Sechzehn Schülerinnen aus dem ostbayerischen Raum starteten am 05. April in den Räumen der OTH das Projekt "Musik und Kommunikation". Nach den Grußworten der Dekane Prof. Michael Niemetz (OTH) und Prof. Tilo Wettig (UR) sowie der Frauenbeautragten Prof. Christine Süß-Gebahrd (OTH) und Prof. Susanne Modrow (UR) erzählte Julia Roigk, MINT-Girl 2014 und heute Studentin in Computational Science, über ihren Werdegang und die Beeinflussung durch die Teilnahme bei den MINT-Girls.

Die Projektleiter Armin Gardeia (OTH) und Dr. Stephan Giglberger (UR) stellten die geplanten Veranstaltungen vor, die die MINT-Girls in diesem Jahr erwartet. Eine große Besonderheit ist, dass hier zum ertsen mal alle drei Regensburger Hochschule gemeinsam an einem Projekt arbeiten: neben Universität und OTH ist diesmal auch die Hochschule für Katholische Kirchenmusik HfKM beteiligt.

In der ersten Veranstaltung untersuchen die MINT-Girls die Physik hinter der Musik. Kern der Tonerzeugung von Musikinstrumenten sind Stehende Wellen: bei Saiteninstrumenten sind das Transversalwellen, d.h. die Schwingungsrichtung steht senkrecht zur Wellenausbreitung; bei Blasinstrumenten sind es stehende Longitudinalwellen.

Die Grundschwingung (Frequenz, Tonhöhe) ist primär von der Saitenlänge bzw. der Länge der Luftsäule im Blasinstrument abhängig. Durch Überblasen bzw. Greifen von Flageoletts entstehend die sog. Harmonischen (Oktave, Quint, Quart,...).

Begrifflichkeiten wie Amplitude, Phase, Signalform, Schwebung oder Klang lassen sich am besten beim Ausprobieren verstehen: die sechzehn Teilnehmerinnen spielen am Theremin und sehen gleichzeitig das Signal am Oszilloskop.

Durch Fourieranalyse lassen sich die beteiligten Frequenzen eines Klangs bestimmen, mit Fouriersynthese lassen sich Klänge gezielt erzeugen - das ist die Grundlage des Synthesizers.

Prof. Bernd Kramer (UR) hielt einen sehr spannenden und anspruchsvollen Vortrag über die Echoortung und die Kommunikation von Fledermäusen. In Abhängigkeit der Fledermausfamilie, aber auch ihrer Jagdreviere unterscheiden sich die Rufe bzw. die Modulation des Echos. Man unterscheidet

• CF: konstantfrequenter Ruf
• FM: frequenzmodulierter Ruf - die Frequenz des Echos variiert hin und her, beispielsweise aufgrund der auf- und ab schwingenden Flügel eines Beutetiers (Dopplereffekt)
• AM: amlitudenmodulierter Ruf - die Lautstärke des Echos variiert, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Größen der Beutetiere und ihrer Entfernung

Prof. Georg Illies (OTH Regensburg, Bild oben) hält seinen Workshop zum Thema "Zahlenschlösser - wie man sich vertraulich in aller Öffentlichkeit unterhalten kann". In eineinhalb Stunden lernen die MINT-Girls, dass es tatsächlich möglich ist, mit einen privaten und einen öffentlichen Schüssel eine Kommunikation aufzubauen, die nur Sender und Empfänger lesen können. Es ist dabei nicht nötig, zuvor im Geheimen Schlüssel auszutauschen.

