Strom aus Früchten

Veröffentlicht am 8. Januar 2021 um 21:46

Johannes, Jonah und Sebastian haben mit ihrem Projekt am Jugend forscht Wettbewerb 2021 teilgenommen und in der Sparte Chemie den Platz 1. auf Regionalebene belegt. Auf Landesebene haben sie einen hervorragenden dritten Platz belegt.

Strom aus Früchten

Als das Schülerforschungszentrum aufgrund der Corona-Situation Ende Oktober geschlossen werden musste, konnten wir unser bisher dort durchgeführtes Projekt nicht weiterführen. Wir haben uns dann mit den Aufgaben des Wettbewerbs „Chemie im Alltag“ beschäftigt. Uns hat dort besonders die Aufgabe 3 interessiert. In der Aufgabe ging es um edle und unedle Metalle. Und es ging darum, aus einer Frucht Energie zu bekommen. Wir wollten diese Untersuchungen als eigene Forschungsarbeit weiterführen. Dazu hatten wir zu Beginn die Metalle und verschiedene Früchte und versuchten eigene Batterien zu entwickeln, die wir dann untersucht haben.

Eine Batterie ist eine elektrische Quelle, in der Energie gespeichert wird. Eine Batterie funktioniert aufgrund von chemischen Vorgängen zwischen Stoffen, die in Lösung gebracht werden. Es werden elektrische Ladungen getrennt. Die getrennten Ladungen können durch einen Verbraucher geleitet werden und so kann man die (elektrische) Energie nutzen.

Es gibt verschiedene Batterien-Arten mit verschiedenen Aufgaben, z.B. die Lithium-Batterien. Diese weisen eine besonders hohe Energiedichte auf. Um aus Früchten Energie zu gewinnen, benötigt man in Wasser gelöste Säure und stromleitende Stoffe.

Unser erstes Ziel war es zu untersuchen, wie man eine möglichst hohe Spannung durch die Kombination verschiedener Metalle an unserer Zitronenbatterie zu erhält.

Wir haben verschiedene Metalle (Zink (Zn), Silber (Ag), Kupfer (Cu) und Eisen (Fe)) immer paarweise, also zwei verschiedene zusammen in eine Zitrone gesteckt, und dann mit einem Messgerät die Spannung gemessen. Wir haben immer zwei Messungen an zwei Zitronen gleichzeitig gemacht, um die Werte miteinander vergleichen zu können. Uns ist aufgefallen, dass wenn ein unedles und ein edles Metall miteinander kombiniert werden, ist die gemessene Spannung möglichst hoch. Also hängt es von den Metallen ab, die in der Zitrone stecken.
Wir haben den Versuch auch mit Kiwis durchgeführt, weil wir wissen wollten, ob es einen Unterschied zwischen unterschiedlichen Früchten gibt. Auch hier haben wir immer zwei Messungen an zwei Kiwis gleichzeitig gemacht, um die Werte miteinander vergleichen zu können. Unsere Untersuchungen haben ergeben, dass es nur geringe Unterschiede bei den Früchten gibt. Eventuell liegt es an der Menge von Flüssigkeit in der Frucht, so dass mehr Spannung aufgebaut werden kann.

Die größte Spannung ist bei der Kombination Silber und Zink mit etwa 1,17V. Die anderen Kombinationen haben eine niedrigere Spannung. Das liegt daran, dass Zink das unedelste und Silber das edelste der Metalle ist. Desto größer der Unterschied wie edel die Metalle sind, desto höher ist die Spannung.

Trägt man unsere Messwerte auf einer Achse auf, bei der die Metalle von unedel zu edel sortiert sind, erkennt man, dass zum Beispiel die Spannung von Zink und Eisen addiert mit der Spannung von Eisen und Kupfer dieselbe Spannung ergibt wie von Zink und Kupfer. Daraus sieht man, dass die Spannung stärker ist, wenn der Unterschied der Edelheit der Metalle höher ist. Dies kann auch in kleine Schritte unterteilen, die Summe der Spannungen der einzelnen Teilschritte ergibt die Spannung der Kombination mit dem größten Unterschied zwischen unedlem und edlem Metall.

Weil Kiwi und Zitrone beide sauer schmecken, müssen sie eine Säure enthalten. Bei der Zitrone ist es Zitronensäure. Wir haben uns daher entschieden, Untersuchungen zur Zitronensäure zu machen und zu prüfen, wie der Einfluss auf die Energie mit Früchten ist.

