De rode draad
Habitat
Een onderzoeksstation dat zichzelf in leven houdt, ontworpen in drie lagen
Stel je een klein onderzoeksstation voor op een afgelegen plek: geen stroomnet, geen waterleiding, geen supermarkt. Wat het station nodig heeft, moet het zelf opwekken, zuiveren, kweken, meten en regelen. Precies daarom is het een perfect STEM-project: je hebt élke leerlijn nodig. Echte stations bestaan: het Belgische poolstation Princess Elisabeth op Antarctica draait sinds 2009 op wind- en zonne-energie. In StemExpert bouw je je eigen Habitat, laag per laag.
laag 1 · Fundamental
De meetkas
De meetkas: een kleine kas die haar eigen klimaat meet, de planten automatisch water geeft en draait op een zonnepaneel.
- F1F1 Wat is STEM?de missie van Habitat en de eerste module: de meetkas
- F2F2 Onderzoeken: van vraag tot besluitonderzoeksvraag voor de meetkas: wat heeft een plant nodig om snel te groeien?
- F3F3 Meten: grootheden en eenhedende maten van de kas en het volume van het waterreservoir
- F4F4 Tabellen, grafieken en verbandeneen temperatuurverloop van een dag in de kas tekenen en lezen
- F5F5 Veilig werken in labo en werkplaatseen veiligheidsfiche voor de bouw van de meetkas
- F6F6 Het deeltjesmodelcondens op de kaswand: waar komt het water vandaan?
- F7F7 Massa, volume en dichtheidde massa van het water en de grond in de kas berekenen
- F8F8 Zuivere stoffen en mengselsvoedingsoplossing voor de planten: hoeveel gram per liter?
- F9F9 Mengsels scheideneen regenwaterfilter voor de kas ontwerpen
- F10F10 Materialen en hun eigenschappenmateriaalkeuze voor het kasframe en de wanden
- F11F11 Krachtenhoeveel weegt een volle plantenbak? mag hij op deze plank?
- F12F12 Hefbomen en mechanismeneen hefboom om het kasdak te openen
- F13F13 Constructies: sterk en stabieleen stevig en licht kasframe ontwerpen
- F14F14 Beweging en snelheidhoe snel stroomt water door de druppelslang?
- F15F15 Energie: vormen en omzettingende energieketen van zon tot plant in de kas
- F16F16 Warmte en temperatuurwaarom een kas warm wordt, en hoe je ze 's nachts warm houdt
- F17F17 Energie uit zon, wind en waterkiezen hoe de meetkas van energie voorzien wordt
- F18F18 De elektrische kringhet schema van de verlichting in de kas
- F19F19 Spanning, stroom en weerstandde stroom door een ledstrip meten en berekenen
- F20F20 Serie- en parallelschakelingsensoren en ledstrips correct aansluiten op één bron
- F21F21 Elektrisch vermogen en energiehet dagelijkse energieverbruik van de meetkas
- F22F22 Computationeel denkenhet algoritme 'water geven' in een stroomdiagram
- F23F23 Programmeren met blokkeneen simulatie van de kas in blokken
- F24F24 De microcontrollereen statuslampje dat toont of de kas water nodig heeft
- F25F25 Sensoren en automatisch regelenautomatisch water geven als de grond te droog is
- F26F26 Cellen en organismenbladcellen van een kasplant bekijken
- F27F27 Planten: fotosynthese en groeide groeiproef in de meetkas ontwerpen
- F28F28 Ecosystemen en kringlopende kas als klein ecosysteem: wat gaat erin, wat komt eruit?
- F29F29 Het lichaam als systeemlevensondersteuning: zuurstof, water en voedsel voor één bewoner
- F30F30 De ontwerpcyclushet programma van eisen van de meetkas
- F31F31 Technisch tekenende werktekening van de plantenbak
- F32F32 Van idee tot object: CAD en 3D-printeneen sensorhouder voor de kas ontwerpen en printen
- F33F33 Integratieproject: de meetkasde eerste module van Habitat is af
laag 2 · Intermediate
De klimaat- en energiemodule
De klimaat- en energiemodule: eigen zonnestroom met batterij, een waterkringloop met hydroponie, een geregeld klimaat en datalogging.
- I1I1 Meetfouten en nauwkeurigheidhoe betrouwbaar zijn de goedkope sensoren van de meetkas?
- I2I2 Experimenten ontwerpen en rapportereneen onderzoeksplan voor de klimaatmodule
- I3I3 Verbanden in dataeen sensor kalibreren met een rechte
- I4I4 Functies als modelleneen kostenmodel voor de klimaatmodule
- I5I5 Groei en verval: exponentiële modellenhoe snel algen groeien in het waterreservoir
- I6I6 Goniometrie en vectorende beste hellingshoek van het zonnepaneel
- I7I7 Beweging beschrijvende beweging van het automatische kasdak
- I8I8 De wetten van Newtonhoeveel kracht moet de dakmotor leveren?
