Treppensteigen ist für Maschinen normalerweise Schwerstarbeit. Benedikt Eberle gelang der Bau eines flachen Saugroboters, der autonom Treppen steigen kann und dabei die Stufen mithilfe einer eingebauten Bürste saugend reinigt. Dank spezieller Räder erreicht er auch Ecken und Kanten. Als knifflig erwies sich vor allem der Steigmechanismus. Diesen realisierte der Jungforscher mit Scherenwagenheber, Zahnstangengetriebe und acht Infrarotsensoren. Wichtig war auch ein möglichst niedriges Gewicht. Daher ersetzte er Metallteile in Motor und Hebegestell durch Aluminium oder 3-D-gedruckte Kunststoffteile. Im Vergleich mit einem handelsüblichen Gerät konnte der Roboter durchaus mithalten: Sowohl Kaffeepulver als auch Haferflocken, auf glattem Boden ausgestreut, beseitigte er nahezu gleich gut.

Jasper Mau ist fasziniert von Drohnen. Ihn stört allerdings, dass die mittlerweile weit verbreiteten Quadrocopter mit ihren vier Propellern viel Strom verbrauchen und nicht sehr lange in der Luft bleiben. Der Jungforscher fand eine Lösung. Er konstruierte einen Prototyp mit vier langen, kreuzweise angeordneten Flügeln, an denen jeweils ein kleiner Propeller befestigt ist. Da größere Flügel weniger Energie verbrauchen, um Schub zu erzeugen, liegt die Flügeldrohne stabiler in der Luft und fliegt länger. Bei kontinuierlicher Drehbewegung um die senkrechte Achse wirkt sie wie ein großer Rotor und ihr Auftrieb ähnelt dem eines Hubschraubers. Im drehenden Flugmodus verbraucht die Flügeldrohne etwa 40 Prozent weniger Strom als ein herkömmlicher Flug des Quadrocopters.

Raffstores sind Außenjalousien, die auf Führungsschienen laufen. Im Sommer verhindern sie, dass sich ein Gebäude zu stark aufheizt – ein Problem insbesondere bei Niedrigenergiehäusern mit großen Fenstern. Finja Alpert und Chris Julian Erdmann verwandelten die Raffstores in kleine Kraftwerke, indem sie die Lamellen durch streifenförmige Solarzellen ersetzten. Dadurch erzeugt die Jalousie in ausgefahrenem Zustand Strom. Eine spezielle Steuerung passt die Stellung der Solarlamellen automatisch an den jeweiligen Sonnenstand an, was den Stromertrag um mehr als 50 Prozent erhöhen dürfte. Darüber hinaus schätzten die Jungforschenden die Produktionskosten für ihre Spezialjalousie. Dabei kamen sie zu dem Schluss, dass sich die Anschaffung der Minikraftwerke durchaus rentiert.

Kommerzielle Modellraketen kommen bei starkem Wind leicht vom Kurs ab, weil sie keine aktive Steuerung haben. Tom Kuttler änderte das. Er konstruierte eine 1,65 Meter hohe Minirakete, die sich dank Schubvektorsteuerung wie die große Falcon 9 von SpaceX autonom beim Flug in die Senkrechte zurücklenkt. Halterungen für Motor, Landeschirm und Steuerplatine fertigte der Jungforscher mit dem 3-D-Drucker. Als Startrampe diente eine Holzkonstruktion mit Halteklemmen, die die Rakete beim Zünden der fünf Schwarzpulvermotoren freigeben. Im Test erreichte das Modell nach vier Sekunden eine Höhe von 40 Metern und landete sicher nach insgesamt 17 Sekunden Flugzeit. Die erreichte Höhe war deutlich geringer als bei der Simulation des Flugs, was den hohen Einfluss des Luftwiderstands beim Raketenbetrieb belegt.

Der Klimawandel schreitet voran, denn die Menschheit bläst nach wie vor Unmengen an CO₂ in die Luft. Eine Treibhausgasquelle sind Autos mit Verbrennungsmotor. Hier setzte das Forschungsprojekt von Tom Gutowski an: Er entwickelte eine Anlage, die CO₂ aus dem Autoabgas filtert. Das abgeschiedene Gas ließe sich dann beispielsweise von der Industrie als Rohstoff nutzen, würde also nicht in die Atmosphäre gelangen. Basis des Filters sind sogenannte Amine, gemischt mit Wasser. In dieses Gemisch wird CO₂ geleitet, das sich dort zu Kohlensäure umsetzt. Diese kann dann mit den Aminen reagieren und wird chemisch gebunden. Das Prinzip erprobte der Jungforscher bereits mit Erfolg im Labor. Nun sollen Tests mit einer Modellanlage folgen, die sich an den Auspuff eines Autos anschließen lässt.

