Große Faszination für magnetische Phänomene

  • Bundesregierung ⏐ Startseite
  • Schwerpunkte

  • Themen   

  • Bundeskanzler

  • Bundesregierung

  • Aktuelles

  • Mediathek

  • Service

Interview mit zwei Sonderpreisträgerinnen von „Jugend forscht“ 2023 Große Faszination für magnetische Phänomene

Charlotte Klar und Katharina Austermann sind die Preisträgerinnen 2023 des „Sonderpreises für die originellste Arbeit“ im Bundeswettbewerb „Jugend forscht“. Traditionell vergibt der Bundeskanzler diesen besonderen Preis. In einem Schriftinterview verraten sie gemeinsam, warum es im Bereich der Grundlagenforschung immer noch viel zu entdecken gibt, welche Herausforderungen sie während ihres Forschungsprojekts gemeistert haben und was ihre Pläne für die Zukunft sind. 

6 Min. Lesedauer

Charlotte Klar und Katharina Austermann posieren an ihrem Forschungsprojekt.

Die 18jährigen Schülerinnen Charlotte Klar und Katharina Austermann mit ihrem Physik-For­schungs­projekt.

Foto: Bundesregierung/Kugler

Herzlichen Glückwunsch zum „Sonderpreis für die originellste Arbeit“, verliehen durch Bundeskanzler Olaf Scholz. Was habt Ihr im ersten Moment gedacht, als Ihr erfahren habt, dass der Bundeskanzler Eure Arbeit besonders außergewöhnlich findet?

Die Preisverleihung im Bundeswettbewerb war extrem spannend. Bei der Vergabe der Sonderpreise und der Plätze 1-5 im Fachgebiet Physik waren wir nicht dabei. Ganz zum Schluss wurde der Preis des Bundeskanzlers verliehen, einer von drei fachgebietsübergreifenden Bundessiegen. Als dann unsere Namen aufgerufen wurden, war das wie im Traum. Gedacht haben wir erst einmal gar nichts – die Freude und Überraschung war einfach zu groß. Es war alles ganz unwirklich. Damit hatten wir überhaupt nicht gerechnet. Der Moment war einfach überwältigend.

Wie kam es zu Eurer Teilnahme an „Jugend forscht“ und wie entstand die Projektidee?

Charlotte nahm das erste Mal in der 4. Klasse an „Schüler experimentieren“ teil, der Juniorensparte des Wettbewerbs Jugend forscht.

Ihre Großeltern hatten ihr eine App geschenkt, in der Videos zu besonderen Eigenschaften von chemischen Elementen gezeigt werden. Mit einem Experiment über eine besondere magnetische Eigenschaft des Metalls Gadolinium hatte sie sich dann am Junior-Wettbewerb beteiligt.   

Ab der 5. Klasse waren wir dann auf dem Humboldt-Gymnasium in Berlin-Tegel, an der es eine „Jugend Forscht“ AG gibt. Seitdem haben wir jedes Jahr zusammen teilgenommen – meistens ging es um magnetische Phänomene. Wir haben in den Regional- und Landeswettbewerben immer ganz gut abgeschnitten. Aber erst im 8. Anlauf hat es dann mit der Teilnahme am Bundeswettbewerb geklappt.

Wir wollten mal etwas mit Diamagnetismus machen. Deshalb haben wir 2022 eine diamagnetische Magnetschwebebahn gebaut. Ein Schlitten aus pyrolytischen Graphit schwebt über einer Kreisbahn aus Magneten, die schachbrettartig angeordnet sind. Am Anfang wollten wir die Vorwärtsbewegung mit Elektromagneten realisieren. Das hatte aber nicht funktioniert. In zwei Aufsätzen hatten wir gelesen, dass man pyrolytisches Graphit auch mit einer Laserwärmequelle bewegen kann, weil seine Suszeptibilität, also die Magnetisierbarkeit von Materie in einem externen Magnetfeld, temperaturabhängig sei. Einen so starken Laser hatten wir nicht, das war uns auch zu gefährlich. Den Vortrieb haben wir schließlich mit Druckluft realisiert. Das Projekt erhielt den 2. Platz im Landeswettbewerb im Fachgebiet Technik.