Benutzte Daten:

RSA_Verschluesselung.mg (Magma)
RSA_Schluesselerzeugung.mg (Magma)

Um Ultraschallsignale hörbar zu machen gibt es unterschiedliche Methoden:

• Frequenzteiler: hier wird das Eingangssignal durch einen festen Faktor geteilt - so wird beispielsweise ein Fledermausruf mit 40 kHz zu einem hörbaren Signal von 4 kHz. Großer Nachteil: es geht viel Information über die Amplitude verloren, daher eignet sich diese Methode nur, um die prinzipielle Anwesenheit von Fledermäusen zu detektieren.
• Zeitdehnungsverfahren: hier wird der Fledermausruf aufgezeichnet und langsam wieder abgespielt. Diese Methode ist technisch recht aufwändig, erlaubt aber eine präzise Auswertung der aufgenommenen Rufe.
• Frequenzmischer: das eingehende Signal wird mit der Frequenz eines Oszillators gemischt. Das resultierende Signal ist die Differenz (und Summe) der beiden Signale. Bsp: ein 41 kHz-Fledermausruf wird mit einem 40 kHz-Signal gemischt - die 1 kHz-Differenz ist gut hörbar. Nach diesem Verfahren arbeitet auch das Radio.

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Ein sehr spannender Nachmittag erwartete uns heute:

Der Historiker, Gästeführer, Texter und Autor Matthias Freitag führte uns durch das document Kepler (Keplermuseum) in der Regensburger Altstadt) und erzählte über die damalige Weltanschauung, den Glauben und die Wissenschaft. Besonders ein kleiner Ausschnitt aus dem Dritten Buch von Johannes Kepler, der bekanntlich in Regensburg verstarb, interessierte die MINT-Girls besonders: die harmonices mundi.

Die promovierte Chemikerin Dr. Christine Thoms ist seit einigen Jahren aktives Mitglied der Sternwarte. Sie erklärte den mathematischen Hintergrund der harmonices mundi: die Bewegungen der Planetenbahnen nach Kepler.

Der Astronom und Naturphilosoph Johannes Kepler erkannte in den 1620er Jahren in den Bewegungen der Planeten drei Gesetzmäßigkeiten:

1. die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht
2. ein von der Sonne zum Planeten gezogener Fahrstrahl überstreicht in gleicher Zeit gleiche Flächen
3. die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die dritten Potenzen der großen Bahnhalbachsen

Robert Mayer (Bund für Vogelschutz Bayern) führte die MINT-Girls nach Donaustauf zur Fledermaus-Exkursion. Kurz unterhalb der Burgruine gingen wir leise ins Dach der Kirche St. Michael, wo sich eine größere Population Fledermäuse befindet.

Dieser Bereich ist normalerweise nicht zugänglich und geschützt - mit unserem Fledermausexperten aber war es möglich, die Elterntiere mit ihren Jungen zu beobachten und ihren Lauten zuzuhören.

Die MINT-Girls erprobten ihre Detektoren und versuchten, die Laute den jeweiligen Fledermausarten zuzuordnen. Während die Soziallaute zumeist im für Menschen hörbaren Bereich sind, hören wir die Radar-Rufe im Ultraschallbereich nicht ohne Frequenzumsetzer.

Von der "Gesprochenen Sprache" zur "Mündlichen Kommunikation" - so vieles ist dabei beteiligt, und der zu transportierende Inhalt, der Text, ist nur ein kleiner Teil davon.

In Vorbereitung auf ihre Präsentationsaufgaben - Vorträge, Moderationen, Poster - lernen die Teilnehmerinnen heute den unterschied zwischen visuellen, taktilen und auditiven Bereich der Gesprochenen Sprache.

Die Teilnehmerinnen teilen sich in drei Gruppen auf: die erste Gruppe arbeitet sich in das Thema der MIDI-Technik ein: Music Instrument Digital Interface. Musik wird zunächst (z.B. von einer MIDI-Tastatur) als Datenpaket in Form von Befehlsfolgen generiert. Die Befehle

NOTE ON; C4; NOTE OFF

entsprächen demnach dem Druck einer Taste am Klavier, um den Ton c der viergestrichenen Oktave zu erzeugen. Ein anderes Gerät, z.B. ein Synthesizer, erzeugt aus dieser digitalen Befehlsfolge dann erst den tatsächlichen Klang.

