Besuch im myphotonics-Labor: Wie aus LEGO® Steinen Mitmach-Experimente entstehen

Open Innovation
05.07.2019
Erstellt von Volker Bombien

Das an der Universität Osnabrück im Fachbereich Physik beheimatete Projekt myphotonics geht einen modernen Weg der Wissenschaftsvermittlung: Aus preiswerten optischen Bauelementen und LEGO® Steinen können Maker, Tüftler und Bastler ein Michelson-Interferometer oder Hologramme selbst bauen. Der Zusammenbau ist Teil des Erkenntnisprozesses.

Tisch mit elektronischen Bauteilen und Legosteinen
Kreatives Chaos auf dem Arbeitstisch im myphotonics-Labor. Bild: Volker Bombien

Betritt man den Arbeitsraum der myphotonics-Forscher an der Universität Osnabrück im Fachbereich Physik, dann stutzt man für einen kurzen Augenblick und fragt sich, ob man sich gerade in einem Kinderspieleparadies oder in einer Universität befindet. Neben vier Computerarbeitsplätzen für die wissenschaftlichen Mitarbeiter prägt ein großer Arbeitstisch in der Mitte den kaum 25 Quadratmeter kleinen Raum. Der Tisch ist überhäuft mit LEGO® Steinen. Dazwischen liegen optische Bauteile und teilweise zusammengebaute Geräte. In unzähligen Boxen, Pappkartons und Regalen werden unterschiedliche LEGO® Bausteingruppen aufbewahrt. Das ist das Optik-Labor von Professor Dr. Mirco Imlau und seinem Team. Hier tüfteln die Forscher bereits seit 2013 an dem Entwurf und Bau von hochwertigen Optikgeräten, die komplett aus LEGO® Steinen gebaut werden – mit einem Michelson-Interferometer ging es los.

Das Hightech-Interferometer aus LEGO® Steinen

„Das Interferometer, das wir entwickelt haben“, erklärt Imlau, der Initiator des myphotonics-Projekts, „besteht bis auf den Laser und den zugehörigen Optiken komplett aus LEGO® Steinen.“ Ein Interferometer ist ein Präzisionsmessgerät, das durch Überlagerung von Lichtwellen kleinste Größenveränderungen in Materialien messen kann. Stolz schwingt in Imlaus Stimme mit, wenn er die Gesamtkosten für sein Do it yourself-(DIY)-Interferometer mit weniger als 150 Euro beziffert: ein Laserpointer der Klasse 2 und Optiken für unter 45 Euro und noch einmal 100 Euro für die LEGO® Steine. Und Stefan Klompmaker, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter im myphotonics-Projekt die Entwicklung des LEGO® Interferometers in den vergangenen drei Jahren intensiv betreut hat, ergänzt: „Die Kosten für unser Interferometer sind um fast den Faktor 20 geringer als bei kommerziellen Systemen.“ „Wir haben damit den Beweis erbracht, dass mit LEGO® Steinen optomechanische Aufbauten möglich sind, die eine interferometrische Stabilität wie professionelle Interferometer besitzen“, ergänzt Imlau.
Die myphotonics-Leute fanden durch unzählige Tests heraus, dass eine Stabilitätsoptimierung erzielt werden kann, wenn der Sockel eine Wabenstruktur aufweist. Die Justage der Spiegel erfolgt dabei mit einer reproduzierbaren Genauigkeit von +/- 1°.

Licht verstehen

Bei dem niedrigen Anschaffungspreis von unter 150 Euro wird es für nahezu jede Bildungseinrichtung möglich, ein hochwertiges Interferometer anzuschaffen. Der Zusammenbau ist dabei wichtiger Bestandteil, so Imlau: „Durch Selbermachen kann Wissen über optische und photonische Systeme besonders anschaulich und verständlich vermittelt werden. Wenn dabei Baukastensysteme wie LEGO® eingesetzt werden, wird das Lernen und Erforschen nahezu spielerisch. Dieses Prinzip eignet sich nicht nur für Kinder und Jugendliche, sondern auch für den Hochschulbereich.“
Felix Lager, ebenfalls wissenschaftlicher Mitarbeiter im myphotonics-Projekt hat gemeinsam mit Stefan Klompmaker im Rahmen seiner Masterarbeit eine Vergleichsstudie an einem Gymnasium mit jeweils zwei Grund- und Leistungskursen durchgeführt, um diesen Aspekt näher zu betrachten. Lager resümiert: „Unsere Studie zeigt, dass bei gleicher Unterrichtszeit ein Grundkurs mit einem solchen Experiment bessere Leistungen erbringen kann, als ein Leistungskurs mit professioneller Ausstattung.“

