Landessieger Jugend forscht 2021

 

Arbeitswelt

 

Physik statt Chemie: Hygiene 2.0

 

Sieger Arbeitswelt

Miriam Warken (19), Karlsruhe
Karlsruher Institut für Technologie

Fabio Briem (19), München
Technische Universität München

Lukas Bohnacker (20), Blaubeuren
Technische Hochschule Ulm

Projektbetreuung
Dieter Münz

Partnerinstitution
Schülerforschungszentrum Südwürttemberg (SFZ),
Standort Ulm, Ulm

 

Humanpathogene Stäbchenbakterien wie Legionellen, Pseudomonas und E. Coli stellen eine ernstzunehmende Gefahr dar. Vor allem in pandemiegezeichneten Zeiten ist es wichtig, besonders die Risikogruppen vor den Auswirkungen dieser Krankenhauskeime zu schützen. Mithilfe unseres bereits zum Patent angemeldeten Verfahrens töten wir die Bakterien in Rohrleitungen erfolgreich mittels Ultraschall ab und entfernen zudem den hartnäckigen Biofilm von Rohrwänden, um nachhaltiger und umweltschonender als chemische Alternativen gegen die Bedrohung vorzugehen. Nach dem Abschluss unserer Laborphase forschen wir nun in Kooperation mit dem Alb-Donau-Klinikum Ehingen weiter und testen unsere Ultraschallsonotrode unter Realbedingungen. Durch Optimieren der Sonotrode und der Anzahl an Beschallungssätzen wollen wir eine Reduktion der Bakterienzahl um 90 Prozent und eine Anzahl unter der Nachweisgrenze erreichen. Die Entwicklung eines Produktes zur effizienteren und nachhaltigeren Reinigung ist unser Ziel.

 

Biologie

 

Wildbienen zwischen Reiat und Hegau

 

Sieger Bio

Judith Lutz (17), Hilzingen
Hegau-Gymnasium, Singen

Sarah Lichtenstein (17), Neuhausen am Rheinfall
Hegau-Gymnasium, Singen

Projektbetreuung
Dr. Martin Stübig

 

Wildbienen übernehmen die bedeutsame Aufgabe der Bestäubung und doch wird trotz steigenden politischen und öffentlichen Interesses noch immer zu wenig gegen ihren Rückgang unternommen. In unserem Projekt „Wildbienen zwischen Reiat und Hegau“ haben wir uns zwei Jahre lang auf Exkursionen begeben, um die Lebensräume verschiedener Wildbienenarten grenzüberschreitend im Raum Hegau und Reiat zu kartografieren. Zusätzlich dokumentierten und analysierten wir ihr Verhalten, Flugzeiten, Flugaktivität und ihre Nahrungsquellen. Dabei konnten wir insgesamt 46 Wildbienenarten und 90 Pflanzenarten als Futterquellen identifizieren.
Mit unserer Arbeit wollen wir auf den Artenreichtum der Wildbienen hinweisen, ihre extrem wichtige Rolle im komplexen Ökosystem akzentuieren und die aktuelle öffentliche Diskussion zum Insektensterben durch die erhobenen Daten unterstützen. Ergänzend geben wir Hinweise, mit welchen Maßnahmen ihre Lebensräume erhalten und aufgewertet werden können.


Chemie

 

Züns-Ex – die biochemische Waffe gegen den Buchsbaumzünsler

 

Sieger Chemie

Helen Hauck (18), Radolfzell
Nellenburg-Gymnasium, Stockach


Projektbetreuung
Dr. Ceren Karayel, Marion Lay-Koch


Partnerinstitution
Schülerlabor der Universität Konstanz, Konstanz

 

