Bunte Bilder, Schwarze Strahler

Bei ihrem Besuch bei der Firma Testo in Titisee haben die plus-MINT-Schülerinnen und Schüler der 9a sich in der Thermografie ausprobiert.

„Jedes Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes (0 Kelvin = -273,15 ⁰Celsius) sendet infrarote Strahlung aus.“ Dieser von Josef Stefan und Ludwig Boltzmann 1884 nachgewiesene Zusammenhang ist nicht nur ein physikalisches Gesetz, sondern zugleich die Grundlage der Thermografie. Wie man sich dieses Naturgesetz für die Wärmemessung zunutze macht, das haben 14 Schülerinnen und Schüler des plus-MINT-Profils mit ihrem Physiklehrer Carsten Vogelgesang am 21. November bei der Testo SE & Co. KGaA in Titisee erkundet.

Die Infrarot-Strahlung kann vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden, aber sogenannte Wärmebildkameras können sie auf einem Monitor sichtbar machen. Wie solche Kameras gebaut werden, was bei Messungen zu beachten ist, welche Faktoren das Ergebnis beeinflussen und oder gar verfälschen können und mit welchen mathematischen Verfahren und unter Ausnutzung welcher physikalischen Gesetze man dennoch zu verlässlichen Aussagen kommt – das sind nur einige der Fragen und Themen, mit denen sich die jungen Talente an diesem Vormittag auseinandergesetzt haben.

Hightech im Hochschwarzwald

Um 8:30 Uhr trafen die sieben Schülerinnen und sieben Schüler der 9a ein bei dem eindrucksvollen Zwillingsgebäude von Testo an der B31 in Titisee. 2011 hat der Weltmarktführer im Bereich portabler Messtechnik aus Lenzkirch hier einen modernen Gebäudekomplex für Verwaltung, Schulungen und Produktion bezogen, 2017 wurde der zweite Gebäudeteil errichtet. Über 3.000 Mitarbeitende sind für Testo weltweit tätig, davon allein 1.500 im Hochschwarzwald an den Standorten Lenzkirch, Titisee und Kirchzarten.

In der Welt der Sensoren

Der Besuch startete mit einer Führung durch die „Testo World“, dem kürzlich fertiggestellten Ausstellungsareal. Hier werden die unterschiedlichen Produkte von Testo, − Messgeräte, Mess-Sensoren und Mess-Systeme für Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Strömung, Licht, Schall, elektrische Spannung, CO2– und CO-Emissionen, Abgase, Feinstaub, Partikel, pH-Werte und vieles mehr − in ihren typischen Anwendungsbereichen präsentiert. So staunten die Schülerinnen und Schüler über das realitätsnah und mit viel Liebe zum Detail eingerichtete Burger-Restaurant inklusive Bedien-Theken, Produkt-Display und Fritteuse-Attrappen. In diesem Setting wird unter anderem der Einsatz eines Frittieröltesters demonstriert. Für Restaurant-Ketten und Lebensmittelhändler bietet Testo komplette Systemlösung an, um die empfindlichen Waren auf den Lieferwegen, in der Kühlkette und bei den Produktionsprozessen zu überwachen. Weitere Einsatzgebiete finden die Testo-Geräte im Handwerk, etwa bei den Themen Heizung, Lüftung, Kälte und Klima, in der Pharma-Industrie und im Gesundheitswesen, in Laboren und Museen.

Robots at work

Anschließend ging es für die Birklehoferinnen und Birklehofer in die Produktion: Am Standort Titisee fertigt Testo Wärmebildkameras. Bevor sie die Produktionsabteilung im Kellergeschoss betreten durften, mussten alle graue Kittel mit eingewebten Metallfäden überziehen und Entstörungsstreifen unter ihre Schuhe kleben. Zu groß wäre sonst das Risiko, das statische Entladungen die empfindlichen Bauteile funktionsunfähig machen. Beeindruckend war die hochautomatisierte Fertigung unter dem Einsatz von Robotern und Reinluft-Arbeitsplätzen. Die Linsen für die Wärmebildkameras konnten die jungen Forscher dann selbst in die Hand und in Augenschein nehmen. Sie bestehen aus Germanium, einem seltenen Halbmetall, dass die besondere Eigenschaft besitzt, Infrarot-Strahlen verlustfrei passieren zu lassen.

