Besuch eines virtuellen Staudammes
Die VR-Welt
In vielen Schulbüchern bleibt das Wasserkraftwerk eine zweidimensionale Skizze mit Pfeilen und Formeln. Diese interaktive VR-Umgebung macht daraus einen begehbaren Lernort: Lernende stehen direkt vor Staumauer, Turbinen und Überlauf, bewegen sich frei im Raum und steuern selbst, was passiert.
Lehrplanbezug (Lehrplan Physik in Sachsen)
Klassenstufe 7 HS: Lernbereich 2: Energie, Umwelt, Mensch (Beurteilen von Prozessen der Übertragung und Umwandlung von Energie, Arten und Prinzip von Kraftwerken)
Klassenstufe 7 HS: Wahlbereich 2: Wasserräder und Windräder gestern und heute
Klassenstufe 7 RS: Lernbereich 2: Energie, Umwelt, Mensch (Arten und Prinzipien von Kraftwerken)
Klassenstufe 7 Gym: Lernbereich 3: Energiewandler (Arten und Prinzipien von Kraftwerken)
Die vier Stationen als Lernpfad
- Station 1 – Grundprinzip: Das physikbasierte Wasserrad zeigt anschaulich, wie aus Bewegungsenergie von Wasser mechanische und schließlich elektrische Energie wird – ein zentrales Thema in der Physik der Sekundarstufe.
- Station 2 – Überlauf: Lernende steuern selbst, wann Wasser über die Krone der Staumauer abfließt, und verstehen so die Funktion von Wehren und Sicherheitsüberläufen bei Hochwasser.
- Station 3 – Turbinen: Die einblendbaren Kaplan-Turbinen machen Aufbau und Funktionsweise einer modernen Wasserturbine sichtbar, deren verstellbare Laufradschaufeln unterschiedliche Durchflüsse effizient nutzen.
- Station 4 – Stausee: Das animierte Segelboot verweist auf die Rolle von Stauseen als Freizeit- und Erholungsräume und öffnet den Blick auf Nutzungskonflikte und Chancen erneuerbarer Energien.
Die folgenden Audio-Kommentare sind an den entsprechenden Stationen abrufbar:
Station 0 – Starpunkt und Überblick
Station 1 – Das Grundprinzip des Wasserrades
Beim Wasserrad nutzt man die Energie des fließenden Wassers, um eine Drehbewegung zu erzeugen. Das Wasser besitzt zunächst potentielle Energie, weil es im Stausee höher liegt als der Fluss unterhalb der Staumauer. Fließt es über eine Rinne oder ein Rohr zum Wasserrad hinunter, wird diese Lageenergie in Bewegungsenergie des Wassers umgewandelt. Trifft der Wasserstrahl auf die Schaufeln des Rades, überträgt er einen Teil seiner Bewegungsenergie: Das Wasserrad beginnt sich zu drehen. Aus Bewegungsenergie des Wassers wird so mechanische Rotationsenergie des Rades.
Diese Drehbewegung kann anschließend über eine Welle oder Zahnräder weitergegeben werden – zum Beispiel an einen Generator, der daraus elektrische Energie erzeugt, oder an Maschinen wie Mühlen oder Sägen. Im Prinzip passiert dabei immer dasselbe: Energie geht nicht verloren, sondern wird von einer Form in eine andere umgewandelt und von einem System auf ein anderes übertragen. Beim Übergang von Wasser auf Wasserrad und weiter zum Generator entstehen allerdings Reibungs- und Wärmeverluste, sodass nicht die gesamte ursprüngliche Energie des Wassers als nutzbare elektrische Energie ankommt.
Station 2 – Staumauer und Überlauf
Die Staumauer staut den Fluss zu einem Stausee auf und hält große Wassermengen in einer erhöhten Lage zurück. Dadurch entsteht ein Höhenunterschied zwischen dem Wasser im Stausee und dem Wasser unterhalb der Mauer, der für die Energiegewinnung im Wasserkraftwerk entscheidend ist. Je höher der Wasserstand im Stausee, desto größer die potentielle Energie des Wassers und desto stärker der Druck auf die Einlauföffnungen zu Turbinen oder Wasserrad.
Damit die Staumauer sicher bleibt, braucht es einen kontrollierten Überlauf. Steigt der Wasserspiegel im Stausee zu stark an, wird überschüssiges Wasser über den Überlauf abgeleitet, bevor es unkontrolliert über die Mauer schwappt oder die Konstruktion gefährdet. Der Überlauf wirkt wie ein Sicherheitsventil: Er schützt die Staumauer vor Schäden bei Hochwasser und sorgt gleichzeitig dafür, dass flussabwärts weiterhin Wasser ankommt.
Station 3 – Kaplan-Turbine und Fallrohre
Die Kaplan-Turbine ist eine moderne Wasserturbine, die speziell für niedrige Fallhöhen und große Wassermengen entwickelt wurde, wie sie in Flusskraftwerken vorkommen. Das Wasser strömt aus den Fallrohren – den Druckrohren unter der Staumauer – direkt auf das Laufrad zu, das einem Schiffspropeller ähnelt mit verstellbaren Flügeln. Diese Fallrohre leiten das Wasser mit hohem Druck und Geschwindigkeit aus dem Stausee zur Turbine und wandeln die potentielle Energie der Fallhöhe in kinetische Energie um.