Wir haben dafür ein Silberblech und ein Zinkblech mit einem Spannungsmesser verbunden und sie mit einem Tuch dazwischen zusammengeklemmt. Nach der ersten Messung der Spannung haben wir etwas Zitronensaft darauf geträufelt und erneut gemessen. Zuerst gab es noch keine Spannung. Als wir Zitronensaft darauf geträufelt haben, ist der Wert bis auf 1,055V gestiegen. Damit eine Spannung zwischen Zink und Silber entsteht und Strom geleitet werden kann, braucht man also den Zitronensaft. Da dieser Zitronensäure enthält, untersuchten wir diese genauer: Wir haben wieder ein Silberblech und ein Zinkblech mit einem Spannungsmesser verbunden und diese dann in Zitronensäurepulver gehalten. Die gemessene Spannung beträgt 0V. Mit reiner Zitronensäure entsteht also keine Spannung und der Strom kann im Feststoff nicht geleitet werden.

Da es mit dem Zitronensäurepulver nicht funktioniert hat, haben wir nochmal Zitronensäurepulver genommen, doch diesmal haben wir auch noch destilliertes Wasser dazu gegeben. Im Vorversuch konnten wir feststellen, dass auch in destilliertem Wasser keine Spannung feststellbar ist. Als wir auf den Versuchsaufbau des Zitronensäurepulvers das destillierte Wasser gaben, ist der Wert wie im Versuch mit Zitronensaft gestiegen. Unser Ergebnis ist also, dass nur eine Spannung entsteht und Strom geleitet wird, wenn in Wasser gelöste Säure vorhanden ist. Da im ersten Versuch die Zitronensäure noch trocken war, war die Spannung bei 0V. Dann stieg die Spannung, weil wir Wasser dazu gaben und damit eine Zitronensäurelösung hergestellt haben, wie sie auch in Zitronensaft enthalten ist.

Mit unseren Forschungsergebnissen wollten wir nun eine Batterie bauen, mit der man eine LED zum Leuchten bringen kann. Hierbei nutzten wir eine Reihen- und eine Parallelschaltung. Bei der Reihenschaltung von Batterien ist die Gesamtspannung gleich der Summe der Einzelspannungen. Somit erreichen wir eine Erhöhung der Voltzahl. Bei der Parallelschaltung einer Batterie ist der Gesamtstrom gleich der Summe der Einzelströme. Somit erreichen wir eine Erhöhung der Amperezahl. Anstelle von Zitronen haben wir nun Orangen verwendet, die ebenfalls Zitronensäure enthalten und in größeren Netzen zu kaufen sind. Wir haben in vier Orangenhälften jeweils ein Silber- und ein Zinkblech gesteckt und mit Kupferdraht der Reihe nach immer vom Zink der einen Orangenhälfte zum Silber der anderen Orangenhälfte verbunden. Dann haben wir ein Silber- und ein Zinkstück am Anfang und am Ende der Reihe mit dem Messgerät verbunden und die Spannung gemessen. Diese betrug 4,22V. Danach haben wir statt dem Messgerät eine LED verbunden, die auch geleuchtet hat. Beim Verbinden mit einer zweiten LED haben beide leider nicht geleuchtet. Die Stromstärke war nicht ausreichend. Bei der Parallelschaltung haben wir dann acht Orangenhälften genutzt, wieder mit Zink- und Silberblechen besetzt und mit Kupferdraht verbunden. Vier Orangen wieder in Reihenschaltung und beide Reihenschaltungen dann parallel zueinander. Dann haben wir wieder die Spannung gemessen, die 4,22V betrug. Danach haben wir statt dem Messgerät, unsere Schaltung mit zwei LED verbunden, die dann auch beide geleuchtet haben.

 

Man kann sowohl eine Spannung als auch einen Stromfluss mit Früchten erzeugen.

In Zitronen, Orangen und Kiwis ist ein hoher Anteil von Säure enthalten und um einen Stromfluss zu erkennen, braucht man in Wasser gelöste Säure. Außerdem braucht man Elektroden, bei uns sind das Metalle. Das unedelste Metall und das edelste Metall ergeben dabei den besten Stromfluss.


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