Schwarze Strahler

Warum das wichtig ist, wurde in dem dritten Teil der Exkursion deutlich. Dort ging es um die „Grundlagen der Thermographie“, so der Titel des kleinen Workshops, den Petra Walleser von der Testo-Akademie mit der Klasse abhielt. Zunächst erläuterte sie die physikalischen Grundlagen der Wärmemessung mittels Infrarot-Strahlung. Jeder Körper sendet Infrarot-Strahlung aus (=Emission), aber die Kamera erfasst auch die Wärmestrahlung aus der Umgebung, die der Körper reflektiert (=Reflexion), sowie die Strahlung, die  der Körper durch sich hindurch lässt (=Transmission).

Genau deshalb ist Germanium auch ein geeignetes Material für Linsen von Wärmebildkameras, weil es die Infrarot-Strahlung verlustfrei zum Sensor weiterleitet. Das Gegenteil davon ist ein Körper, der alle Umweltstrahlen absorbiert und zu 100% „eigene“ Infrarot-Strahlung emittiert. Dieser sogenannte Schwarze Strahler ist ein idealisierter Körper, der so in der Natur nicht vorkommt. Sein Emissionsgrad ist festgelegt mit ε=1.

Kalt strahlt der Himmel

Bei der Messung realer Objekte mit der Wärmebildkamera spielt die Reflexion, also die Wärme-Strahlung der Umwelt, die Körper zurückwirft, eine wichtige Rolle. Sie ist abhängig von dem Material, der Oberfläche und der Temperatur des Körpers und sie beeinflusst entsprechend die Messergebnisse der Wärmebildkamera. Holz zum Beispiel hat einen hohen Emissionsgrad von ε=0,94 und reflektiert nur in geringem Maße Wärmestrahlung der Umgebung (1-ε=0,06; der Anteil der reflektierten Strahlung an der Emission beträgt also 6%). Kupfer hingegen hat einen Emissionsgrad von ε=0,04. Hier misst die Wärmebildkamera also fast ausschließlich die reflektierte Umgebungsstrahlung.

Und die kann sehr kalt sein, gerade bei freiem Himmel. Dann nämlich streut die Weltraumstrahlung mit -40 ⁰C in die Messung. Um die verfälschende Reflexion korrigieren zu können, lassen sich Wärmebildkameras entsprechend kalibrieren. Und man muss lernen, ihre bunten Bilder zu interpretieren: „Es kommt nicht auf die bunten Bilder an, sondern darauf, dass man sie richtig bewertet“, betonte Petra Walleser immer wieder.

Hotspots und Kältebrücken

Am Ende des Workshops mussten die Jugendlichen vom Birklehof dann selber ran: Sie durften mit den bereitstehenden Wärmebildkameras Aufgaben lösen, die Petra Walleser vorbereitet hatte: Füllhöhe und Temperatur von Flüssigkeiten in geschlossen Bechern bestimmen, Kältebrücken und schlecht isolierte Stellen an Modellhäuschen identifizieren und herausfinden, ob die silberne oder die goldene Seite einer Erste-Hilfe-Decke den Körper besser wärmt.

Ganz viel Physik

Zum Abschluss schoss die Gruppe von sich ein Wärmebild im Spiegel der Glasfront. Frau Walleser hatte viel Lob übrig für die aufmerksamen Schülerinnen und Schülerinnen des Birklehofs. Auch ihr Lehrer Carsten Vogelgesang zog eine überaus positive Bilanz: „Von den Erfahrungen und dem Wissen, die hier vermittelt wurden, werden die Schülerinnen und Schüler bei unseren Wärmebildmessungen an den Gebäuden des Birklehofs profitieren. Es steckt ganz viel Physik in dieser praktischen und nützlichen Anwendung. So werden Naturgesetze wirklich anschaulich und konkret. Wir kommen gerne wieder zu Testo.“

 

Text und Bilder: Wolfgang Finke