Vorwissenschaftliche Arbeiten zu Astronomie und Raumfahrt
An unserer Schule werden gerne Themen aus den Bereichen Astronomie und Raumfahrt für die vorwissenschaftlichen Arbeit im Rahmen der Reifeprüfung gewählt. Wir präsentieren hier eine erlesene Auswahl dieser Arbeiten. Mit dem Klick auf den Titel gelangen Sie jeweils zur Arbeit (pdf).
Jeza, Gerit: Sterntypbestimmung von Hauptreihensternen anhand des Farbspektrums. Graz, Februar 2024.
In dieser vorwissenschaftlichen Arbeit geht es um die Klassifikation und anschließenden Bestimmung des Sterntyps der Sonne anhand der Spektralklasse und der Leuchtkraftklasse, wobei diese auf die Hauptsternreihe (Leuchtkraftklasse V) eingegrenzt wurde. Zuerst wird umfassend erklärt, was Spektren sind, wie die Spektren verschiedener Sterntypen entstehen und worin sie sich unterscheiden. Was die Spektralklasse betrifft, so hängt diese von der Oberflächentemperatur des Sterns ab. Jede Spektralklasse hat unterschiedlich breite und gut erkennbare Spektrallinien desselben Elementes oder weist für die Spektralklasse typische eigene Elemente im Spektrum auf. Dementsprechend kann anhand der chemischen Signatur im Spektrum des Sterns die Spektralklasse bestimmt werden und in Kombination mit der Leuchtkraftklasse sogar der Typ des Sterns. Besonders wichtig sind hier die Wasserstoff-Linien, da Wasserstoff als Erstes und auch am längsten von Sternen fusioniert wird. Diese Klassifikation wurde anschließend verwendet, um experimentell den Sterntyp der Sonne mit einem einfachen Spektroskop zu bestimmen. Das Ergebnis wurde dann mit dem tatsächlichen Sterntyp der Sonne abgeglichen und die Spektralklasse der Sonne als G eindeutig bestimmt.
Das Weltall ist das logische nächste Ziel im nie enden wollenden Forschungs- und Wissensdrang der Menschheit. Die gigantischen, größtenteils unerforschten Weiten, welche erst seit knapp über 50 Jahren von Astronauten „bewohnt“ werden, ziehen heutzutage sogar schon private Investoren und Weltraumtouristen in ihren Bann. Doch die Reise über 100 km nach oben, geschweige denn die Überwindung des interplanetaren Raumes, bringt enorme technische Herausforderungen in allen Bereichen des Ingenieurwesens mit sich.
Diese vorwissenschaftliche Arbeit befasst sich mit Raketentriebwerken und ihren Treibstoffen und versucht, einen grundlegenden Einblick in die Welt dieser Triebwerke und Treibstoffe zu geben sowie den Leser über die Komplexität dieser zu informieren. Es werden die gängigsten Funktionsarten der Triebwerke und ihre direkten Verbindungen als auch das Zusammenspiel mit den Treibstoffen, die sie verwenden, genannt und erklärt. Des Weiteren wurde im Zuge dieser Arbeit ein Experiment durchgeführt, das aufzeigt, auf welche Weise sich Zusatzstoffe in einem selbstgebauten Schwarzpulvertriebwerk auswirken. Dieses soll zum weiteren Verständnis der oben angeführten Punkte dienen. Hierbei stellte sich heraus, dass die Welt der Treibstoffe extrem komplex und kompliziert ist.
Pally, Sonja: Der Ereignishorizont: Grenzfläche in der Raumzeit. Graz, März 2023.
In den unendlichen Weiten des Universums gibt es einige Phänomene, die von der Wissenschaft momentan noch nicht erklärt werden können. Zu diesen Phänomenen zählt als Teil des Schwarzen Lochs auch der Ereignishorizont. Als „point of no return“ entkommt ihm nicht einmal das Licht, weshalb er pechschwarz erscheint, aber was der Ereignishorizont tatsächlich ist, versucht die Forschung bis heute zu klären. Diese vorwissenschaftliche Arbeit befasst sich mit dem Ereignishorizont und versucht zudem einen grundlegenden Überblick über das Thema zu geben. Dazu zählt ein Einblick in den aktuellen Forschungstand sowie in die Entstehung schwarzer Löcher, um einen Grundstein für den Erklärungsversuch des Phänomens Ereignishorizont zu legen. Im Zuge der Arbeit wurde in wissenschaftlichen Texten, Zeitschriften und Büchern recherchiert und die wichtigsten Informationen in diesem Text zusammengefasst sowie Begriffe, die für Leser unverständlich sein könnten, erklärt. Hierbei stellte sich der Versuch der physikalischen Erklärung als äußerst schwierig und komplex heraus.