Im Zusammenspiel mit den Fallrohren trifft das Wasser zuerst auf die verstellbaren Leitschaufeln, die den Strom optimal auf die Laufradschaufeln lenken und in Rotation versetzen. Durch die doppelte Regulierung – Anpassung von Leit- und Laufradschaufeln – passt sich die Turbine schwankenden Wassermengen an und erreicht Wirkungsgrade von 80 bis 95 Prozent. Die rotierende Turbine treibt über eine Welle einen Generator an, der mechanische Energie in Strom umwandelt.
Station 4 – Stausee und vielfältige Nutzungsmöglichkeiten
Der Stausee entsteht durch die Staumauer und speichert große Wassermengen, die nicht nur für die Energieerzeugung, sondern auch für weitere Zwecke genutzt werden. Neben der Wasserkraftnutzung dient er als Trinkwasserreservoir, Fluten-Schutz bei Starkregen oder Schneeschmelze und als Bewässerungssystem in trockenen Regionen.
Besonders für die Freizeitgestaltung bietet der Stausee vielfältige Möglichkeiten: Segeln, Surfen, Angeln oder Baden machen ihn zu einem Erholungsraum, wie das animierte Segelboot in deiner VR-Station zeigt. Gleichzeitig entstehen ökologische und soziale Herausforderungen, etwa durch Umsiedlungen oder veränderte Flussläufe, die eine abwägende Nutzung erfordern.
Die VR-Welt kann im Browser, auf Smartphone/Tablet mit der Delightex-App und mit VR-Brillen betreten werden:
Link: https://edu.delightex.com/BVW-GQN
Didaktische Vorteile
- Immersion: VR ermöglicht das räumliche Eintauchen in Modellwelten, was nachweislich das Verständnis unsichtbarer Prozesse wie Energieumwandlungen verbessert. Lernende erleben Fallhöhe, Wasserstrom und Turbinen nicht nur als Bild, sondern als situative Erfahrung.
- Aktive Exploration: Durch klickbare Stationen und veränderbare Elemente (Überlauf öffnen, Turbinen sichtbar machen) wird aus passiver Rezeption ein forschendes, entdeckendes Lernen.
- Mehrkanaliges Lernen: Die Kombination aus 3D-Szene, Bewegung, Interaktivität und Audioerklärungen spricht mehrere Sinneskanäle an und unterstützt so unterschiedliche Lerntypen.
- Sicherer Experimentierraum: Kritische Situationen wie starke Wassermengen oder Turbinenbetrieb lassen sich gefahrlos simulieren, ohne reale Anlagen aufsuchen zu müssen.
Mehrwert gegenüber klassischen Medien
- Tieferes Verständnis statt Auswendiglernen: Studien zeigen, dass interaktive und immersive VR-Medien besonders bei komplexen naturwissenschaftlichen Prozessen bessere Lerngewinne bringen als statische Darstellungen.
- Hohe Motivation: Gamifizierte Elemente wie das Entdecken von Stationen, das Auslösen von Animationen und das Hören von Audios steigern die Lernbereitschaft und fördern selbstgesteuertes Arbeiten.
- Flexible Einbindung im Unterricht: Die VR-Welt kann als Einstieg in das Thema Wasserkraft, zur Vertiefung von Energieumwandlung oder als Station in einem Lernzirkel eingesetzt werden und ergänzt vorhandene Arbeitsblätter und Experimente.
Mit dieser VR-Umgebung wird das Wasserkraftwerk zu einem begehbaren Labor, in dem Schülerinnen und Schüler experimentieren, Zusammenhänge rekonstruieren und erneuerbare Energieformen ganzheitlich erleben können. Damit kann das Projekt einen Beitrag leisten zu einem modernen, kompetenzorientierten MINT-Unterricht, der digitale Medien gezielt für Verstehen, Motivation und Diskussion über nachhaltige Energie nutzt.
Der Generator
In dieser VR-Welt wurde der Generator nicht mit behandelt, da er bereits in zwei unserer VR-Welten ausführlich thematisiert worden ist. Bei Bedarf können diese zusammen mit der Wasserkraft-Simulation in den Unterricht eingebaut werden:
3D-Druck
Um dieses Gebiet weiter zu vertiefen kann im Unterricht auf 3D-gedruckte Modelle zurückgegriffen werden. Alle 3D-Druck-Plattformen bieten eine Auswahl an Turbinen an:
Bsp.: https://www.printables.com/tag/turbine?lang=de
Die meisten der Modelle sind – nach Anmeldung auf der jeweiligen Plattform – frei herunterladbar und stehen dann für den 3D-Druck oder 3D-Gestaltug zur Verfügung:
Wir – das Team des MPZ LKL – wünschen Ihnen viel Erfolg beim Ausprobieren oder dem Einsatz im Unterricht!
P.S. In diesem youtube-Video wird das selbe Staudamm-Objekt genutzt um zu erklären, wie ein Hochwasserrisikomanagementsystem funktioniert. In dieser Animation sehen Sie, wie die Hauptkomponenten (Dämme, Deiche, Wehre und Umgehungskanäle zusammenwirken), um Wasser von Menschen und Sachwerten fernzuhalten.