Bienenwaben sind leicht und doch sehr stabil. Das brachte Johannes Gall, David Grautrein und Moritz Hellbrück auf die Idee, hoch belastbare Wabenstrukturen im 3-D-Drucker herzustellen. Aus drei verschiedenen Kunststoffen druckten sie kleine Würfel und verglichen deren Stabilität mit einer hydraulischen Prüfmaschine. Sie fanden heraus, dass vor allem die Temperatur des Materials beim Druckprozess darüber entscheidet, wie stark und zäh die Waben des Würfels werden. Bei allen Kunststoffen erzielte die höchste Temperatur auch die höchste Belastbarkeit, wobei schon kleine Temperaturunterschiede erhebliche Wirkung zeigten. Das Resümee der Jungforscher: Wird Kunststoff so heiß wie möglich gedruckt, erhöht sich die Belastbarkeit des Bauteils. Zudem kann man schneller drucken, was Kosten und Zeit reduziert.

Morgens vom Wecker aus dem Schlaf gerissen zu werden, ist für die wenigsten Menschen ein Vergnügen. Um das notwendige Übel so angenehm wie möglich zu gestalten, ließen sich Kjell Eggers und Arian Ayubdjonov einen Wecker der besonderen Art einfallen – ein Gerät, das sich individuell anpassen lässt und einen möglichst sanft und stressfrei aufweckt. Dafür analysierten die Jungforscher zunächst Stressfaktoren beim Wecken wie Lautstärke des Weckrufs, Art des Tons, Helligkeit und Lichtfarbe der Uhrzeitanzeige. Per Pulsmesser konnten sie beispielsweise herausfinden, welche Lautstärke den geringsten Stress auslöst. Anhand ihrer Ergebnisse programmierten sie einen speziellen Lichtwecker, den sie per 3-D-Drucker bauten. Er ist unter anderem mit einem angenehmen orangenen Licht und Vogelgezwitscher ausgestattet.

Ein Feuermelder, der einen Brand nicht nur aufspürt, sondern auch löscht – daran tüftelt Lauri Wilps bereits seit einiger Zeit. Jetzt konnte er seine Erfindung deutlich verbessern: Statt eines simplen Flammensensors registriert nun eine Wärmebildkamera den Brandherd. Das funktioniert erheblich genauer und vermindert die Zahl von Fehlalarmen. Die Düse, die anschließend ein Löschmittel versprüht, kann durch einen ausgefeilten Mechanismus in beliebige Richtungen gedreht werden. Dadurch lassen sich auch Brände direkt unter dem Melder bekämpfen. Zudem gelang es dem Jungforscher, das Gerät kompakter zu bauen und die Elektronik kleiner und sparsamer zu realisieren – wichtige Schritte in Richtung Praxistauglichkeit. Als mögliches Einsatzfeld sieht er vor allem Privathaushalte.

Chirale Moleküle sind nahezu identisch, verhalten sich aber wie Bild und Spiegelbild. Ein bekanntes Beispiel dafür sind links- und rechtsdrehende Milchsäure. Untersuchen lassen sie sich mit sogenannten Polarimetern: Mithilfe spezieller Filter misst das Gerät, wie das Licht von den Molekülen gedreht wird. Allerdings sind solche Geräte ziemlich teuer. Mit dem Ziel, sie auch im Schulunterricht einsetzen zu können, entwickelte Alexander Ilyin eine deutlich günstigere Variante. Dabei setzte er auf den 3-D-Druck. Um die Tauglichkeit des Messapparats zu prüfen, analysierte der Jungforscher damit diverse Moleküle, zum Beispiel Glucose und Fructose. Die Ergebnisse waren so genau, dass sich sein Polarimeter aus dem 3-D-Drucker durchaus für die Verwendung im Schulunterricht eignen dürfte.

Algen könnten für die Ernährung der Menschheit künftig eine wichtigere Rolle spielen als dies bislang der Fall ist. Denn sie benötigen für ihr Wachstum keinerlei Landflächen und gelten zudem als nährstoffreich und gesund. So gibt es in Kolumbien ein Projekt, das die Zucht von Spirulina-Algen systematisch erprobt. Hilfreich dafür könnte das Messgerät von Juliane Pätz, Jakob Seifert und Anna-Lena Munzert sein. Es analysiert die Algenkultur und erfasst maßgebliche Größen wie pH-Wert, Temperatur sowie den Gehalt an Nährlösung. Ein Display zeigt die Ergebnisse an und eine Software errechnet aus den Daten, ob die Algen zum Verzehr geeignet sind oder nicht. Erst wenn die Lebensmittelsicherheit gewährleistet ist, gibt das Gerät buchstäblich grünes Licht – eine LED leuchtet dann grün auf.

Um mit einem 3-D-Drucker ein Metallteil herzustellen, gibt es verschiedene Verfahren. Eines ist der sogenannte Metal Fused Filament Fabrication-Prozess, bei dem ein wachsartiges Bindemittel als Ausgangstoff dient, in dem Metallpartikel eingelagert sind. Nach dem Drucken wird das Bindemittel entfernt, anschließend werden die Metallteilchen durch Hitze miteinander verbunden. Franka Bauer nahm dieses Verfahren genauer unter die Lupe. Sie rüstete einen 3-D-Drucker um und versah ihn mit einem anderen Druckkopf sowie einer neuen Düse. Dann überprüfte die Jungforscherin eine Vielzahl von Parametern, darunter Druckgeschwindigkeit und -temperatur. Die Tests ihrer Druckerzeugnisse ergaben, dass es durchaus möglich ist, mit dieser Technik hochwertige Metallkomponenten zu drucken.

