Solarauto mit Riemenantrieb

Was das Kind lernt

• Dass ein Solarmodul Licht in Strom umwandelt und dass die Lichtmenge die Geschwindigkeit verändert.
• Was ein geschlossener Stromkreis ist und was passiert, wenn man die Polung eines Motors umkehrt (er dreht sich andersherum).
• Wie ein Riemenantrieb mit großer Riemenscheibe die Geschwindigkeit verringert und die Kraft erhöht (Übersetzung 1:7).
• Warum sich Achsen in einem Lager (dem Strohhalm) drehen sollten, um die Reibung zu verringern.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlage in 100 % (ohne „An Seite anpassen“) und prüfe mit einem Lineal, dass die rote Linie in der Kopfzeile 50 mm lang ist.
• Teste Modul und Motor, bevor du anfängst: Verbinde die Kabel und leg das Modul in die Sonne. Dreht sich die Welle nicht, liegt es an den Bauteilen, nicht am Auto.
• Bei kleinen Kindern: Durchbohre die 4 Flaschendeckel und schneide die Scheiben der Riemenscheibe schon vor der Einheit zu.
• Prüfe, dass sich der Spieß frei im Strohhalm dreht (wenn er reibt, nimm breitere Strohhalme).
• Such dir für den Test einen sonnigen Tag aus oder halte eine Halogen- oder Glühlampe mit 40–60 W bereit.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 1 Bogen, 20 × 25 cm
  einwellig, 3–4 mm dick (Versandkarton); glatt und ohne Knicke
• Plastik-Flaschendeckel — 4 (Räder)
  alle gleich, Ø 30 mm (Wasser- oder Limoflasche)
• Schaschlikspieße (Holzspieße) — 2
  Ø 3 mm, gerade (roll den Spieß über den Tisch: Wenn er „eiert“, sortier ihn aus)
• Strohhalme — 1–2
  gerade, Innen-Ø 5–6 mm (weiter als der Spieß)
• Mini-Solarmodul — 1 kaufen
  5–6 V, 100–200 mA, etwa 110 × 60 mm, mit angelöteten Kabeln (rot +, schwarz −)
• Solarmotor mit niedriger Anlaufspannung — 1 kaufen
  RF-300 oder „Solarmotor“ (läuft ab 0,4 V und ~25 mA an), Gehäuse Ø 24 mm, Welle 2 mm
• Kleines, dünnes Gummiband — 1 (Riemen) + 4 (Reifen)
  Riemen: Zahnspangen- oder Haargummi mit Ø 20–25 mm ungedehnt; Reifen: dünne Büro-Gummibänder
• Kabelisolierung — 1 Stück, 8 mm
  die Kunststoffhülle eines abisolierten Kabels, die stramm auf die Motorwelle passt (der Riemen greift besser)
• Doppelseitiges Klebeband — 2 Stücke à 3 cm
  zum Befestigen des Moduls (lässt sich wieder abnehmen und wiederverwenden)
• Heißklebesticks — 2
  für die Heißklebepistole
• Temperafarben oder Filzstifte — nach Belieben
  zum Verzieren am Schluss (das Modul nicht anmalen)

Werkzeuge

• Metalllineal und Bleistift — Linien anzeichnen und Maße prüfen
• Schere — die Vorlage und die Strohhalme zuschneiden
• Cuttermesser und Schneidematte — das Fahrgestell und den Schlitz für die Riemenscheibe schneiden Erwachsene
• 3-mm-Nagel und Hammer (oder Bohrmaschine mit 2,5-mm-Bohrer) — die Mitte der Flaschendeckel durchbohren Erwachsene
• Heißklebepistole — Räder, Riemenscheibe und Motor festkleben Erwachsene
• Klebestift — die Papiervorlage auf den Karton kleben

Teile und Vorlagen

• A · Fahrgestell ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• B · Modulhalterung (Brücke) ×1 — Wellpappe 3 mm
• C · Riemenscheibe: Seitenscheiben ×2 — Wellpappe 3 mm
• D · Riemenscheibe: Mittelscheibe ×1 — Wellpappe 3 mm
• E · Zentrierhilfe für Flaschendeckel ×4 — Papier (Karton ist nicht nötig)
• F · Vorderer Strohhalm (Lager) ×1 — Strohhalm Ø 6 mm
• G · Hintere Strohhalme (Lager) ×2 — Strohhalm Ø 6 mm
• H · Achsen ×2 — Schaschlikspieß Ø 3 mm

Schritt für Schritt

1. Teste die Bauteile

   Bevor du irgendetwas schneidest, verbinde das rote Kabel des Moduls mit einem Anschluss des Motors und das schwarze mit dem anderen (verdrill das Kupfer um den Anschluss). Leg das Modul in die Sonne: Die Motorwelle muss sich schnell drehen.

