Das Konrad-Heresbach-Gymnasium an der Laubacher Straße 13. Foto: André Volkmann
Das Konrad-Heresbach-Gymnasium an der Laubacher Straße 13. Foto: André Volkmann

Mettmann. Zwei Schüler des Konrad-Heresbach-Gymnasiums (KHG) aus der Jahrgangsstufe Q2 sind für ihre herausragenden Arbeiten mit einem Hans Riegel-Fachpreis ausgezeichnet worden.


Tobias Klein erhielt an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf den ersten Preis im Fach Physik, Julius Reiter wurde mit dem zweiten Preis im Fach Mathematik ausgezeichnet. Beide Arbeiten zeigen, wie Schülerinnen und Schüler wissenschaftliche Fragestellungen eigenständig bearbeiten und dabei weit über den schulischen Unterricht hinausgehen können. Beide KHG Schüler entwickelten eigene Programme und Modelle, führten Simulationen durch und werteten ihre Ergebnisse selbstständig aus.

Tobias Klein untersuchte in seiner Facharbeit „Ordnung im Chaos – Numerische und experimentelle Untersuchung der Stabilitätsgrenzen des Doppelpendels“ das Verhalten eines Doppelpendels. Obwohl dessen Bewegung vollständig durch die Gesetze der Mechanik bestimmt ist, können kleinste Unterschiede in der Ausgangsposition zu völlig unterschiedlichen Bewegungsabläufen führen – ein klassisches Beispiel für deterministisches Chaos.

Für seine Untersuchung baute Klein ein Doppelpendel aus Kunststoffrohren, Kugellagern und 3D-gedruckten Verbindungselementen. Die Bewegungen nahm er mit 240 Bildern pro Sekunde auf und analysierte sie mithilfe einer selbst programmierten Trackingsoftware. Zusätzlich entwickelte er eine numerische Simulation in Python und leitete dafür die Bewegungsgleichungen mithilfe des Lagrange-Formalismus her. Dieses Verfahren geht deutlich über den schulischen Unterrichtsstoff hinaus und wurde von Klein eigenständig erarbeitet.

Ein zentrales Ergebnis seiner Arbeit ist eine sogenannte Chaoskarte, auf der unterschiedliche Bereiche stabiler und chaotischer Bewegungen sichtbar werden. Besonders bemerkenswert sind dabei die feinen Strukturen an den Grenzen zwischen den verschiedenen Bewegungsformen. Die Untersuchung macht anschaulich, dass deterministische Systeme nicht zwangsläufig langfristig vorhersehbar sein müssen.

Mathematische Modelle für die Ausbreitung von Krankheiten

Julius Reiter beschäftigte sich in seiner Facharbeit „Mathematische Modellierung sozialer Netze am Beispiel von Krankheitsausbrüchen“ mit der Frage, wie sich Infektionskrankheiten innerhalb sozialer Netzwerke ausbreiten.

Dazu entwickelte Reiter mit Python verschiedene Netzwerkmodelle und untersuchte systematisch, wie unterschiedliche Parameter die Ausbreitung eines Infektionsgeschehens beeinflussen. Die Ergebnisse stellte er in Graphen dar und analysierte die Auswirkungen der jeweiligen Modellannahmen.

Im Anschluss ging Reiter einen entscheidenden Schritt weiter und verglich seine Modelle mit realen Daten zur Viruslast des Coronavirus, die über mehrere Jahre im Abwasser gemessen wurde. Dadurch konnte er die Aussagekraft seiner Modelle überprüfen und zugleich deren Grenzen herausarbeiten.

Die Arbeiten wurden von Adrian Lehrmann (Fachschaft Physik) und Gabi Datko (Fachschaft Mathematik) betreut. „Beide haben eine Frage konsequent bis zum Ende durchgearbeitet, vom eigenen Versuchsaufbau bis zur Auswertung. Das ist genau das, was wissenschaftliches Arbeiten ausmacht“, lobt Herr Lehrmann die Arbeit der Schüler. Tobias Klein verband den Bau eines eigenen Versuchsaufbaus mit experimenteller Datenerhebung, Programmierung und mathematischer Modellierung. Julius Reiter entwickelte eigene Modelle und überprüfte diese anschließend anhand realer Daten.

Die Fachpreise werden von der Dr. Hans Riegel-Stiftung gemeinsam mit kooperierenden Universitäten für herausragende Facharbeiten in den MINT-Fächern vergeben. Mit Tobias Kleins erstem Platz in Physik erhält das Konrad-Heresbach-Gymnasium zudem einen Sachpreis in Höhe von 250 Euro für die Physiksammlung.