Solaranlagen werden immer effizienter, dennoch gibt es manches Problem. Mit einem befassten sich Stefanie Eski, Florian Brütsch und Babett Ludwig: Ein Solarmodul besteht aus Dutzenden von Zellen. Wenn eine davon verschmutzt oder abgeschattet ist, sinkt die Leistung des gesamten Moduls. Denn dieses richtet sich nach dem schwächsten Glied in der Kette – gegebenenfalls der verschmutzten Zelle. Die drei Jungforschenden lösten das Problem durch einen raffinierten Trick: Ein Minirechner erfasst die Spannungen und Ströme in den Solarzellen. Sinkt die Leistung einer Zelle, etwa weil sie von Laub bedeckt ist, registriert die Software dies und gleicht die Verluste aus. Dadurch verhindert sie, dass die Leistung der übrigen Zellen sinkt – das Modul kann auch in diesem Fall annähernd seine Maximalpower entfalten.

Manche Lebewesen sind in der Lage, aktiv zu leuchten. Ein Beispiel ist der Anglerfisch: Mit einem Leuchtorgan lockt er seine Beute an, um sie dann augenblicklich zu verspeisen. Diesem Phänomen der Biolumineszenz ging Lukas Klein in seinem Forschungsprojekt auf den Grund. Er konstruierte einen tragbaren Detektor, mit dem sich das Leuchten bestimmter Biomoleküle nachweisen und analysieren lässt. Die Herausforderung dabei war, dass die Signale in der Regel ziemlich schwach sind, weshalb der Detektor sehr empfindlich sein muss. Der Jungforscher löste das Problem, indem er spezielle Lichtvervielfältiger aus Silizium verwendete. Mehrere Testreihen bestätigten die Empfindlichkeit seines Detektors. Das könnte ihn für neue Anwendungsgebiete interessant machen, etwa das Aufspüren von Mikroplastik in Gewässern.

Jedes Jahr landen mehr als eine Million Tonnen Plastikmüll in der Gelben Tonne. Doch nach wie vor ist es für die Recyclingunternehmen nicht einfach, verschiedene Kunststoffsorten voneinander zu trennen, um sie anschließend wiederzuverwerten. Aus diesem Grund nahm sich Alina Bachmann vor, die gängigen Trennungsmethoden zu verbessern. Ihrem Ansatz liegt das Prinzip zugrunde, dass Plastik durch Reibung elektrisch aufgeladen wird. Dabei werden manche Sorten stärker elektrisiert als andere, sodass sie sich durch starke elektrische Felder voneinander trennen lassen. Aus einem Magnetrührer, einem Trichter und einer stabförmigen Elektrode konstruierte die Jungforscherin eine Versuchsapparatur. Damit fand sie heraus, dass die Dauer der elektrischen Aufladung eine wichtige Rolle für die Trennung spielt.

Kameradrohnen lassen sich für unterschiedlichste Zwecke nutzen: In der Landwirtschaft spüren sie gefährdete Rehkitze auf, Rettungsdienste können sie zur Suche vermisster Personen einsetzen. Allerdings ist die Bedienung der kleinen Flieger häufig vergleichsweise umständlich. Hier setzten Tim Arnold und Felix von Ludowig an. Sie programmierten eine Smartphone-App, mit der sich Drohneneinsätze auf unkomplizierte Weise planen und ausführen lassen. Um eine Mission vorzubereiten, wird die Flugroute in das System der Jungforscher eingegeben. Während des Flugs prüft die Software, ob die ferngesteuerten Luftfahrzeuge ihren geplanten Strecken folgen, und wertet die Bilder der Drohnenkameras aus. Der Clou: Die App kann nicht nur die Miniflieger verwalten, sondern ermöglicht auch die Zusammenarbeit im Team.

Warum ein Klassenbuch aus Papier verwenden, wenn es auch digital geht? Florian-Stanley Zech schrieb mithilfe der Programmiersprache Python eine Software, die Schülerdaten verwaltet, die Anwesenheit in der Klasse dokumentiert und weitere Notizen festhält. Die Vorteile seines Ansatzes liegen auf der Hand: Ein digitales Klassenbuch ist übersichtlicher, alle Einträge sind lesbar, Korrekturen sind kinderleicht und es spart Zeit. Mithilfe der personalisierten Chipkarte, die der Jungforscher zusätzlich entwickelte, könnte sich jede Schülerin und jeder Schüler nicht nur zum Unterricht anmelden, sondern auch Schließfächer öffnen oder sich schneller im zentralen Schulcomputer einloggen. Damit die Karte den Bestimmungen des Datenschutzes genügt, müssten die Daten künftig allerdings noch verschlüsselt werden.