   Prüfe: Dreht er sich in direkter Sonne nicht, probiere einen anderen Motor oder ein anderes Modul: Mach erst weiter, wenn es funktioniert.
   Tipp: Kleb ein Stückchen Klebeband als „Fähnchen“ an die Motorwelle, dann siehst du gut, in welche Richtung sie sich dreht.

2. Klebe die Vorlage auf und schneide das Fahrgestell aus

   Klebe die Vorlage A mit dem Klebestift auf den Karton, mit den Kartonwellen quer. Schneide das Rechteck von 70 × 160 mm mit der Schere oder mit Cuttermesser und Lineal aus.

   Prüfe: Das Fahrgestell darf sich nicht verbiegen, wenn du es an einem Ende hältst.

3. Schneide den Schlitz für die Riemenscheibe Erwachsene

   Schneide mit dem Cuttermesser den markierten Schlitz von 14 × 30 mm neben dem Motorbereich aus. Schneide zuerst die beiden langen Seiten, dann die kurzen, ohne über die Ecken hinauszuschneiden.

4. Zeichne die Achsen auf der Unterseite an

   Dreh das Fahrgestell um. Zeichne mit dem Lineal eine Linie 30 mm von der Vorderkante entfernt und eine weitere bei 130 mm (an derselben Stelle wie die Linien der Vorlage). Dort kommen die Lager hin.

5. Klebe die Lager auf Erwachsene

   Schneide einen Strohhalm auf 70 mm zu (F) und klebe ihn auf die vordere Linie. Schneide zwei Stücke mit 37 mm und 17 mm zu (G) und klebe sie auf die hintere Linie; lass dabei die Lücke unter dem Schlitz frei. Nimm eine dünne Spur Heißkleber oder Klebeband darüber.

   Prüfe: Steck einen Spieß durch die Strohhalme: Er muss gerade durchgehen und sich mühelos drehen. Geht er schief hinein, löse den Halm und richte ihn mit dem Lineal neu aus.

6. Bau die Riemenscheibe

   Schneide die beiden Scheiben C (Ø 28 mm) und die Scheibe D (Ø 20 mm) aus. Stich alle drei mit der Spitze des Spießes in der Mitte durch. Klebe D genau mittig zwischen die beiden C, mit Bastelkleber oder wenig Heißkleber.

   Prüfe: Schau die Riemenscheibe von der Kante an: Die Scheiben müssen parallel und konzentrisch sein.

7. Durchbohre die Flaschendeckel Erwachsene

   Leg die Zentrierhilfe aus Papier (E) in jeden Deckel und markiere die Mitte. Leg den Deckel auf ein Holzbrett und durchbohre ihn mit einem 3-mm-Nagel (oder einem 2,5-mm-Bohrer). Das Loch muss knapp sein: Der Spieß soll stramm hineingehen.

   Tipp: Wird das Loch zu groß, gleicht das der Tropfen Heißkleber im nächsten Schritt aus.

8. Bau die Vorderachse ein Erwachsene

   Schneide einen Spieß auf 100 mm zu (H). Schieb ihn durch den vorderen Strohhalm. Steck auf jedes Ende einen Deckel, mit der Öffnung nach innen, und lass 2 mm Abstand zum Fahrgestell. Befestige jeden Deckel innen mit einem Tropfen Heißkleber.

   Prüfe: Dreh die Räder mit dem Finger an: Sie müssen von allein mehrere Umdrehungen machen. Bremsen sie, reibt der Deckel am Fahrgestell.

9. Bau die Hinterachse mit der Riemenscheibe ein Erwachsene

   Schieb den zweiten Spieß durch das erste Strohhalmstück, fädle die Riemenscheibe in der Lücke unter dem Schlitz auf und führe ihn weiter durch das zweite Stück. Klebe die Riemenscheibe genau unter dem Schlitz mit Heißkleber an die Achse. Setz die beiden Hinterräder wie im vorigen Schritt auf und klebe sie fest.

   Prüfe: Die Riemenscheibe muss sich im Schlitz drehen, ohne die Ränder zu berühren.

10. Zieh die Reifen auf

    Leg um jedes Hinterrad ein dünnes Gummiband, doppelt gewickelt, falls es zu locker sitzt. So drehen die Antriebsräder auf glatten Böden nicht durch.

11. Bereite Motor und Riemen vor

    Schieb das Stück Kabelisolierung (8 mm) auf die Motorwelle, damit der Riemen besser greift. Führe das kleine Gummiband durch den Schlitz, um die Riemenscheibe und dann über die Motorwelle.