Beim Indischen Springkraut konnte ich im Freiland beobachten, dass Insekten diesen Neophyten meiden. Ich schlussfolgerte,
dass diese Pflanze einen insektenabschreckenden Wirkstoff enthält. Deshalb stellte ich mit einer Reihe von polaren bzw. apolaren Lösungsmitteln Extrakte aus Blättern des Springkrauts her, die konzentriert und in Fressversuchen mit Insekten eingesetzt wurden. Besonders der Methanolextrakt zeigte im Bioassay eine abschreckende Wirkung auf Buchsbaumzünslerraupen und Mehlkäferlarven. In der Folge fraktionierte ich die wirksamen Extrakte mittels Chromatografie.
Massenspektrometrische Analysen ermöglichten den Nachweis von 2-Methoxy-1,4-Naphthoquinon (2M-NQ) in wirksamen Proben. Der In-vivo-Versuch mit synthetischem 2M-NQ zeigte, dass dieses Naphthoquinon eine insektenabschreckende Wirkung hat und sehr wahrscheinlich einer der wesentlichen Wirkstoffe in meinem Extrakt ist. Die Anwendung dieser Substanz könnte in Zukunft konventionelle Pestizide teilweise ersetzen.

 

Geo- und Raumwissenschaften

 

Landwirtschaft auf Kosten der Umwelt? – Auswirkung verschiedener Pflanzen auf Böden

 

Sieger GeoRaum

 

Isabell Seibel (16), Tuttlingen
Immanuel-Kant-Gymnasium, Tuttlingen

Melina Reckermann (16), Wurmlingen
Immanuel-Kant-Gymnasium, Tuttlingen

Projektbetreuung
Katharina Kaltenbach
Partnerinstitution

Schülerforschungszentrum Südwürttemberg (SFZ),
Standort Tuttlingen, Tuttlingen

 

Die Bedeutung der Böden ist für die Umwelt und uns Menschen enorm, wird aber oft unterschätzt. Böden sind wichtiger Bestandteil aller Nährstoffkreisläufe sowie des Wasserkreislaufs und letztlich unsere Lebensgrundlage. Im vorliegenden Projekt wurden deshalb, aufbauend auf dem letztjährigen Gründüngungsprojekt, die beiden Energiepflanzen Mais und Durchwachsene Silphie, ein landwirtschaftlicher Newcomer, vergleichend auf die Parameter Wasserretention, Nitratrückhaltevermögen, Humusaufbau und Potenzial zur Renaturierung ausgelaugter Böden untersucht.
Die Ergebnisse zahlreicher Labor- und Feldversuche zeigen, dass die Silphie eine große Chance für das Wassermanagement landwirtschaftlich genutzter Böden bietet, Nitrat von ihr dadurch besser zurückgehalten wird, sie Humifizierungsprozesse fördert und eine Etablierung auf schlechten Böden möglich ist. Der Anbau der Silphie kann daher besonders im Kontext des Klimawandels und auf ökologischen Vorrangflächen empfohlen werden.

 

 Mathe/Informatik

 

Domänenspezifische Sprache für differenzierbare
Programmierung

 

Sieger MatheInfo

 

Can Lehmann (17), Ingersheim

Friedrich Schiller Gymnasium, Marbach am Neckar


Projektbetreuung
Simon Gaiser, Jan Rapp

Partnerinstitution
Schülerforschungslabor Kepler-Seminar e. V., Stuttgart

 

Jeder hat im Schulunterricht schon einmal die Ableitung einer Funktion gebildet. Jedoch ist es auch möglich, Teile eines Computerprogramms abzuleiten. Im Rahmen dieses Projektes habe ich eine domänenspezifische Programmiersprache innerhalb der Programmiersprache Nim entwickelt. Sie kann Programme automatisch nach deren Eingabeparametern ableiten. Beispielsweise werden im Bereich des ma-schinellen Lernens Ableitungen zum Optimieren von Modellen eingesetzt. Meine Programmiersprache ermöglicht hier die einfache Implementierung neuer Operationen. Sie bildet jedoch nicht nur Ableitungen für Programme, sondern kompiliert diese auch automatisch zu parallelisierten Code für Grafikkarten. Zum Testen der Programmiersprache habe ich außerdem ein Deep Learning Framework auf deren Basis entwickelt. Da sich jedoch fast beliebige Programme paralle-lisieren und ableiten lassen, sind auch andere Anwendungen als das maschinelle Lernen möglich, wie beispielsweise eine Flüssigkeitssimulation.