Die Aufsätze hatten wir aber nicht vergessen, auch weil wir in Lehrbüchern gelesen hatten, dass allgemein die Suszeptibilität von diamagnetischen Stoffen nicht temperaturabhängig ist. Aufsätze und Lehrbücher haben sich also widersprochen. Diesem Widerspruch sind wir im Wettbewerb 2023 auf den Grund gegangen und können jetzt sagen, dass die Suszeptibilität von pyrolytischen Graphit tatsächlich temperaturabhängig ist.

Könnt Ihr ein wenig auf den Ablauf Eures Experiments eingehen, erklären, was überhaupt pyrolytischem Graphit ist und wie Ihr auf die Idee gekommen seid, eine schachbrettartige Anordnung zu verwenden?

Pyrolytisches Graphit ist ein stark diamagnetisches Material. Es wird vom Menschen hergestellt und kommt in der Natur nicht vor. Kohlenwasserstoff wird bis zu seiner Zersetzungstemperatur erhitzt. Der freiwerdende Kohlenstoff kristallisiert in sehr dünnen Graphitschichten auf einer kühleren Fläche. Den langsamen Prozess nennt man Pyrolyse – deshalb pyrolytisches Graphit. Während ferromagnetische Stoffe wie Eisen von Magneten angezogen werden, werden diamagnetische Stoffe von Magneten abgestoßen. Bei pyrolytischem Graphit ist dieser Abstoßungseffekt am stärksten.

Die schachbrettartige Anordnung der Magnete sorgt dafür, dass das pyrolytische Graphit in einer stabilen Lage über den Magneten schwebt. Wenn man nur einen großen Magnet nimmt, dann gleitet das Graphit seitlich vom Magnet ab. Diese Anordnung erzeugt bildlich gesprochen ein Gelände aus Bergen und Tälern und das Graphit legt sich quasi in die Täler. Man muss eine Kraft aufwenden, um das Graphit aus dem Tal zu bewegen. Z.B. kann man es mit dem Finger anstoßen oder mit Druckluft anpusten. Wir haben untersucht, ob man so eine Kraft auch mit Wärme erzeugen kann.

Wir haben uns sechs Experimente ausgedacht, mit denen wir dem Effekt mit unterschiedlichen Methoden nachspüren (Beispielsweise durch Änderung des Gewichts des Graphits oder der Induktivität einer Spule mit Graphitkern bei Temperaturänderung).

Das Waagenexperiment ist besonders anschaulich und läuft wie folgt ab. Wir legen ein Stück pyrolytisches Graphit auf eine sehr empfindliche Waage und kühlen es mit Trockeneis auf eine tiefe Temperatur. Dann stellen wir ein Gerüst, an dem ein Magnet befestigt ist, so über das Graphit, dass der Abstand zwischen Graphit und Magnet kleiner als 1 Millimeter ist. Dann beobachten wir die Waage, während das Graphit langsam wieder Zimmertemperatur annimmt. Dabei kann man sehen, dass das Gewicht des Graphits scheinbar allmählich um winzige Bruchteile eines Gramms abnimmt. Warmes pyrolytisches Graphit wird also von einem Magnet weniger stark abgestoßen als kaltes.

Welche Probleme und Herausforderungen begegneten Euch bei Eurem Forschungsprojekt?

Der Effekt ist sehr schwach. Wir mussten den Aufbau der Experimente sehr sorgfältig vornehmen, damit Störeffekte die Ergebnisse nicht verfälschen. So mussten wir bei dem Waagen-Experiment einen Weg finden, damit der Magnet die Eisenteile in der Waage nicht anzieht und damit die Kälte des Trockeneises die Mechanik der Waage nicht beeinflusst. Bei dem Spulenexperiment kam es darauf an, zu verhindern, dass die Temperatur des Graphitkerns während des Messvorgangs die Temperatur der Spule beeinflusst. Denn die Induktivität einer Spule hängt auch von ihrer Temperatur ab. Dann hatten wir zunächst nur ein Induktivitätsmessgerät mit drei Nachkommstellen.