    Tipp: Das Gummiband soll straff sein, den Motor aber nicht abwürgen: Wenn du das Rad mit der Hand drehst, muss sich die Motorwelle mitdrehen.

12. Befestige den Motor Erwachsene

    Leg den Motor liegend auf den markierten Bereich, mit der Welle genau über der Riemenscheibe. Schieb den Motor in die Gegenrichtung, bis das Gummiband straff ist, und klebe ihn mit zwei großen Punkten Heißkleber fest, einen auf jeder Seite des Gehäuses.

    Prüfe: Dreh ein Hinterrad mit der Hand: Das Gummiband muss die Motorwelle mitnehmen, ohne durchzurutschen. Rutscht es, leg ein Stückchen Karton unter den Motor (das spannt den Riemen).

13. Bau die Modulhalterung

    Rille die Falzlinien von Teil B mit einem leeren Kugelschreiber und dem Lineal. Falte es zu einer Brücke (Fuß – Bein – Dach – Bein – Fuß). Klebe die Füße auf die Linien bei 35 und 95 mm von der Vorderkante.

    Prüfe: Das Dach muss flach sein und 35 mm über dem Fahrgestell liegen.

14. Setz das Modul auf und schließ es an

    Klebe das Modul mit zwei Stücken doppelseitigem Klebeband auf das Dach. Führe die Kabel zum Motor und schließ sie an, indem du das Kupfer um jeden Anschluss drehst. Umwickle jede Verbindung mit Isolierband.

    Prüfe: Die Kabel dürfen weder die Räder noch den Riemen berühren: Befestige sie mit einem Stück Klebeband an der Halterung.

15. Erster Test in der Sonne

    Geh in die direkte Sonne und stell das Auto auf einen glatten Boden. Es muss in 1–2 Sekunden von allein losfahren. Fährt es rückwärts, vertausche die beiden Motorkabel.

16. Verziere es

    Mal Fahrgestell und Halterung mit Temperafarben oder Filzstiften an, ohne Modul oder Riemen zu berühren. Lass es 15 Minuten trocknen, bevor du es wieder testest.

Funktioniert es? Der Test

Markiere in direkter Sonne auf glattem Boden (Terrasse, Flur, Hof) einen Start und ein Ziel im Abstand von 2 m. Stopp die Zeit für die Strecke.

Was passieren soll: Mit einem Modul von 5 V / 150 mA in voller Sonne schafft das Auto 2 m in etwa 5–10 s (0,2–0,4 m/s). Bei Wolken wird es deutlich langsamer oder bleibt stehen; im Schatten bleibt es stehen.

Wenn etwas nicht klappt

• Der Motor dreht sich, aber das Auto fährt nicht — Der Riemen rutscht auf der Motorwelle oder auf der Riemenscheibe durch. Lösung: Schieb die Kabelisolierung auf die Motorwelle, nimm ein kleineres Gummiband oder leg ein Stück Karton unter den Motor, um zu spannen.
• Der Motor dreht sich nicht einmal in der Sonne — Lockeres Kabel, ein Motor, der zu viel Strom braucht, oder ein zu kleines Modul. Lösung: Prüfe die Verbindungen; teste Modul und Motor allein. Nimm einen Motor mit niedriger Anlaufspannung (RF-300). Ein normaler Spielzeugmotor läuft mit einem Mini-Modul nicht an.
• Der Motor versucht sich zu drehen, bleibt aber stecken — Riemen zu straff oder Achsen, die reiben. Lösung: Lockere den Riemen (setz den Motor tiefer) und prüfe, dass sich jedes Rad mit dem Finger frei drehen lässt.
• Das Auto fährt rückwärts — Die Polung des Motors ist vertauscht. Lösung: Vertausche die beiden Motorkabel.
• Es fährt schief — Achsen nicht parallel oder Deckel nicht mittig durchbohrt. Lösung: Prüfe mit dem Lineal, dass die Strohhalme auf beiden Seiten bei 30 und 130 mm liegen. Tausche den Deckel aus, der „eiert“.
• Im Haus funktioniert es nicht — LED-Licht oder Licht durchs Fenster hat nicht genug Energie. Lösung: Teste es in direkter Sonne oder mit einer Halogen-/Glühlampe mit 40–60 W in 15 cm Abstand (nicht anfassen: sie ist heiß).

