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Michael W. Tausch

mtausch{at}uni-wuppertal.de

Vorträge

Die Solarstrahlung ist Voraussetzung und Antrieb für das Leben auf der Erde. In den folgenden 7 Vorträgen wird die Vision propagiert, dass Licht im 21. Jahrhundert auch in der Technik zur wichtigsten Energieform für nachhaltige Entwicklung aufrücken wird. Angesprochen werden Lehrende und Lernende an Schulen sowie Studierende und Forschende an Universitäten. Mit Experimenten und fachlichen Erklärungen, die auf das jeweilige Auditorium zugeschnitten sind, werden die Vorträge auch für die breite Öffentlichkeit angeboten.

Die Vorträge können unter der oben genannten Adresse auf elektronischem Weg angefragt werden.

1. Chemie mit Licht - Klimaschutz & Nachhaltigkeit

Naturwissenschaftliche Bildung für technologischen Fortschritt

Die Sonne strahlt jedes Jahr das 100-fache von der Energie auf die Erde ein, die aus den gesamten Weltreserven an Kohle, Erdöl, Erdgas und Uran verfügbar wäre. Hinzu kommt, dass die Solarstrahlung unserem Planeten kostenlos und über astronomische Zeiträume hinweg zur Verfügung steht. Langfristig führt kein Weg zur Lösung der globalen Probleme Energie, Klima, Ernährung, Wasser und Mobilität daran vorbei, diese sauberste und nachhaltigste aller Energiequellen zu nutzen. Die Devise lautet: „Mehr Licht! Auch im Schulunterricht!“ Dieser Vortrag will eine Einsicht induzieren und eine Entwicklung katalysieren, die dieser Forderung gerecht wird. Es wird gezeigt, wie Licht als Phänomen, Energieform, Chemikalie und philosophische Kategorie ganze Epochen kulturhistorisch geprägt hat. Für die Lehre der Chemie und benachbarter MINT-Fächer wird Licht in Kombination mit dem Konzept vom Grundzustand und dem elektronisch angeregten Zustand als neues Schlüsselkonzept vorgeschlagen, das anhand didaktisch prägnanter und wissenschaftlich konsistenter Experimente erschlossen wird. Eine ausführliche und umfangreiche Dokumentation zum Titelthema ist auf der Internetplattform chemiemitlicht.uni-wuppertal.de der Bergischen Universität Wuppertal verfügbar.

2. Unterwegs zur künstlichen Photosynthese

Vom Modellexperiment zum „grünen“ Brennstoff

In der natürlichen Photosynthese wird die Energie des Sonnenlichts von Pflanzen genutzt, um aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Kohlenhydrate und andere chemische Energiespeicher zu produzieren. Analog wird in der künstlichen Photosynthese versucht, aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Produkte wie Methan, Methanol, Wasserstoff oder andere Stoffe zu erzeugen, die in Zukunft fossile Energieträger als Brenn- und Rohstoffe für weitere Synthesen ersetzen sollen. Einfach ist das nicht, denn einerseits ist die natürliche Photosynthese ein stark endergonischer Prozess und andererseits absorbieren die beiden farblosen Edukte der Photosynthese kein sichtbares Sonnenlicht. Beide Probleme löst die Natur mit einer Strategie die „Photokatalyse“ heißt. Im Vortrag wird genau dieser Weg zur künstlichen Photosynthese beschritten. Zunächst werden wesentliche Elementarvorgänge und Energieumwandlungen bei dem natürlichen Stoffkreislauf Photosynthese-Zellatmung in Modellexperimenten veranschaulicht, wobei ganz besonders auf die Funktionsweise der Photokatalyse und die Nutzung von sichtbarem Licht bei der Photosynthese eingegangen wird. In weiteren Experimenten wird gezeigt, wie Wasserstoff photokatalytisch ohne den Umweg über Photovoltaik und Elektrolyse hergestellt werden kann. Damit wird in eines der Zukunftsszenarien für nachhaltige „grüne Chemie“ eingeführt, die auf klimaneutralem, photokatalytisch erzeugten Solarwasserstoff basiert. Einige Kostproben zu den Experimenten und Inhalten des Vortrags geben die Filme „Photosynthese - ein Fall für zwei“ und „Photokatalytische Wasserstoffherstellung“ auf der Internetplattform chemiemitlicht.uni-wuppertal.de der Bergischen Universität Wuppertal.