Der analoge Synthesizer Dark Energy II [Anleitung] besitzt einen Oszillator (VCO), der die passende Frequenz erzeugt. Der Ton kann über weitere langsame Oszillatoren (LFO) in Frequenz (FM) und Amplitude (AM) moduliert werden, um beispielsweise einen Vibratoeffekt zu erzeugen. Über ein Filtersystem (VCF) kann die Klangfarbe weiter eingestellt werden. Die Envelope des Signals (die "Anschlagsdynamik") kann über die Regler Attack, Decay, Sustain und Release beeinflusst werden.

Die Übertragung von Daten - beispielsweise die generierten MIDI-Daten - muss nicht zwangsweise kabelgebunden erfolgen. Neben Funkverfahren wie Bluetooth oder WLAN ist auch eine optische Datenübertragung möglich. Ein Sender nutzt hierbei das zu übertragende Signal, um damit eine Lichtquelle (z.B. LED oder Laser) zu modulieren.

Auf der Empfängerseite nimmt eine Photodiode das einfallende Licht auf und erzeugt daraus eine Spannung, die dem ursprünglichen Datensignal entspricht.

Optische Datenübertragung findet man im hochpreisigen HiFi-Bereich zwischen den einzelnen Komponenten oder beispielsweise in der Glasfasertechnik zur schnellen Übertragung des Internet.

MIDI-Daten können vielfältig generiert werden - beispielsweise mit einem MIDI-Keyboard. Genauso gut kann dafür die Unterbrechung einer Lichtschranke oder die Reflexion eines Lichtstrahls zu einem solchen digitalen MIDI-Signal führen.

Um beispielsweise eine Laserharfe zu ihren Tönen zu verhelfen, müssen zunächst Lichtstrahlen detektiert werden. Über eine Software werden anschließend aus diesem Lichtsignal MIDI-Befehlsfolgen erzeugt. Hierfür erlernen die Teilnehmerinnen der dritten Gruppe das Programmieren der Physical Computing Plattform Arduino.

Das Kepler-Sextett der MINT-Girls hat heute seine erste Probe. Unter der Leitung von Dr. Michael Braun, der das Stück nach Keplers Vorgaben komponierte, spielten Emma-Maria, Jelena, Ann-Kristin, Hannah, Mia, Kaja und Lilli.

Merkur - Violine
Erde - Trompete und Klarinette
Venus - Querflöte
Mars - Saxophon
Saturn - Gitarre
Jupiter - Cello

Die Hochschule für katholische Kirchenmusik & Musikpädagogik Hfkm ist neben der Universität und der Ostbayerischen Technischen Hochschule die dritte Hochschule in Regensburg.

Prof. Steven Heelein ist Dozent für Musiktheorie, Chor- und Orchesterleitung; er ist Komponist zahlreicher ausgezeichneter moderner Stücke und Performer bei "Ensemble fluide".

Mit den MINT-Girls hielt er einen Workshop zu Improvisation. Gemeinsam mit Stefan Shen übernimmt er die musikalische Leitung des diesjährigen Projekts.

Die MINT-Girls arbeiten heute zum Themenkomplex "chemische Kommunikation": wie funktionieren chemische Botenstoffe? Welche rolle spielen Hormone im menschlichen Körper?

Angeleitet von vier Studentinnen (Chemie Lehramt Gymnasium) wurden Experimente zu

• Allelochemikalien
• Blutzuckermessung
• NMR-Spektroskopie
• Schwangerschaftsnachweis

durchgeführt.

Magdalena Pree ist Luft- und Raumfahrttechnikerin beim DLR - und wurde beinahe die erste deutsche Astronautin: die private Initiative "Die Astronautin" hat sich zum Ziel gesetzt, auch Frauen ins All zu schicken. In mehreren Wettbewerben und Qualifikationsstufen kämpfte sich die Niederbayerin gegen über 400 hochqualifizierte Mitbewerberinnen hoch bis auf Platz vier.

Heute erzählte sie den MINT-Girls über diese Initiative sowie über das Galileo-Projekt, das schon Teil ihrer Abschlussarbeit an der TU München war.