Es gibt einen wenig bekannten alternativen Schiffsantrieb: Der 100 Jahre alte Flettner-Rotor, der sich jedoch nie gegen den Dieselmotor durchsetzen konnte. Jonas Bunkowski und Per Garbrecht entwickelten einen Katamaran, der mit diesem klimafreundlichen Rotor angetrieben wird. Die Steuerung ihres voll funktionsfähigen Schiffsmodells übernimmt ein selbst programmierter Mikrocontroller. Ein Windmesser ermittelt die Windgeschwindigkeit, um auf dieser Basis die Drehgeschwindigkeit der Rotoren den jeweiligen Bedingungen anzupassen. Aus Sicht der Jungforscher eignet sich der effiziente Flettner-Rotor gut zur Antriebsunterstützung. Da fast jedes Schiffsdeck Platz für diesen Rotor bietet, kann er in Kombination mit anderen umweltfreundlichen Antrieben Schiffe klimaneutral machen.

Streik, Stau, Corona – fliegende Paketboten wären von all dem unbeeinflusst. Wie jedoch muss eine Versanddrohne aussehen, die sicher und schnell Pakete transportiert? Die Antwort ist schwieriger als gedacht, mussten Rupert Ihering und Jann Sander feststellen. Ihr „Tilt-Rotor-Quad-Plane“ besitzt zwei Tragflächen und schwenkbare Propellermotoren, kombiniert also den stabilen Auftrieb eines Flugzeugs mit dem platzsparenden Senkrechtstart einer Drohne. Entscheidend sind vor allem zahlreiche Details. Die Jungforscher optimierten das Flügelprofil, die Steuerung der zusätzlichen Stützmotoren, die ein Kippen des Fluggeräts verhindern, sowie die Sensoren der Landefüße. Ihre Testflüge zeigten, dass die Drohne noch nicht stabil genug fliegt und dass der Antrieb zu schwach für längere Strecken ist.

3-D-Drucker gewinnen weiter an Bedeutung: Die Geräte werden immer günstiger und können zum Beispiel maßgefertigte Gehäuseteile aus Kunststoff produzieren. Johann Elias Stoetzer und Steven Gurgel erweiterten das Fähigkeitsspektrum ihres 3-D-Druckers: Indem sie dem Kunststoff eine Prise Industrieruß beifügten, konnten sie elektrisch leitfähige Schaltkreise herstellen. Diese lassen sich als Sensoren nutzen, etwa um Kräfte, Berührungen oder Biegeprozesse zu messen. Die Jungforscher konnten ihre 3-D-Sensoren sogar auf Textil drucken, was eine Reihe interessanter Anwendungen ermöglicht: So könnte ein auf ein Hemd aufgedruckter Touchsensor die Musik-App in einem Smartphone steuern. Und Druck- und Biegesensoren, aufgebracht auf eine Schutzkleidung, wären in der Lage, vor allzu großen Beanspruchungen zu warnen.

Niedrigenergiehäuser haben meist große Fenster. Dadurch kann auch im Winter die Sonne das Gebäude wirkungsvoll erwärmen, sodass weniger geheizt werden muss. Im Sommer dagegen droht es im Haus zu heiß zu werden. Daher müssen die Fenster oft verdunkelt werden, etwa durch Raffstores. Das sind mit Führungsschienen versehene Außenjalousien. Chris Julian Erdmann und Finja Alpert entwickelten vor diesem Hintergrund eine originelle Idee: einen Raffstore, der in ausgefahrenem Zustand Solarstrom erzeugt. Sie konstruierten einen Prototyp, bei dem sie die Lamellen des Raffstores durch streifenförmige Solarzellen ersetzten. Eine Beispielkalkulation lieferte als Ergebnis, dass sich mit dieser Technik der Strombedarf bestimmter Niedrigenergiehäuser zu einem großen Teil decken lassen sollte.

Für mobile Roboter gibt es eine Vielzahl von Anwendungen, zum Beispiel den Transport von Waren in Lagerhallen oder die Vor-Ort-Erkundung erdnaher Planeten. Die meisten dieser Systeme fahren auf Rädern, sind damit aber beim Überwinden von Treppen oder Hindernissen eingeschränkt. Linus Preußer entwickelte daher einen mobilen vierbeinigen Roboter, der anhand des sogenannten Reinforcement Learning Laufen lernt. Eine programmierte Trainingssoftware befähigt den Roboter dabei zum selbstständigen Erlernen von Bewegungsmustern. Ein komplexer Vorgang, denn jedes seiner vier Beine hat drei Gelenke. Mithilfe von zwölf Servomotoren werden die Beine bewegt. Das simulierte Modell des Roboters ist bereits in der Lage, Laufmuster zur effektiven Fortbewegung auf geradem Untergrund zu erlernen.