3. Angeregte Zustände für anregende Chemie

Curriculare Innovation mit molekularen Schaltern

Der Chemie kommt bei der Erschließung der Photoprozesse auch für andere MINT-Fächer die Schlüsselrolle zu, weil zu ihren charakteristischen Merkmalen die Erklärung makroskopischer Phänomene mithilfe von Modellen auf der (sub)mikroskopischen Teilchenebene gehört. Molekulare Schalter haben dabei einen doppelten Reiz: sie basieren auf Isomerisierungen, einem Reaktionstyp, der für Studium und Unterricht relevant ist und sie können experimentell einfach und überzeugend realisiert werden. Konzeptionell sind elektronisch angeregte Zustände von Molekülen und anderen Teilchenverbänden allen Photoprozessen mit und ohne chemische Reaktion gemeinsam. Dass mit angeregten Zuständen Chemie, Physik, Biologie Informatik und Geographie anregend, effizient, nachhaltig und zukunftsorientiert vermittelt werden können, wird im Vortrag erörtert und anhand von Experimenten demonstriert. Auf die Anwendungen von innovativen Materialien mit photoaktiven molekularen Schalter in der Chemie, Mikro- und Nanoskopie, Elektronik, Medizin, Computer- und Digitaltechnik wird eingegangen. Experimente und Lehr-/Lernmaterialien zu den Inhalten des Vortrags sind online auf der Internetplattform chemiemitlicht.uni-wuppertal.de der Bergischen Universität Wuppertal verfügbar.

4. Photo & Nano - ein starkes Paar

Bioinspirierte Strategien für nachhaltige Technologie

Photoaktive Nanomaschinen in biologischen Funktionseinheiten leiten den Sehvorgang in unseren Augen und die Photosynthese in den grünen Blättern ein. Aber warum sind sie "photo und nano"? Weil ihr Antrieb, das Licht, nicht tief in die Materialien eindringen kann, sondern bereits an der Oberfläche absorbiert wird und dafür nanostrukturierte Materialien optimal geeignet sind. Die Evolution hat geniale Biomaterialien dieser Art hervorgebracht. Dabei sind in der Regel lichtabsorbierende Spezies mit Protein-Makromolekülen kombiniert. Von der Natur inspiriert, forscht man in den Materialwissenschaften nach analogen Materialien für technische Anwendungen. Und auch hier kombiniert man lichtabsorbierende Moleküle mit Netzwerken aus organischen Polymeren oder anorganischen Ionengittern zu so genannten Nanokompositen. Dieser innovative Materialtyp ist beispielsweise für die Photovoltaik und für die Photokatalyse entscheidend. Im Vortrag werden die zugrundeliegenden Konzepte dieser beiden Forschungsgebiete unter dem Motto photo & nano erschlossen. Experimentelle Zugänge werden aufgezeigt und konzeptionell an lehrplankonforme Inhalte angeschlossen, um diese anzuwenden, zu vertiefen und zu erweitern. Einige Vortragsfolien sind auf der Internetplattform chemiemitlicht.uni-wuppertal.de der Bergischen Universität Wuppertal verfügbar.

5. Lumineszenz - ein Paradigmenwechsel für Farbe

„Die Farben sind Taten des Lichts“

Mit dem im Untertitel zitierten Spruch aus seiner "Farbenlehre" lag J. W. Goethe völlig richtig. Allerdings war seine Ansicht über die Zusammensetzung des weißen Lichts falsch. Im Vortrag wird die Frage "Was ist Licht?" in einen kultur- und wissenschaftshistorischen Exkurs von der ägyptischen Antike bis zu Einsteins photoelektrischen Effekt und die Lichtquanten eingebettet. Sowohl die geschichtlichen Meilensteine als auch unsere heutigen Alltagserfahrungen mit den "normalen" Farben der Stoffe im weißen Licht und den Lumineszenz- oder Leuchtfarben, z.B. bei Textilien im Diskolicht oder Bildschirmen elektronischer Geräte bestätigen, dass „Farben Taten des Lichts“ sind. Lumineszenz in ihren verschiedenen Formen, z.B. Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Elektrolumineszenz, Chemolumineszenz und Biolumineszenz werden im Vortrag hervorgehoben und mit geeigneten Experimenten veranschaulicht. Ihre konzeptionelle Erklärung stellt den im Titel beanspruchten Paradigmenwechsel dar, denn anders als die „normalen“ Farben entstehen Leuchtfarben nicht durch Lichtabsorption, sondern durch Lichtemission. Das ist ein Paradigmenwechsel, der in vielen heute noch gültigen Schulbüchern und Lehrplänen vollzogen werden muss. Filme und Videos zu verschiedenen Arten von Lumineszenz und weitere digitale Medien zum Titelthema sind auf der Internetplattform chemiemitlicht.uni-wuppertal.de der Bergischen Universität Wuppertal verfügbar.

