefunden, dass die matt schwarze Sprühfarbe von Molotow am besten Wärme absorbiert. Bei den Weißtönen verhalten sich viele recht ähnlich. Am besten reflektiert das Chromspray - aber für das Pyranometer schlage ich Aluminiumfolie vor, denn diese reflektiert nur minimal schlechter, ist aber lange haltbar, billig und einfach aufzukleben. Ich habe für das Pyranometer einen Haufen kleine Plättchen ausgeschnitten, die zuvor mit Aluminiumfolie beklebt oder matt schwarz angesprüht wurden. Das Pyranometer funktioniert. Abbildung 13: Links das Muster für die Pyranometerplättchen, in der Mitte die Plättchen auf der Platine und rechts ein IR-Bild mit reflektierender Alufolie Danksagung Ich bedanke mich bei meinem Pappa für die Betreuung und das Arschtreten bei Bedarf. Anhang Wärmebilder und Auswertung von Experiment 3 8