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Baumpatenschaft

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Überblick

Primarstufe, Sekundarstufe

Natur und Technik , Naturwissenschaft und Technik , Physik, Biologie, Informatik, Technik

Nachhaltigkeit , Umwelttechnik

Deutsch

Überblick

Schlüsselwörter: Nachhaltige Forstwirtschaft, Arduino, Sensoren, IOT, Klimawandel, Fernerkundung, Ökologie, Umwelttechnik
Disziplinen: Physik, Chemie, Biologie, Geisteswissenschaften, Umwelt- und Bioressourcenmanagement, Technologie
Altersstufe der Schüler: 10-18
Zeitrahmen: 1 Schuljahr (9 Monate)
Partner: Schulen in der Nähe

SDG 15 - Leben an Land SDG9 Industrie, Innovation und Infrastruktur SDG11 - Nachhaltige Städte und Gemeinden

Gehe direkt zu den Kapiteln: Die grüne Kraft, Spannung ist überall, Internet der Bäume

Zusammenfassung

Ziel des Projekts ist der Aufbau eines ausgedehnten Baumnetzwerks (IoT = Internet of Trees), das die Mittel zum Schutz und zur Erhaltung einer der wertvollsten, aber ständig gefährdeten natürlichen Ressourcen, nämlich unserer Wälder, bereitstellt. Erreicht wird dies durch die Montage, Programmierung und Installation eines ferngesteuerten Datenloggers an einem „adoptierten“ Baum in einem Wald oder einem Stadtpark. Das Gerät zeichnet verschiedene Umweltparameter und deren Einfluss auf den Zustand des Baumes auf und speichert die Daten entweder lokal, um sie in regelmäßigen Abständen abzurufen, oder es überträgt die Telemetriedaten in Echtzeit über Funk an die Basisstation (in der Schule oder anderswo).

Wälder, die grüne Lunge unserer Erde, produzieren den Großteil des Sauerstoffs, der von fast allen lebenden Organismen benötigt wird. Für das Gleichgewicht unserer Ökosysteme ist es also zwingend notwendig, die Abholzung der Wälder und Umweltverschmutzung zu verhindern.

Laut Dr. Robert Jandl und Reneema Hazarika, den Gastredakteur*innen der Sonderausgabe der Zeitschrift Forests „The Role of Forests for Achieving the Sustainable Development Goals (SDG)“ [Wälder: Die Rolle der Wälder für das Erreichen der Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDG)] heißt es:

„Der Schutz der Umwelt ist der Schlüssel zur Lebensqualität, und mehrere Nachhaltigkeitsziele haben eine starke Umweltdimension. Auch wenn es kein spezifisches Nachhaltigkeitsziel mit dem Titel „Wälder“ gibt, so ist doch festzustellen, dass das Ziel 15 die Forstwirtschaft in einem breiten Spektrum anspricht. Daher sind die Auswirkungen auf Wälder auch für viele der anderen Nachhaltigkeitsziele relevant, und die Verwirklichung einiger dieser Ziele wird sich unmittelbar oder langfristig auf die Wälder auswirken. Die Bedeutung der Wälder ist jedoch regional sehr unterschiedlich, je nach ihrer Einbindung in die Wirtschaft und der Bereitstellung von Ökosystemleistungen. Ziel dieser Sonderausgabe ist es, die Rolle der Wälder bei der Verwirklichung der Nachhaltigkeitsziele in verschiedenen geografischen Umgebungen zu ermitteln. Es werden Szenarien gezeigt, die untersuchen, wie sich die Rolle der Wälder verändern wird, wenn vorhersehbare globale Veränderungen wie Klimawandel, Urbanisierung und Wissenszuwachs und Sensibilisierung eintreten.“

Aufgaben für die Schüler*innen/Lehrkräfte tun

  1. Diese Unterrichtseinheit ist in erster Linie ein Forschungsprojekt.
  2. Einführung in die Forstwirtschaft und ihren Zusammenhang mit dem Klimawandel.
  3. Brainstorming über das Internet der Dinge (Bäume) und die Gründe, warum Bäume gemonitort werden sollten.
  4. Einführung in Arduino-Boards, Sensoren und Programmierung.
  5. Aufbau eines Monitoringsystems zur Erfassung der Spannungswerte (von der Erde bis zu einem Punkt einige Zentimeter darüber am Baumstamm) oder der Safttemperatur zusammen mit anderen Variablen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Beleuchtungsstärke, Kohlendioxid, TVOC-Konzentration usw.
  6. Der Basis-Datenlogger sollte mindestens aus einem Mikrocontroller, einer Batterie, zwei gleichen Metallabschlüssen oder einem Heizelement und einem dazugehörigen Widerstandstemperatursensor, einem Speicherkartenmodul und einer Reihe von Sensoren nach Wahl bestehen.
  7. Sammeln von Informationen über den Baum, den die Klasse untersuchen wird.
  8. Testen des Monitoringsystems - Sammeln von Daten.
  9. Auswertung und Diskussion der gesammelten Daten.
  10. Austausch von Daten und Vergleich mit anderen Baumarten oder derselben Baumart in verschiedenen Gebieten.
  11. Hochladen von Daten in eine interaktive Karte und Erstellen der Datenbank IoT=Internet der Bäume.