Lukas Ralf Eitner, Edgar Lennard Feodor Bennemann und Björn Nikolas Rathgeber bauten ein Kühlsystem, das im Gegensatz zu herkömmlichen Klimaanlagen ohne umweltschädliche Chemikalien auskommt. Es besteht aus zwei Rohren: In dem inneren strömt die warme Zimmerluft, im äußeren kaltes, von Düsen fein zerstäubtes Wasser. Die Wärme der Luft aus dem inneren Rohr wird vom Wassernebel aufgenommen und abtransportiert. Innerhalb von 15 Minuten sank die Temperatur der Zimmerluft um etwa vier Grad Celsius. Die tatsächliche Kühlung zu messen, ist allerdings gar nicht so einfach, denn Luftwirbel und die Motoren der Lüfter an den Einlässen beeinflussen die Temperatur. Die Jungforscher kamen zu dem Schluss, dass für eine gute Kühlleistung vor allem das optimale Größenverhältnis von Außen- und Innenrohr entscheidend ist.

Die Corona-Pandemie stellt die Gesellschaft vor große und kleine Herausforderungen. So sind zum Beispiel zeitweise Friseursalons geschlossen, man muss die Haare wachsen lassen oder selbst zu Kamm und Schere greifen. In ihrem Forschungsprojekt entwickelten Sebastian Hilscher und Mohamed Alyousef eine Alternative – das Konzept eines Roboterfriseurs. Kern ist eine raffinierte Halterung, die über Elektromotoren eine Haarschneidemaschine gezielt und präzise bewegen kann. Sensoren erfassen, wo sich Kopf und Haare befinden. Dort, wo geschnitten werden soll, zieht ein Staubsaugerschlauch die Haare senkrecht zur Kopfhaut nach oben, sodass der Schnitt auf die gewünschte Länge erfolgen kann. Ziel des Projekts ist zudem, die Speicherung von Frisuren der Anwender zu ermöglichen, die dann maschinell exakt reproduziert werden können.

Fahrradschaltungen sind praktisch, insbesondere bei bergigem Gelände. In der Regel jedoch muss man selbst schalten, was auf die Dauer lästig sein kann. Aus diesem Grund konstruierten Iona Kuhn und Jannis Keller eine Automatikschaltung für Fahrräder. Dazu brachten sie diverse Sensoren an einem Fahrrad an. Diese messen Geschwindigkeit, Trittfrequenz sowie die Steigung der Straße und funken ihre Daten per Bluetooth an einen Kleinstcomputer. Dieser errechnet dann den optimalen Gang und betätigt über einen Motor eine stufenlose Schaltung. Per Smartphone-App lässt sich aus mehreren Optionen eine eigene Grundeinstellung wählen. So kann man je nach individueller Vorliebe festlegen, wie im Detail die Automatikschaltung ansprechen soll.

Kaffeesatz gilt gemeinhin als passabler Pflanzendünger. Doch wie groß ist seine wachstumsfördernde Wirkung tatsächlich? Um das herauszufinden, entwickelte Ray Klauck eine Art intelligentes Mini-Treibhaus. Zum einen kann es die für die Pflanze wichtigen Umgebungsfaktoren einstellen: Heizelemente regeln die Temperatur, Wasserpumpen die Feuchtigkeit und Lampen das Licht. Zum anderen misst die Apparatur, wie gut die Pflanze gedeiht: Sensoren überwachen automatisch Farbe und Größe wie auch ihre Stoffwechselaktivität. Die Experimente mit dem Kaffeesatz lieferten ein unerwartetes Resultat, denn der vermeintliche Dünger förderte das Wachstum nicht etwa, sondern hemmte es. Nützlich sein könnte die Technik künftig für die Forschung, aber auch für das Kultivieren besonders anspruchsvoller Pflanzen.

Die menschliche Hand ist ein kleines Wunderwerk und kann selbst feinmotorische Herausforderungen souverän meistern, etwa das Einführen eines Fadens in ein Nadelloch. Mithilfe eines 3-D-Druckers und mehrerer Elektromotoren konstruierten Leon Hausmann und Lina Tebourski eine mechanische Version – die bionische Hand. Besonderes Augenmerk richteten die beiden auf deren Ansteuerung: Zum einen entwickelten sie ein System, das per EEG die Hirnströme des Bedieners erfasst und in Steuerbefehle umsetzt. Zum anderen programmierten sie anhand von KI-Algorithmen eine Bilderkennung, die die Bewegung einer echten Hand aufzeichnet und analysiert. Das Ergebnis: Macht die richtige Hand eine bestimmte Greifbewegung, ahmt die bionische Hand diese präzise nach, wie ein digitaler Zwilling.

Manche Schachcomputer bieten eine besondere Servicefunktion: Sie sind mit einem Spielbrett ausgestattet, das die Figuren automatisch erkennt, sodass man die Züge nicht per Tastatur eingeben muss. Fabian Brenner und Henrik Fisch wollten in ihrem Projekt herausfinden, wie sich eine solche Automatik besonders einfach realisieren lässt. Nach einiger Überlegung entwickelten sie einen raffinierten Mechanismus: Per Bohrer frästen die Jungforscher Löcher und feine Kabelkanäle in die Unterseite eines Schachbretts. In den Löchern platzierten sie Magnetsensoren, die sie über Kabel mit einem Kleinstrechner verbanden. Schließlich bestückten sie Dame, König und Co. mit Magneten und schrieben eine Software für den Minicomputer. Das Ergebnis: Ihr System kann die Spielzüge zuverlässig erkennen und ist dabei kostengünstig.