Moderner Medienverbund: Website plus Videos plus Buch

Damit der Zusammenbau eines DIY-Interferometers kein Glücksspiel wird, sondern Teil des Erkenntnisprozesses, konzipierte das myphotonics-Team gleich ein ganzes Bündel an begleitenden Medien: Auf der Website „1000 Laser-Hacks für Maker“ [https://www.1000laserhacks.uni-osnabrueck.de] der Uni Osnabrück gibt es eine exakte Liste aller verwendeten optischen Bauteile und aller LEGO® Steine sowie die Bezugsquellen dafür. Dort finden sich auch YouTube-Videos, die wichtige Montagemomente des Interferometers im Bild beschreiben. Ein Begleitbuch („Interferometer zum Selberbauen – 1.000 Laser-Hacks für Maker“, ISBN 978-3946496090, 140 Seiten, komplett vierfarbig, 14,95 Euro) beschreibt jeden Montageschritt in Wort und Bild und liefert genau an den Stellen Grundlagenwissen über Licht, an denen es gebraucht wird. Das Buch enthält natürlich auch Experimente, die mit dem zusammengebauten Interferometer durchgeführt werden können.

Den Nachwuchs für Photonik begeistern

Das myphotonics-Projekt wird im Rahmen der Förderinitiative „Open Photonik“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt. Ziel des Projekts ist die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses im Bereich der Optik und Photonik durch Einsatz kostengünstiger und verbreiteter Open-Source-Hardware-Komponenten. Professor Imlau ist davon überzeugt, dass dies – neben der schulischen Relevanz – auch für das Lernen und Lehren im außerschulischen Bereich, aber auch für Maker, von großem Interesse ist.

Hologramme zum Selbermachen

Da das myphotonics-Konzept sich sehr gut auf weitere Themenfelder der Photonik übertragen lässt, arbeitet das Osnabrücker Forscherteam mit Hochdruck an neuen Ideen. Auf der LASER World of PHOTONICS in München feierte das nächste Mitmach-Experiment vor Kurzem Premiere. Dabei geht es um Hologramme zum Selbermachen. Wie bei dem Interferometer ist dazu ein umfangreicher DIY-Materialmix erhältlich: Optische Bauteile und LEGO® Steine für unter 200 Euro, genaue Schritt-für-Schritt-Bauanleitung, Photonik-Fachwissen an den Stellen, an denen sie gebraucht werden und ein Begleitbuch („Hologramme zum Selbermachen – 1.000 Laser-Hacks für Maker“, ISBN 978-3-946496-13-7, 152 Seiten, komplett vierfarbig, 14,95 Euro). Der besondere Clou bei diesem Experiment zum Selbermachen: Es ist dem myphotonics-Team tatsächlich gelungen, mit seinem preiswertem DIY-Holografieaufbau Echtfarbenhologramme herzustellen.

Und bereits im Oktober erwartet uns eine neue Idee aus dem Osnabrücker Optik-Labor: „Lasermessgeräte zum Selberbauen“.

Weitere Informationen

Kurzvorstellung des Projekts myphotonics
Fördermaßnahme "Open Photonik – offene Innovationsprozesse in der Photonik"
Offizielle Seite der Universität Osnabrück zum myphotonics-Projekt

 

Fünf Männer am Meeting-Tisch
Weitere Experimente mit dem myphotonics-Baukastensystem sind schon in Planung. Bild: Volker Bombien
Forscher sitzt an einem Tisch und schreibt.
myphotonics-Forscher Felix Lager bei der kreativen Schreibarbeit für das neue Buch "Hologramme zum Selbermachen". Bild: Volker Bombien
Banner mit Logo darunter Metallkoffer
Mit ihren spannenden Mitmach-Experimenten sind die Osnabrücker gefragte Aussteller – erst kürzlich standen die IdeenExpo und LASER World of Photonics auf dem Programm. Bild: Volker Bombien

Über den Autor

Lektor, Autor und Herausgeber Volker Bombien ist der geborene Networker. Die Maker Szene ist ihm bestens vertraut. IT-Themen verständlich zu vermitteln liegt ihm besonders am Herzen. Dabei hat Volker Bombien schon vieles gesehen: Bis 2015 war er als Lektor beim damaligen O’Reilly Verlag Deutschland verpflichtet. Er hat zahlreiche Bücher initiiert und geschrieben und dabei auch neue innovative Produktions-Formate ausprobiert. Bei „booksprints“ mit namhaften Makern entstand so z. B. das Buch „Das Calliope-Buch“ (im dpunkt-Verlag erschienen). 2016 hat Volker Bombien den Bombini Verlag gegründet.