Das Ende des Universums ist ein Thema, welches sowohl Wissenschaftler und Philosophen als auch die Öffentlichkeit seit Jahrzehnten beschäftigt. In meiner Arbeit werde ich Theorien aufzeigen, die eine hypothetische Antwort bieten. Die beiden führenden Theorien sind, der „Big Freeze" und der „Big Crunch". Im Big Freeze-Szenario wird das Universum weiter expandieren und sich schließlich in einem eisigen, leeren Zustand befinden, wenn alle Materie und Energie sich so weit verteilt haben, dass keine weitere physikalische Interaktion mehr möglich ist. Im Big Crunch-Szenario wird die Expansion des Universums durch die Schwerkraft gestoppt und in einen Kollaps umkehren. Das gesamte Universum würde in einem heißen und dichten Zustand zusammenfallen. Es gibt auch eine ungewöhnlichere Theorie wie die „Big Rip-Theorie". Hier nimmt die Expansion des Universums so zu, dass sie die Materie und sogar die Atomkerne und Elementarteilchen zerreißt. Die Beobachtungen der Expansion des Universums und der kosmologischen Daten wie der Hintergrundstrahlung, der Verteilung von Galaxien und Dunkler Materie/Energie geben wichtige Hinweise darauf, welches Ende des Universums realistisch ist oder ausgeschlossen werden kann. Um das ultimative Schicksal des Universums zu verstehen, sind jedoch noch viele weitere Beobachtungen und theoretische Durchbrüche erforderlich. Mein Ziel ist es, einen umfassenden Überblick über den aktuellen Wissensstand zu geben und zur weiteren Erforschung und Diskussionen anzuregen.
Oppel, Johannes Michael: Moderne Raumfahrttechnik und der Flug zum Mars. Graz, März 2022.
Seit einigen Jahren ist das Interesse an einem bemannten Flug zum Mars groß. Diese Arbeit hat sich das Ziel gesetzt, verschiedene Raumfahrttechnologien der Staatlichen Firma NASA und des privaten Raumfahrtunternehmen SpaceX, zu beschreiben. Zuvor wird jedoch ein kleiner Einblick in die Geschichte der Raumfahrt und in die Ziele der Modernen Raumfahrt gewährleistet. Des Weiteren wurde der Ablauf eines möglichen Fluges zum Mars dargestellt. Ebenfalls spielen verschiedene Herausforderungen, wie etwa menschliche und technische, eine Rolle in der Arbeit. Um die VWA zu erstellen, wurden hauptsächlich Quellen aus dem Internett verwendet. Die meisten Informationen wurden jedoch aus dem Buch „Der Weg zum Mars. Aufbruch in eine neue Welt“, von Sasha Mamczak und Sebastian Pirling, gewonnen. Die wichtigste Erkenntnis der Arbeit war, dass ein bemannter Flug zum Mars zum jetzigen Zeitpunkt nicht möglich ist. Der Mensch würde einen Flug nicht überleben. Wird an der Technologie jedoch weitergeforscht, ist es möglich, dass Menschen eines Tages auf dem Mars landen.
Die Mathematik, Wissenschaft von Zusammenhang zwischen Logik und Struktur, stellt besonders in den Naturwissenschaften eine widie Auschtige Rolle dar, der scheinbar keine Grenzen gesetzt ist. In der vorliegenden Arbeit, wird dies wieder auf den Prüfstand gestellt, indem diese für die Beschreibung statischer ladungsneutraler Schwarzer Löcher (s.g. Schwarzschild-Löcher) herangezogen wird. Damit verbunden sind zwei Leitfragen "Welche Möglichkeiten sind der Mathematik zur Beschreibung von Schwarzschild-Löchern geboten?" und "Welche Aussagen lassen für den Bereich innerhalb des Ereingnishorizonts eines Schwarzschild-Loches treffen?", die im Laufe der Arbeit beantwortet werden sollten. Hierfür werden die Einstein’schen Feldgleichungen betrachtet. Diese liefern im nächsten Schritt die s.g. Schwarzschild-Lösung, deren Erkenntnisse unabdingbar für die darauffolgende mathematische Beschreibung statischer ladungsneutraler Schwarzer Löcher sind. V.a. im Hinblick auf die aktuelle Forschung zu Schwarzen Löchern gibt diese Arbeit einen wichtigen Einblick in die Denkweise der modernen Wissenschaft.
Die hier vorliegende vorwissenschaftliche Arbeit beschäftigt sich mit der Suche nach Exoplaneten. Unter Exoplaneten (Exo = griechisch für außerhalb) versteht man Planeten, welche außerhalb des Sonnensystems liegen. Seit der ersten Entdeckung eines Exoplaneten 1995 durch ein Schweizer Forscherteam werden stets neue Missionen vorbereitet um neue Exoplaneten zu finden und um so nicht nur dem Fund von extraterrestrischem Leben einen Schritt näher zu kommen, sondern auch um die Entstehung und Einzigartigkeit unseres Planeten, der Erde, besser verstehen zu können. In dieser Arbeit werden die wichtigsten Suchmethoden und aktuelle Weltraummissionen und ihre Abläufe erklärt. Weiters werden, anhand von Daten des Kepler- Weltraumteleskopes, der Ablauf der Datenauswertung und Interpretation der Ergebnisse, nähergebracht. Dafür werden von der Kepler - Mission bereitgestellte, photometrische Messungen von Planetentransiten verwendet. Dabei wird der Fragestellung nachgegangen, wie gut Exoplaneten mit der Transitmethode auszumachen sind. Diese VWA kommt zu dem Schluss, dass Exoplaneten neben dem üblichen Rauschen deutlich als Vertiefungen in einer photometrischen Kurve erkennbar sind. Um ausschließen zu können, dass ein anderes Objekt oder Ereignis den Lichtstärkenabstieg verursacht hat, muss die Einsenkung mindestens drei Mal periodisch gemessen werden. Allerdings muss beachtet werden, dass sowohl bei der Transitmethode als auch bei anderen Methoden, die Genauigkeit in der Charakterisierung des Exoplaneten stark davon abhängt, wie gut der Stern bekannt ist und speziell bei der Transitmethode, in welcher Durchlaufbahn der Transit gemessen wurde.