Für manche Anwendungen ist ein Datenhandschuh praktisch, etwa um Computerspiele zu steuern. Kim Krüger, David Drabe und Kevin Hockel entwickelten in ihrem Forschungsprojekt eine Umsetzungsvariante, die ein realitätsnahes Greiferlebnis bieten soll, dabei aber vergleichsweise preiswert ist. Dazu bestückten sie die Finger eines Handschuhs mit Dehnungsmessstreifen, hinzu kam ein elektronisches Kreiselinstrument zur Richtungsmessung. Bei anschließenden Tests mit einer selbst programmierten Virtual-Reality-Software bewährte sich der Prototyp: Per Handschuh ließen sich virtuelle Gegenstände auf einer Spieloberfläche zielsicher greifen, verschieben und wieder ablegen. Ein mögliches künftiges Einsatzfeld sehen die drei Jungforscher in der präzisen Fernsteuerung von Robotern.

Feuerwehrleute haben mitunter einen gefährlichen Job. Löschen sie in einem Gebäude einen Brand, nimmt ihnen starker Rauch dabei oftmals die Sicht und sie müssen weitgehend blind agieren. Tobias Wanierke und Josias Neumüller entwickelten ein eigenes technisches Konzept, um bei diesem Problem Abhilfe zu schaffen. Ihre Warnschilder sind selbst in stark verrauchten Gebäuden mit Wärmebildkameras noch gut zu erkennen. Das Funktionsprinzip: Registriert ein integrierter Rauchmelder einen Brand, heizt sich das Schild über einen Heizdraht rasch auf, wodurch es sich im Wärmebild deutlich von seiner Umgebung abzeichnet. Mithilfe dieser Warnschilder könnten Feuerwehrleute künftig zum Beispiel erkennen, wo in einem Gebäude Gefahrgüter lagern, die bei einem Brand besondere Risiken bergen.

In der Medizin dient ein EEG dazu, die Hirnströme eines Menschen zu messen. Dagegen nutzte Bela Kaut die EEG-Signale in seinem Forschungsprojekt, um quasi per Gedankenkraft Computer anzusteuern. Zwar gibt es solche Geräte bereits, sie sind jedoch teuer und kompliziert. Um eine kostengünstige Version zu konstruieren, rüstete der Jungforscher den EEG-Chip aus einem Spielzeug um und kombinierte ihn mit einem Kleinstcomputer einschließlich selbst programmierter Software. Durch abwechselndes Entspannen und Konzentrieren lässt sich damit eine simple Tastatur und ein Mauszeiger ansteuern sowie ein Text schreiben. Das nur etwa 50 Euro teure Gerät bewährte sich in mehreren Testreihen und könnte künftig bewegungsunfähigen Menschen bei der Bedienung von Computern helfen.

Das Herzstück einer Smartphone-Kamera ist der Kamerachip. Er fängt das Licht auf und wandelt es in elektronische Signale um, die sich dann in digitaler Form auf eine Speicherkarte bannen lassen. Benedict May konstruierte in seinem Forschungsprojekt einen eigenen Kamerachip, einen sogenannten AP-Sensor. Als Pixel, also als einzelne Bildelemente, verwendete er Fotowiderstände. Das sind elektronische Bauteile, deren Widerstand sich ändert, wenn Licht auf sie fällt. Dieses sogenannte Array kombinierte der Jungforscher mit einem Kameraobjektiv. Das Ergebnis ist eine Apparatur, mit der sich einfache Schwarzweißbilder aufnehmen lassen. Einsetzen ließe sich diese zum Beispiel im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI), wenn es darum geht, Muster zuverlässig zu erkennen.

Konventionelle Modellautos lassen sich per Fernsteuerung über Gehwege und Parkplätze lenken. Dagegen kann das Minigefährt, das Felix Reißmann, Niklas Geißler und Moritz Schaub konstruierten, ganz von selbst durch die Gegend kurven – denn es ist ein autonom fahrendes Auto. Die Karosserie stellten die Jungforscher mittels 3-D-Drucker her, um sie anschließend mit Elektromotor, Akku, Bordcomputer, Kamera und Ultraschallsensoren zu bestücken. Auch an Beleuchtung und Blinker wurde gedacht, für beides nutzten sie LEDs. Wie die großen Vorbilder auf der Straße verfügt das Kleingefährt über einen Notbrems- und einen Spurhalteassistenten sowie eine Einparkhilfe. Im Praxistest konnte das selbstfahrende Modellauto langsam, aber sicher einen vorgegebenen Parcours bewältigen.

