Hier könnt ihr euch die Episode von Take Off anschauen, in der diese Challenge vorkommt.
Ab Minute 15:10 könnt ihr euch anschauen, wie die Kandidaten diese Challenge gemeistert haben.

Ziel der Challenge

Das Ziel der Kartoffel-Batterie Challenge ist es, dass die Schüler eine Batterie aus Kartoffeln (oder anderen Früchten und Gemüsen) bauen, die eine Spannung von 5 Volt erzeugen kann. Das erste Team, das mit einem Multimeter 5 Volt misst, gewinnt!

Material und Vorbereitungen

Jede Gruppe benötigt die folgenden Materialien:

• 10 Kartoffeln oder Kartoffelteile (oder 10 halbe Zitronen)
• 10 Kupferdrahtstücke (ca. 10 cm lang)
• 9 Zinknägel oder Schrauben (oder andere leitfähige Metalle wie Aluminium oder Eisen)
• 10 Krokodilklemmen
• 1 Multimeter
• 1 Stück Sandpapier
• 1 Ausgedrucktes Schaltkreis-Schema (kann etwas weiter unten heruntergeladen werden)
• Optional: 1 Handtuch zum Aufwischen
• Optional: Alufolie
• Optional: Verschiedene Früchte und Gemüse (z. B. Bananen, Äpfel)
• Optional: 200 ml Salzlösung oder Cola und 5-10 kleine Becher (z.B. Schnapsgläser aus Plastik)

Vorbereitung

• Materialien besorgen
• Video oben anschauen

• Überlegen, in wie viele Gruppen die Klasse am besten eingeteilt wird, wo die Gruppen sich im Raum verteilen können

Konkreter Ablauf

Frage/Challenge stellen:

Erkläre den Schülern die Challenge und die Gewinnkriterien. Die Schüler sollen hier schon möglichst alle Fragen stellen, die sie haben, damit sie alles mitbekommen und die Regeln für alle klar sind, bevor es los geht.

Hypothesen formulieren:

Geben Sie den Teams ein paar Minuten Zeit, um mögliche Methoden zu besprechen und Hypothesen zu formulieren, wie sie das Ziel erreichen können. Jedes Teammitglied sollte Ideen einbringen. Diese Phase verhindert, dass die Schüler sich planlos in die Challenge stürzen.

Experiment/Wettkampf:

Jetzt wird der Wettkampf gestartet! Die Schüler testen ihre Schaltkreise und optimieren sie. Das erste Team, das mit dem Multimeter eine Spannung von 5 Volt misst, gewinnt die Challenge.

Schlussfolgerung/Erklärung:

Nach dem Wettbewerb diskutiert ihr gemeinsam:

• Warum war die Batterie des Gewinnerteams erfolgreich?
• Welche Verbesserungen könnten an den anderen Batterien vorgenommen werden?
• Wie funktioniert die Kartoffelbatterie auf wissenschaftlicher Ebene? Was sind Unterschiede/Gemeinsamkeiten mit herkömmlichen Batterien? (siehe hierzu Abschnitt weiter unten)

Mögliche Methode

Die Kartoffel dient als Elektrolyt dient, da die darin enthaltenen Säuren elektrische Ladungen transportieren können. Der Zinknagel fungiert als Anode (negative Elektrode) und der Kupferdraht als Kathode (positive Elektrode). Schon hat an eine kleine Batterie von etwa 0,8 Volt.

Mit dem Multimeter wird die Spannung der Kartoffelbatterien gemessen. Wenn die Spannung weniger als 0,8 Volt pro Kartoffel beträgt, sollte man auf Folgendes achten:

• Sicherstellen, dass die Kontaktflächen sauber und groß genug sind.
• Sicherstellen, dass die Metalle tief genug in die Kartoffeln eingeführt sind.
• Die Oberfläche der Metalle mit Sandpapier aufrauen, um die Kontaktfläche zu vergrößern.

Um die Spannung zu erhöhen, müssen die Schüler mehrere Kartoffelbatterien in Serie schalten, Indem sie den Zinknagel einer Kartoffel mit dem Kupferdraht der nächsten Kartoffel verbinden und so weiter, bis die gewünschte Spannung erreicht ist. 

Was passiert genau in der Kartoffel?

In der Episode erklärt Joseph ab Minute 16:50, was genau in der Kartoffel passiert und wie der Elektronenfluss zustande kommt.

Wie funktioniert eine herkömmliche Batterie?  

Die Kartoffelbatterie wandelt chemische Energie in elektrische Energie um – genau wie das klassische Daniell-Element, das als Modell für moderne Batterien dient. Das Daniell-Element erzeugt die elektrische Energie durch eine Redoxreaktion. Dabei laufen zwei Teilreaktionen ab: An der Anode findet eine Oxidation statt, während an der Kathode eine Reduktion erfolgt. 

Aufbau eines Daniell-Elements: 

Das Daniell-Element besteht aus zwei Halbzellen: 

• Anode (Minuspol, Zink-Elektrode in Zinksulfatlösung): Zink gibt Elektronen ab und wird zu Zinkionen (Zn²⁺). 

• Kathode (Pluspol, Kupfer-Elektrode in Kupfersulfatlösung): Kupferionen (Cu²⁺) nehmen Elektronen auf und lagern sich als metallisches Kupfer ab. 

• Elektrolyt (Salzbrücke oder poröse Membran): Ermöglicht den Ladungsausgleich, indem sie Ionen zwischen den Halbzellen transportiert. 

Funktionsweise: 

1. Oxidation an der Anode: 
 
Das Zinkmetall gibt Elektronen ab und geht als Zn²⁺ in Lösung.

2. Reduktion an der Kathode: 
   

Kupferionen aus der Lösung nehmen Elektronen auf und lagern sich als metallisches Kupfer an der Elektrode ab.

3. Elektronenfluss: 
Die freigesetzten Elektronen wandern durch den externen Stromkreis von der Zinkanode zur Kupferkathode – dadurch entsteht ein nutzbarer Stromfluss. 

4. Ionenbewegung im Elektrolyt: 
Die Salzbrücke sorgt dafür, dass Sulfat-Ionen (SO₄²⁻) von der Kupfer- zur Zinkhalbzelle wandern, um die Ladung auszugleichen. 

Vergleich zur Kartoffelbatterie: 

Bei der Kartoffelbatterie übernehmen Kupfer und Zink die Rolle der Elektroden, während der saure Zellsaft als Elektrolyt fungiert. Die chemischen Prozesse sind ähnlich: Das Zink wird oxidiert, gibt Elektronen ab, und die Kupferelektrode nimmt diese auf. Auch hier fließen Elektronen durch den äußeren Stromkreis, sodass eine kleine Spannung entsteht – genau wie beim Daniell-Element. Da die Kupferelektrode bei der Kartoffelbatterie aber nicht in einer Cu2+ Lösung ist, werden hier die Elektronen an die Säure abgegeben. Hierbei kommt es unter anderem zur Reduktion der Protonen (H+) und es bildet sich Wasserstoff.   

Sobald das Zink aufgebraucht oder die elektrochemische Reaktion im Gleichgewicht ist, kann die Batterie keinen Strom mehr liefern.