Die vorliegende VWA informiert über Hygienemaßnahmen, die in der Raumfahrt schon seit der ersten Mission zu einem fremden Himmelskörper durchgeführt werden. Diese Arbeit verschafft Einblick in Vorkehrungen, die jeglichen Transport von Organismen zu und von fremden Himmelskörpern vermeiden sollen. Es wird erläutert, warum diese Maßnahmen erforderlich sind, wie sie durchgeführt werden und wie sich diese seit dem Beginn der Raumfahrt entwickelten. Dazu wurde Literatur und ein Interview mit einem Mitarbeiter des Grazer Weltrauminstituts IWF verwendet. Zurzeit werden Missionen abhängig von Missionstyp und ihrem Zielobjekt in 5 Kategorien unterteilt. Die durchgeführten Maßnahmen können den Kategorien entsprechend von wenigen Dokumenten bis zur mehrmaligen Sterilisation der Sondenbauteile in Cleanrooms reichen. Die stärksten Vorkehrungen, um den Transport von Organismen zu fremden Himmelskörpern zu vermeiden, wurden bisher bei Marsmissionen getroffen. Maßnahmen, um den möglichen Transport von fremden Organismen anderer Himmelskörper zur Erde so gut es geht zu verhindern, wurden bisher erst bei den bemannten Apollo-Missionen durchgeführt.
Lunatschek, Klaus-Lukas: Entstehung und Eigenschaften von Emissionsnebeln. Graz, März 2017.
Diese Arbeit beschäftigt sich grundsätzlich mit der Nebelklasse Emissionsnebel. Um der Frage „Wie entstehen Emissionsnebel und was macht sie aus?“ nachzugehen, werden dafür notwendige Details über Licht behandelt. Dies betrifft vor allem die unterschiedlichen Lichtspektren der Emissionsnebel. Aufgeführt werden außerdem Beobachtungsmethoden bis hin zur Verwendung von Filtern in der Astronomie, geschichtliche Hintergründe, welche von den ersten Entdeckungen bis in die heutige Zeit reichen und die allgemeine Entstehungsgeschichte von Nebeln und Sternen. Da es sich hierbei um eine reine Literaturarbeit handelt, sind keinerlei praktische Anwendungen zu finden, jedoch Hinweise, um diese selbst durchführen zu können. Einige Eigenschaften der Emissionsnebel wurden während des Herausarbeitens besonders genau betrachtet: Wodurch leuchten sie? Unter welchen Voraussetzungen entstehen die einzigartigen Formen der verschiedenen Nebel? Anhand eines Emissionsnebels wird auch auf die Spektralanalyse eingegangen. Diese Arbeit kann somit auch als Einführung für angehende Astronomen verwendet werden.
Music, Nitai: Einfluss der Lichtverschmutzung auf die Himmelsbeobachtung. Graz, März 2017.
Die vorliegende vorwissenschaftliche Arbeit befasst sich mit dem Thema Einfluss der Lichtverschmutzung auf die Himmelsbeobachtung. Lichtverschmutzung ist ein großes Themengebiet, dass viele verschiedene Bereiche (biologische, ökonomische, etc.) beinhaltet. Die Problematik der Lichtverschmutzung gewinnt erst in den letzten Jahren stark an Bedeutung und wird deswegen noch nicht bewusst von allen wahrgenommen. Diese VWA befasst sich in erster Linie mit den astronomischen Aspekten. Dabei wird auf die visuellen Unterschiede zwischen verschiedenen Himmel eingegangen und diese auch mit Bildmaterial erklärt. Darüber hinaus zeigt die VWA auch welche Himmelsobjekte aus einer Stadt am Nachthimmel beobachtet werden können und wie stark dort der Einfluss der Lichtverschmutzung für den Himmelsbeobachter ist. Der letzte Abschnitt meiner Arbeit stellt eine Umfrage da, die verschiedene Fragen zur Astronomie und Lichtverschmutzung beinhaltet, wie zum Beispiel, ob es einen Zusammenhang zwischen Wohnort (Land-Stadt) und Interesse an der Astronomie gibt. Meine These ist, dass Teilnehmer meiner Umfrage, die im Stadtzentrum leben bei starker Lichtverschmutzung weniger Interesse an der Astronomie haben als die, die am Land leben.