6. Carotinoide – Biochrome mit multiplen Funktionen

β-Carotin - ein Multitalent

Von allen pflanzlichen Farbstoffen sind die Carotinoide, als deren Hauptvertreter das β-Carotin angesehen werden kann, am weitesten verbreitet. Sie sind Bestandteil des „Grüns“ unserer Umwelt, der Blätter und Gräser, wo sie allerdings farblich von den Chlorophyllen a und b überlagert werden und erst nach deren Abbau im Herbst zum Vorschein kommen. Die Gesamtproduktion der Natur an Carotinoiden beträgt ca. 100 Mio. Tonnen pro Jahr. Das β-Carotin, ist dank seiner interessanten Eigenschaften ein chemisches, biologisches und didaktisches Multitalent. Es kann genutzt werden, um dem Chemie- und Biologieunterricht von Beginn an bis zum Abitur immer wieder einen "bunten Tupfer aufsetzen" und so bei der Erschließung oder Anwendung von Fachbegriffen, Konzepten und Modellen der Chemie und Biologie dienen. Die doppelte Funktion von β-Carotin als „Lichtantenne“ und als „Lichtschutz“ von Chlorophyll bei der Photosynthese wird im Vortrag anhand neuer Experimente erschlossen, die ebenso einfach wie aussagekräftig sind. Der Unterrichtsbaustein β-Carotin - ein Multitalent und die beiden Filme „Photosynthese - ein Fall für zwei“, Teil 1 und Teil 2 von der Internetplattform chemiemitlicht.uni-wuppertal.de der Bergischen Universität Wuppertal eignen sich als Kostprobe zum Vortrag.

7. Drei Millimeter Ozon - conditio sind qua non

Zweikammer-Modell des Photoreaktors Atmosphäre

„Wir leben am Grunde eines Ozeans aus Luft“ stellte bereits im Jahr 1640 der italienische Physiker E. Torricelli fest. Dieser Ozean aus Luft ist unsere Atmosphäre, ein von der Solarstrahlung angetriebener Photoreaktor. Der „Ozean aus Luft“ ist viel tiefer als das Weltmeer an seiner tiefsten Stelle, aber das gesamte darin enthaltene Ozon, vom Erdboden bis in Höhen von ca. 40 km, ergäbe in reiner Form bei normalem Luftdruck eine nur 3 mm dünne Schicht. Diese 3 mm Ozon sind lebenswichtig, denn Ozon hat eine Schlüsselfunktion beim Zusammenwirken atmosphärischer Prozesse verschiedener Art: solare und terrestrische Strahlung, Dynamik der Luftmassen und Chemie im Photoreaktor Atmosphäre. Im Vortrag wird über die Entdeckung, die Eigenschaften und die Messung des atmosphärischen Ozons aus vorindustrielle Zeiten bis heute berichtet. Mit einigen Missverändnissen und Fehlinformationen über Ozon, Ozonloch, Photosmog, Treibhauseffekt und Treibhausgase wird aufgeräumt. In Video-Experimenten werden die Bildung von Ozon in der Stratosphäre, seine UV-Absorption sein photokatalytischer Abbau mit FCKW, seine zersetzende Wirkung auf organische Verbindungen und seine Wirkung als Treibhausgas vorgeführt, kommentiert und begründet. Unterrichtsbausteine zum Photoreaktor Atmosphäre sind im QR-Materialienpaket mit dem gleichnamigen Titel wie dieser Vortrag auf der Internetplattform chemiemitlicht.uni-wuppertal.de der Bergischen Universität Wuppertal verfügbar.