Zum Glück hat uns ein Unternehmen aus München ein Gerät geliehen, das auf vier Nachkommastellen genau ist. Nach unseren theoretischen Berechnungen, sollten vier Nachkommastellen reichen. Und tatsächlich damit konnten wir den Effekt an einer Spule nachweisen. Als wir die Messergebnisse gesehen haben, waren wir uns endgültig sicher, dass die Darstellungen in den Lehrbüchern nicht ganz korrekt sind.

Was hat Euch während eures Forschungsprojekts am meisten Spaß gemacht?

Wir mussten die Experimente oft wiederholen. Da hatten wir manchmal auch mit Müdigkeit zu kämpfen. Was aber immer toll ist, ist die Atmosphäre bei den Veranstaltungen, bei denen die Projekte präsentiert werden. Der Austausch mit den anderen Teilnehmern, Organisatoren, Juroren und Besuchern ist einfach das Beste. Wir wollen dafür werben, dass noch mehr an dem Wettbewerb teilnehmen oder die Ausstellung besuchen. Der Spirit ist einfach toll und man lernt so viel.

Gibt es eine Person in Eurem Umfeld, die Euch begleitet oder inspiriert hat und Euer wissenschaftliches Interesse unterstützt hat?

Da können wir nicht nur eine Person nennen. In acht Jahren waren das insbesondere die Lehrer der Jugend forscht-AG an unserer Schule, unser Projektbetreuer am Berliner Bildungs- und Forschungszentrum an der Georg-Schlesinger-Schule, das Team von Jugend forscht (Jury, Organisation, Sponsoren, Ausrichter), die Unternehmen, die uns z.B. Magnete gesponsert und Geräte geliehen haben sowie natürlich unsere Eltern, Großeltern und unsere geduldigen Freunde.

Wie Studien belegen, sind Frauen in den Naturwissenschaften unterrepräsentiert. Als junge Wissenschaftlerinnen: Wie können Mädchen und Frauen dazu ermutigt werden, sich stärker für naturwissenschaftliche Fächer zu interessieren und eine erfolgreiche Karriere in diesem Bereich anzustreben?

Bei Jugend forscht nimmt der Anteil von Frauen zu und erreichte dieses Jahr bereits über 40 Prozent. Das ist ein gutes Zeichen, dass traditionelle Vorstellungen abnehmen. Vorbilder in der Schule, Familie, Forschung und Unternehmen können ermutigen, eigene Neigungen zu erkennen und ihnen im Beruf nachzugehen. Schulen und Familie sollten darauf achten, dass die Angebote geschlechterneutral sind und Mädchen nicht von bestimmten Fächern abgeschreckt werden. Zum Glück haben wir hierzu bei unserer Forschungsarbeit persönlich keine schlechten Erfahrungen gemacht. Auch Mentoring- und Förderprogramme, die sich speziell an Mädchen richten, können dazu beitragen. Ein besonders gutes Beispiel ist die MINT-Mädchen-AG an unserer Schule.

Ihr seid beide 18 Jahre alt und im kommenden Jahr mit der Schule fertig. Was sind Eure Pläne, wollt Ihr im naturwissenschaftlichen Bereich bleiben?

Katharina: Ich werde Physik an der Uni Heidelberg studieren. Jugend Forscht hat meine Begeisterung an der Forschung sehr gefördert, sodass ich damit gerne weitermachen würde und in der Wissenschaft bleiben möchte.

Charlotte: Ich habe mich für den Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen an der Technischen Universität Berlin entschieden, um zwei meiner Interessen zu verbinden (Technik und Wirtschaft) und hoffe, später in einem Unternehmen arbeiten zu können, das in der Forschung tätig ist.