Sicherheit

• Deckel mit Nagel und Hammer oder Bohrmaschine durchbohren: immer ein Erwachsener, mit dem Deckel auf einem Holzbrett.
• Heißkleber verbrennt die Haut: Der Erwachsene klebt, das Kind zeigt, wohin.
• Das Cuttermesser benutzt ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte.
• Schau nicht in die Sonne und richte das Modul nicht so aus, dass Spiegelungen jemandem in die Augen fallen.
• Halogenlampen werden heiß: Halte sie mindestens 10 cm vom Karton entfernt.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Das Solarmodul ist wie ein Pflanzenblatt, das Licht frisst: Wenn die Sonne darauf scheint, schiebt es Strom durch die Kabel. Dieser Strom lässt den Motor sehr, sehr schnell drehen, aber mit wenig Kraft, wie eine kleine Maus, die rennt. Das Gummiband und das große Papprad machen aus dieser schnellen Drehung eine langsamere, aber kräftigere, so wie wenn du mit dem Fahrrad im leichtesten Gang einen Berg hochfährst. Deshalb gilt: Je mehr Sonne, desto schneller fährt das Auto.

Für Erwachsene

Die Siliziumzellen des Moduls erzeugen einen Strom, der proportional zur Bestrahlungsstärke ist (≈ 1000 W/m² in voller Sonne; zehnmal weniger bei Wolken). Ein Mini-Modul von 110 × 60 mm liefert höchstens ≈ 0,5–1 W. Ein Gleichstrommotor dreht umso schneller, je höher die Spannung ist, und sein Drehmoment ist proportional zum Strom; bei so wenig Leistung brauchen wir einen Motor mit niedriger Anlaufspannung (hochohmige Wicklung und wenig Reibung) und eine mechanische Untersetzung. Der Riemen zwischen der Welle mit Ø 3 mm und der Riemenscheibe mit Ø 20 mm ergibt eine Übersetzung von ≈ 1:7: Die Hinterachse dreht sich 7-mal langsamer als der Motor, aber mit ≈ 7-mal mehr Drehmoment (abzüglich Verlusten), genug, um den Rollwiderstand eines Autos von ≈ 60 g zu überwinden. Die Strohhalme wirken als Lager: Der Spieß berührt den Halm nur entlang einer Linie, was die Reibung gegenüber einem Loch im Karton verringert. Kehrt man die Polung um, kehrt sich die Stromrichtung um und damit auch die Drehrichtung des Motors.

• Solarmodul: Platte, die Licht in Strom umwandelt.
• Stromkreis: geschlossener Weg, auf dem der Strom von einem Pol zum anderen fließt.
• Riemenscheibe: Rad mit einer Rille, in der ein Riemen oder eine Schnur läuft.
• Untersetzung: Antrieb, der etwas langsamer, aber mit mehr Kraft drehen lässt.
• Lager: Teil, in dem sich eine Achse mit wenig Reibung dreht (hier der Strohhalm).

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene bereitet Fahrgestell, Riemenscheibe, durchbohrte Deckel und den festgeklebten Motor vor. Das Kind klebt die Strohhalme mit Klebeband auf, fädelt Achsen und Räder auf, schließt die Kabel an (durch Verdrillen) und verziert. Konzentriere dich auf „mehr Sonne = schneller“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alle Schritte selbst und brauchen nur beim Cuttermesser, Bohren und Heißkleber Hilfe. Lass sie herausfinden, warum der Riemen rutscht und wie man das behebt.
• 11–12 Jahre: Sie sollen ihre eigene Karosserie entwerfen und die Geschwindigkeit (m/s) unter verschiedenen Bedingungen messen und ein Diagramm zeichnen. Challenge: die Übersetzung berechnen und drei verschiedene Riemenscheiben ausprobieren.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams aus 2–3 Kindern, ein Auto pro Team (≈ 6–10 € für Bauteile pro Auto). Vor der Einheit: alle Deckel durchbohren, die Fahrgestelle vorschneiden und jedes Paar aus Modul und Motor testen. Einheit von 90 min: 10 min Vorführung, 60 min Bauen, 20 min Rennen im Hof auf einer mit Kreide markierten 2-m-Strecke. Halte 2–3 Ersatzmotoren und Gummibänder bereit.

Challenges

• Bring das Auto dazu, eine Rampe mit 10° hochzufahren (eine schräg gestellte Mappe).
• Füge ein zweites Modul parallel hinzu (Rot an Rot, Schwarz an Schwarz) und vergleiche die Kraft an der Rampe.
• Entwirf eine Karosserie, die weniger als 15 g wiegt und keinen Schatten auf das Modul wirft.
• Bau ein Auto, das im Kreis fährt: Was musst du an der Vorderachse ändern?

Weitere kostenlose Projekte

• Ballonrakete an der Schnur
• CD-Luftkissenboot
• Papierflieger-Gleiter
• Druckluft-Raketenwerfer
• Gummimotor-Auto
• Luftballon-Auto
• Rakete aus Essig und Natron
• Pop-Pop-Boot mit Teelicht

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