Übersicht

Unsere Hypothese ist, dass der Zustand eines Baumes direkt mit seinem Baumsaft zusammenhängt, der durch die Transpiration gesteuert wird. Im nächsten Teil dieser Unterrichtseinheit werden zwei verschiedene Methoden zur Überwachung dieser Baumsafteigenschaften vorgeschlagen:

  1. Messung der Spannung zwischen einer in den Boden und einer anderen in den Stamm gesteckten Elektrode. Man geht davon aus, dass diese Spannung durch den pH-Unterschied zwischen der Nährstoff- und Salzlösung im Boden und dem Saft im Stamm entsteht. Die Spannungen, die unter bestimmten Umweltbedingungen bei einer Reihe von gesunden Bäumen gemessen werden, dienen als Grundlage für den Vergleich mit den von uns adoptierten ähnlichen Bäumen.
  2. Messung der Zeit, nach der die Safttemperatur wieder auf den Ausgangswert zurückgegangen ist, nachdem der Saft in kurzen Impulsen durch ein kleines in den Stamm gestecktes Heizelement erwärmt worden ist. Gesunde Bäume benötigen deutlich weniger Zeit als solche, die mit Umweltproblemen zu kämpfen haben oder langsam absterben.

Durch die Installation der Datenlogger an den betreuten Bäumen werden die Schüler*innen dazu angehalten, den Zustand der einzelnen Bäume ständig zu beobachten und zu protokollieren. Dieser steht entweder im Zusammenhang mit der Konstanz der elektrischen Spannung, wenn Umweltparameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Beleuchtungsstärke unverändert bleiben, oder mit der Geschwindigkeit der Abkühlung der Safttemperatur nach einer externen Erwärmung. Dieses Projekt wird Schüler*innen helfen, die Bedeutung von Bäumen und Pflanzen in ihrer Umgebung zu erkennen und ihre komplexe Biologie zu verstehen. Zudem wird ihnen mit der Projektarbeit vermittelt, Bäume wertzuschätzen und sie entsprechend zu behandeln.

Für das im Abschnitt Internet der Bäume beschriebene Messgerät ("Green Guard"):

  1. Lufttemperatur
  2. Luftfeuchtigkeit
  3. Beleuchtungsstärke
  4. Spannung

Für den im Abschnitt Internet der Bäume beschriebenen Forest Reader („Waldmessgerät“):

  1. Lufttemperatur
  2. Luftfeuchtigkeit
  3. Beleuchtungsstärke
  4. Barometrischer Druck
  5. Luftqualität (Kohlendioxid- bzw. TVOC-Konzentrationen)
  6. Feuchtigkeit des Bodens
  7. Safttemperatur

Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit wirken sich auf die Transpiration aus, die Beleuchtungsstärke wirkt sich auf die Fotosynthese und die Transpiration aus, der Luftdruck zeigt Wettertrends an, die Luftqualität ist ein Indikator für mögliche Umweltprobleme und die Bodenfeuchtigkeit zeigt die Verfügbarkeit von Wasser in der Nähe der Baumwurzeln an.

Die grüne Kraft

Primar- und Sekundarstufe I

Die Schüler*innen untersuchen verschiedene Aspekte der Pflanzenbiologie, u. a. Photosynthese, Kapillarwirkung und Transpiration.

Fotosynthese der Wasserpflanzen

Da Pflanzen Sauerstoff produzieren, der unsichtbar und geruchlos ist, wird dieses Experiment mit Wasserpflanzen durchgeführt, sodass die Blasen des produzierten Sauerstoffs leicht beobachtet werden können.

Kapillarwirkung

Über das Zusammenwirken der drei Kräfte Kohäsion, Adhäsion und Oberflächenspannung bei der Versorgung von Pflanzen mit Nährstoffen.

Spaltöffnungen und Gefäßgewebe

Über die Rolle von Xylem und Phloem.

Transpiration in einem Gefäß

Die Schüler*innen beobachten Transpiration in einem Gefäß.

Ein einfaches Potetometer

Ein einfaches Potetometer zur Bestimmung der Transpirationsrate wird gebaut.

Das Video illustriert die im Text beschriebene Versuchsdurchführung. Die Untertitel sind in englischer Sprache.

Spannung ist überall

Primar- und Sekundarstufen I und II

Die Schüler*innen beschäftigen sich mit Spannung, was diese mit Pflanzen zu tun hat und wie sie mit einen einfachen Datenlogger Daten erheben können.

Einführung in die Gleichspannungsmessung

Die Gleichspannungsmessung dient der Bestimmung der elektrischen Spannung, bei der der Strom immer in die gleiche Richtung fließt ohne Polaritätsänderung.

Pflanzenspannung

Die Schüler*innen messen selbst die Pflanzenspannung mit einem Multimeter.

Ein kostengünstiger Datenlogger

Untersuchung der zeitlichen Entwicklung der gemessenen Spannung und Simulation der Veränderung durch Einsatz von Stressfaktoren.

Das Internet der Bäume

Sekundarstufe II

Die Schüler*innen bauen einen eigene Datenlogger und setzen Sensoren zur Messung von Umweltparametern ein.

Aufbau eines Messgerätes

Anleitung zum Bau eines Datenloggers zur Messung der Parameter Licht, Temperatur und Feuchtigkeit.

Der "Forest Reader" ("Waldmessgerät")

Anleitung zum Bau eines Datenloggers, mit dem die Luftqualität und der Verschmutzungsgrad in Parks oder Wäldern überwacht werden und somit die Gesundheit von Bäumen zu beurteilt werden kann.

Der "Forest Reader" im Einsatz
© Science on Stage

Autor*innen von Baumpatenschaft: Astrinos Tsoutsoudakis (GR), Corina Toma (RO), Iro Koliakou (GR)

  1. Wir haben "IoT - Internet of Trees" angelehnt an den Begriff "IoT - Internet of Things".

  2. Hazarika, Reneema & Jandl, Robert, eds. (2019) “Special Issue Information.” forests. The Role of Forests for Achieving the Sustainable Development Goals (SDG).  https://www.mdpi.com/journal/forests/special_issues/Sustainable_Development_Goals. Zuletzt am 04.08.2022 aufgerufen. Im Original Englisch, eigene Übersetzung.

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