 

 

 

Physik

 

Physikalische Beschreibung und Modellierung des Fluges von Papierstreifen

 

Sieger Physik

 

Leonard Münchenbach (16), Emmendingen
Gewerbliche und Hauswirtschaftlich-Sozialpflegerische Schulen Emmendingen, Emmendingen

Leo Neff (17), Emmendingen
Goethe-Gymnasium, Emmendingen

Projektbetreuung
Carsten Münchenbach, Dipl.-Ing. Bruno Ritter

Partnerinstitution
aluMINTzium, Emmendingen
 

Nehmen Sie ein rechteckiges Stück Papier in die Hand, z. B. einen Briefumschlag oder eine Visitenkarte. Halten Sie es so, dass die lange Seite parallel zum Boden und die kurze Seite senkrecht zum Boden steht. Nun lassen Sie es fallen! Wir haben den Flug des Papierstreifens untersucht und einen Weg gefunden, den Flug physikalisch zu beschreiben und mit wenigen Parametern sehr genau zu modellieren.

 

 

Technik

 

SpeedX – optimierter Kunstharz-3D-Drucker


Sieger Technik

 

Tobias Neidhart (18), Konstanz
HTWG Konstanz, Konstanz

 

Ziel meines Projektes war die Entwicklung eines optimierten 3D-Druckers auf Basis von UV-Licht härtenden Kunstharzen. Die patentierte Hauptinnovation liegt in der Optimierung der Kunstharzeigenschaften auf Basis von Ultraschall, die in den Prototypen SpeedX-I und dem Nachfolgemodell SpeedX-II zum Einsatz kommt. Der Energieeintrag durch Ultraschall in Verbindung mit einer lichtstarken homogenen UV-Lichtquelle führt zur Erwärmung des Kunstharzes und zu einer deutlichen Reduzierung der Viskosität, sodass bei geringeren Belichtungs- und Stellzeiten der Mechanik die Druckgeschwindigkeit ohne qualitative Einbußen gesteigert und auch die Stabilität der Druckobjekte selbst erhöht wird. Mit dem SpeedX-II-Modell konnte die Gesamtleistung gegenüber dem ersten Modell durch weitere Verbesserungen, wie z. B. der Entwicklung eines Kippbades zur Reduzierung der Abzugskräfte beim Druckprozess, nochmals gesteigert und die Wirksamkeit der Maßnahmen über umfangreiche Messreihen nachgewiesen werden.

 

 

 Interdisziplinär

 

Datenreiches Licht

 

Sieger interdisziplinär


Finn Liebner (17), Buchenbach
Marie-Curie-Gymnasium Kirchzarten, Kirchzarten


Projektbetreuung
Wolfgang Wolff

 

Bei diesem Projekt entwickelte ich ein System zur optischen Datenübertragung durch den freien Raum. Kern dabei ist ein FPGA (Field Programmable Gate Array), der unter anderem die Ver- und Entschlüsselung der zu transferierenden Daten übernimmt. Der kryptografische Algorithmus (AES/Rijndael) wurde auf unterschiedlichen Architekturen implementiert, anschließend wurden mehrere Parameter verglichen. Es zeigte sich ein deutlicher Effizienzvorteil bei dem FPGA gegenüber einem GPP (General Purpose Processor). Ansonsten wurden Hardwarebeschreibungen zur Codierung und Decodierung sowie Datenflusssteuerung entwickelt. Zusammen mit einem optoelektronischen Aufbau ergibt sich so ein vollständiges Übertragungssystem.

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