Ampeln, die bei Grün laut piepen, unterstützen Menschen mit Sehbehinderung schon lange in ihrem Alltag. Doch die jüngsten Fortschritte der Technik erlauben deutlich raffiniertere Systeme: In seinem Forschungsprojekt entwickelte Tamas Nemes einen tragbaren Assistenten, der sich die Möglichkeiten der künstlichen Intelligenz (KI) zunutze macht. Mit einer Kamera und mehreren Sensoren erfasst das Gerät seine Umgebung. Auf dem eingebauten Kleinstcomputer läuft ein lernfähiger Algorithmus. Er analysiert die Sensordaten und erkennt automatisch, ob Hindernisse im Weg stehen. Identifiziert der Assistent zum Beispiel einen Fahrradfahrer oder eine Fußgängerin in der Nähe, lässt er akustische Alarmdurchsagen ertönen und warnt die Nutzerinnen und Nutzer des Systems so vor einem möglichen Zusammenstoß.

Nachwachsende Rohstoffe wie Holz oder Bambus sind umweltfreundlicher als Kunststoffe aus Erdöl. Bei allzu starken Belastungen aber können sie brechen und splittern. Vor einiger Zeit präsentierten US-amerikanische Forscher ein Verfahren, das die Materialeigenschaften von Holz verbessern kann: Zunächst löst eine Flüssigkeit das Lignin – den holzeigenen Stützstoff – heraus. Dann verdichtet eine Presse das Restmaterial, was zu einer stärkeren Verbindung zwischen den verbliebenen Zellulosefasern führt. Dieses Prozedere übertrug Kolja Diehl in seinem Projekt auf Bambus. Wie erhofft erwiesen sich die behandelten Proben im Vergleich zu den unbehandelten als fester. Der Grund: Bei natürlich gewachsenem Bambus variiert die Faserdichte im Halm recht stark. Die Behandlung per Druckpresse macht sie deutlich gleichmäßiger.

Tag für Tag steigen auf der Welt Tausende Wetterballone in eine Höhe von 30 bis 40 Kilometern auf. An Bord haben sie kleine Sonden, die Temperatur, Feuchtigkeit und Luftdruck erfassen und die Messdaten laufend an die Wetterdienste auf der Erde funken. Amon Schumann entwickelte in seinem Forschungsprojekt zwei Ansätze, um die traditionellen Verfahren zur Wetterdatenmessung zu optimieren. Zum einen fing er die Funksignale von gelandeten Wetterballons auf und konnte sie so bergen und wiederverwenden – wodurch sich Kosten sowie Umweltbelastung verringern lassen. Zum anderen entwickelte er eine eigene Sonde, die sich unter anderem durch ein extrem geringes Gewicht, die Stromversorgung über Solarzellen sowie die Nutzung eines offenen Amateurfunknetzwerkes auszeichnet.

Der Gang auf zwei Beinen ist für Roboter nach wie vor eine Herausforderung: Es gilt, zuverlässig die Balance zu halten und zugleich möglichst flott voranzukommen. In seinem Forschungsprojekt entwarf Loukas Kordos das Konzept für einen solchen mechanischen Zweibeiner. Er fand heraus, welche Art von Elektromotoren sich besonders dafür eignen. Um seine Entwürfe zu testen und zu optimieren, entwickelte der Jungforscher eine aufwendige Computersimulation. Mit ihr lässt sich kostengünstig überprüfen, wie eine leistungsfähige Steuerungssoftware für die Roboterbeine aussehen sollte. Zum Einsatz kommen könnten solche Roboter eines Tages in Situationen, die für den Menschen gefährlich sind – zum Beispiel bei Großbränden oder in Katastrophengebieten.

Bei Autos werden Head-up-Displays immer beliebter: Sie projizieren wichtige Fahrinformationen auf die Windschutzscheibe, sodass man nicht mehr laufend auf das Armaturenbrett blicken muss. In seinem Forschungsprojekt konstruierte Johannes Lodahl ein solches Unterstützungssystem für Motorradhelme. Dazu brachte er an der Stirnleiste eines handelsüblichen Helms einen kleinen biegsamen Bildschirm an. Ein in den Kinnbereich eingesetzter Spiegel projiziert das Bild in das Sichtfeld des Fahrenden. Das System kann per Bluetooth mit einem Smartphone verbunden werden, auf diese Weise lassen sich die Inhalte bestimmter Apps auf dem Helmdisplay anzeigen. Zum Einsatz kommen könnte die Technik zum Beispiel bei Motorradrennen, um die Pilotinnen und Piloten in Echtzeit mit Renninfos zu versorgen.

Es gibt sie noch nicht lange, aber in der Welt der Technik sind 3-D-Drucker nicht mehr wegzudenken. Prototypen lassen sich mit ihnen schnell und unkompliziert herstellen. Ein Manko ist allerdings die Geschwindigkeit der Geräte: Der Druckprozess dauert zumeist recht lang. Diesem Problem widmete sich Tobias Neidhart in seinem Projekt: Er beschleunigte einen speziellen Druckertyp, bei dem ein zähflüssiges Harz mit UV-Licht belichtet wird, um so Schicht für Schicht auszuhärten. Zusätzlich zu einer flächigen UV-Lampe bestückte er das Gerät mit einem Ultraschallsender. Dieser erwärmt das Kunstharz und bewirkt so eine schnellere Aushärtung. Dadurch nimmt die Geschwindigkeit des 3-D-Druckvorgangs um das Fünffache zu. Der Jungforscher hat den Einsatz von Ultraschall zum Patent angemeldet.