Die Überraschung war perfekt: während sich die MINT-Girls auf der Brücke vorbereiteten kam plötzlich die Nachricht, dass es um 13:35 Uhr eine Live-Schaltung zur ISS geben soll. Von dieser Schaltung soll das Kepler-Sextett der MINT-Girls die letzten fünf Minuten vor dem Eintauchen in den Funkschatten der Erde bekommen!

Hektisch wurden alle Instrumente eingepackt und in den Konferenzraum gebracht, die Musikerinnen machten sich bereit - und dann spielten sie das Dritte Keplersche Gesetz - in einer Version von Dr. Michael Braun.

Im Anschluss an die Postervorträge, Livepräsentationen und das Keplerkonzert wurden die MINT-Girls eingeladen, sich in das DLR-Gästebuch einzutragen. Dies ist eine besondere Ehre, weil nur besonderen Ehrengästen dieses Privileg zuteil wird.

Die MINT-Girls sind jetzt in diesem Buch verewigt nur wenige Seiten hinter Alexander Gerst und Paolo Nespoli.

Ein großes Highlight war der Flugsimulator: alle MINT-Girls durften mit der DLR-Cesna am Flughafen Innsbruck abheben und eine Runde durch die Alpen fliegen!

Bürgermeisterin und Schirmherrin Gertrud Maltz-Schwarzfischer eröffnete die Abschlussveranstaltung. Im Anschluss sprachen als Hausherr der Präsident der Uni Regensburg, Prof. Dr. Udo Hebel, als Vertretung der Hochschulleitung der OTH Regensburg Frau Prof. Dr. Christine Süß-Gebhard sowie der Rektor der Hochschule für Katholische Kirchenmusik HfKM, Prof. Stefan Baier ein Grußwort.

Stellvertretend für die Frauenbeauftragten aller drei Regensburger Hochschulen begrüßte Prof. Dr. Ursula Regener die MINT-Girls

Das Keplersextett der MINT-Girls spielt das Dritte Keplersche Gesetz: Dr. Michael Braun von der Fakultät für Musikwissenschaften verfasste die musikalische Version der Planetenbewegung, wie Kepler sie in seinen harmonices mundi propagierte. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten in Perihel und Aphel der sechs Planeten (zur Zeit Keplers kannte man die weiteren Planeten noch nicht) entsprechen Intervallen in der Musik.

Auch die Planeten zueinander verhalten sich gemäß bestimmter Intervalle und lassen sich so vertonen.

Im Hintergrund lief ein Film, der den Inhalt des Musikstücks illustrierte.

Zur einfachen Übertragung von z.B. Musik mit Licht haben Ann-Kristin und Jelena einen Einfachen Licht-Sende-Empfänger (ELiSE) gebaut: das elektrische Signal (z.B. Musik vom Handy) moduliert über einen Transistor die Amplitude (Intensität) einer LED, die im Takt der Musik Licht abstrahlt.

Auf der Empfängerseite nimmt ein Phototransitor das Licht auf und wandelt es zurück in eine Spannung, die in einem NF-Verstärker auf ausreichende Signalstärke gebracht wird, um sie - wieder als Musik - hörbar zu machen.

Während des Improvisations-Abschlusskonzerts wurde die Musik der Laserharfe mit diesem Verfahren mittels eines Lasers durch den Hörsaal übertragen und am Zielort wieder hörbar gemacht.

Hannah und Ann-Kristin halten ein kurzes Referat über die Physik der Musik: transversale Wellen, also eine Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitung, entstehen auf Saiteninstrumenten. Von Stehenden Wellen spricht man, wenn die ein- und die auslaufende Welle am selben Ort Knoten haben - Musiker nennen das Flageolett, wenn sie bei 1/2, 1/3 oder 1/4 der Saitenlänge mit dem aufgelegten Finger einen künstlichen Knoten erzeugen.

Bei Blasinstrumenten werden longitudinale Schwingungen angeregt, d.h. die Luftsäule schwingt entlang ihrer Ausbreitungsrichtung. Auch hier können bei ganzzahligen Teilen der Luftsäulenlänge durch Überblasen harmonische Obertöne erzeugt werden.