Stratosphärenballons sind für Meteorologen ein wichtiges Hilfsmittel: Sie steigen hoch in die Atmosphäre auf, um dort Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit zu messen. Doch es gibt ein Problem, denn die Gondeln, auf denen die Sensoren angebracht sind, drehen sich während des Fluges und geraten ins Schwanken. Manche Messungen, insbesondere wenn sie richtungsabhängig sind, werden dadurch unpräzise. Um dieses Manko zu beheben, entwarfen Kalle Bracht und Leo Bechstein verschiedene Konzepte für ein Stabilisierungssystem. Bei einem hält ein motorbetriebenes Luftruder die Gondel auf Kurs, bei einem anderen sind die Sensoren in einer ausgefeilten Aufhängung befestigt. Tests im Windkanal und Abwurfversuche von einem Haus bewiesen, dass die Konzepte im Prinzip funktionieren.

Schwelbrände in Zügen und Flugzeugen können schlimme Folgen haben und sogar zu Unfällen führen. Daher ist es wichtig, sie möglichst früh zu erkennen. Bislang jedoch mangelt es dafür an zuverlässigen Methoden. Aus diesem Grund entwickelten Sören Bender und Konstantin Bachem in ihrem Projekt den Prototyp eines ausgeklügelten Warnsystems. Es basiert auf einem Netz aus Temperatursensoren, die beispielsweise in den Kabelkanälen eines Zugs installiert sein könnten. Mehrere Kleinstrechner dienen als Netzwerkknoten. Sie nehmen die Messwerte der Sensoren auf und senden sie per Funk an einen zentralen Computer. Der zeigt die Sensorwerte übersichtlich auf dem Bildschirm an. Sollte es irgendwo im Zug verdächtig heiß werden, löst das Gerät einen akustischen sowie auch einen optischen Alarm aus.

Gewöhnliche Kameras funktionieren mit Licht. Ebenso wie das menschliche Auge sind sie für andere Strahlungsarten quasi blind. Doch es gibt auch Geräte, die mehr können: Diese sogenannten Multispektralkameras erfassen zusätzlich zum Licht auch UV-Strahlung oder Infrarotlicht und sind in der Lage, diese Wellenlängen sichtbar zu machen. Für viele Anwendungen ist das praktisch, so etwa in der Landwirtschaft: Hier kann ein Infrarotbild verraten, ob Pflanzen gesund oder krank sind. Doch sind solche Spezialkameras ziemlich teuer. Daher entwickelte Laurenz Lemke eine deutlich günstigere Version, die aus mehreren Kameramodulen, Filtern und einem Mikrocomputer besteht. Damit gelangen dem Jungforscher eindrucksvolle Infrarotaufnahmen, auf denen sich die Vegetation besonders deutlich abzeichnet.

Sie gelten als die Zukunft des Automobilverkehrs – Pkw, die sich fahrerlos auf unseren Straßen bewegen. Julian Jochens und Moritz Ahrens übertrugen dieses Konzept auf ein anderes Vehikel, das Fahrrad. Ihre Vision: Selbstfahrende Räder können eines Tages Lasten transportieren und autonom einen Bike-Sharing-Standort ansteuern. Um einen Prototyp zu bauen, rüsteten die beiden Jungforscher ein altes Damenrad mit Stützrädern, Motoren, Kamera und mehreren kleinen Bordrechnern aus. Ein Elektromotor übernimmt mithilfe von Zahnrädern die Lenkung. Die Kamera erfasst unter anderem Verkehrsschilder und Ampeln, die anschließend ein lernfähiger Algorithmus erkennen soll. Um sich gegenüber anderen Verkehrsteilnehmenden bemerkbar zu machen, ist das autonome Gefährt mit Blinker und Klingel bestückt.

Lehm ist ein nachhaltiger und weltweit verfügbarer Baustoff. Leider jedoch ist er nicht besonders witterungsbeständig. Inwiefern können daher Anstriche und Putze einen Schutz insbesondere gegen Regen bieten? Um diese Frage zu beantworten, entwickelte Alexandra Helbig in ihrer Forschungsarbeit einen Prüfstand aus Holz. Mit ihm konnte sie testen, wie fest eine Beschichtung auf einem Lehmziegel haftet. Darüber hinaus untersuchte die Jungforscherin per Mikroskop, wie tief unterschiedliche Farbanstriche ins Material eindringen konnten, und schließlich setzte sie die beschichteten Lehmproben künstlichem Regen aus. Im Ergebnis erweisen sich Putze als besonders geeignet, die einen bestimmten Anteil an Wasserglas enthalten, darunter versteht man eine bestimmte Gattung von glasartigen Mineralien.