- I9I9 Arbeid, energie en vermogenenergie om water naar een hoger reservoir te pompen
- I10I10 Moment en evenwichtde draagbalk van de watertank narekenen
- I11I11 Druk en hydraulicade druk onderaan de watertank en de keuze van de pomp
- I12I12 Atomen en het periodiek systeemwelke elementen een plant nodig heeft (N, P, K ...)
- I13I13 Chemische bindingen en stofeigenschappenwaarom zouten in water geleiden: EC meten in de voedingsoplossing
- I14I14 Reacties en stoichiometriehoeveel CO2 heeft de kas nodig, en waar komt die vandaan?
- I15I15 Zuren, basen en pHde pH van de voedingsoplossing bewaken
- I16I16 Redox en batterijenwelk batterijtype voor de klimaatmodule?
- I17I17 Polymeren en composietenwelk filament voor onderdelen die in de warme, vochtige kas staan?
- I18I18 Warmte berekeneneen watervat als warmtebuffer voor de nacht
- I19I19 Warmtetransport en isolatiehet warmteverlies van de klimaatmodule
- I20I20 Zonne-energie dimensionerenzonnepaneel en batterij van de klimaatmodule kiezen
- I21I21 De wetten van Kirchhoffde voeding van alle sensoren narekenen
- I22I22 De spanningsdeler en sensoreneen lichtsensor voor de kasverlichting
- I23I23 Halfgeleiders: diode, led en transistorde pomp aansturen vanuit de microcontroller
- I24I24 Condensatoren en de RC-tijdeen drukknop op het bedieningspaneel ontdenderen
- I25I25 Van analoog naar digitaalde kasverlichting traploos dimmen met PWM
- I26I26 Motoren en actuatorende motor van het kasdak kiezen en aansturen
- I27I27 Python: de basiseen Python-rekenhulp voor het energiebudget
- I28I28 Functies, lijsten en data in Pythonde sensordata van een week analyseren
- I29I29 Microcontrollers programmeren in C++de sturing van de klimaatmodule in C++
- I30I30 Datalogging en communicatieeen datalogger voor temperatuur, vocht, licht en energie
- I31I31 Regelsystemende verwarming en ventilatie van de klimaatmodule met hysterese
- I32I32 Toestandsmachinesde modi van de klimaatmodule: dag, nacht, alarm, onderhoud
- I33I33 Een mobiele roboteen inspectierobotje dat tussen de plantenbakken rijdt
- I34I34 Enzymen en stofwisselingde optimale temperatuur voor de planten, verklaard
- I35I35 Micro-organismen en biotechnologieeen compostvat dat afval omzet in voeding
- I36I36 Hydroponie en voedselproductiehet hydroponiesysteem van de klimaatmodule
- I37I37 Parametrisch ontwerpeneen parametrische behuizing voor de elektronica
- I38I38 Duurzaam ontwerpende klimaatmodule op duurzaamheid doorlichten
- I39I39 Data visualiseren en eerste stappen in AIeen beslisboom die voorspelt of de planten water nodig hebben
- I40I40 Integratieproject: de klimaatmodulede tweede laag van Habitat is af
laag 3 · Expert
Het brein van het station
Het brein van het station: een geïntegreerd, zelfsturend systeem met PID-regeling, energiebeheer, een sensornetwerk, een digitale tweeling en AI-voorspellingen, ontworpen volgens het V-model.
- E1E1 Afgeleiden: verandering metende opwarmsnelheid van de kas uit meetdata halen
- E2E2 Optimaliserende vorm van de watertank met het minste materiaal
- E3E3 Integralen: ophopende dagopbrengst van de zonnepanelen uit een vermogensgrafiek
- E4E4 Differentiaalvergelijkingen en simulatieeen eerste simulatie van de kastemperatuur
- E5E5 Vectoren en matriceseen netwerk van sensoren en voedingslijnen oplossen met matrices
- E6E6 Statistiek en meetonzekerheidis de nieuwe lamp echt beter? een statistisch onderbouwd antwoord
- E7E7 Sinusoïden, complexe getallen en fasorenvoorbereiding op de netomvormer van het station
- E8E8 Beweging in twee dimensiesde sproeier van het irrigatiesysteem
- E9E9 Impuls en botsingende bevoorradingsdrone die pakketten dropt
- E10E10 Rotatieeen vliegwiel als kortstondige energiebuffer?
- E11E11 Trillingen en resonantiede trillingen van de windturbine isoleren van het station
- E12E12 Sterkteleerde mast van de windturbine dimensioneren
- E13E13 Vakwerken en constructieanalysehet dakvakwerk van het station doorrekenen
- E14E14 Gassen en de gaswettende luchtsamenstelling in het station bewaken
- E15E15 De hoofdwetten van de thermodynamicade energiestromen van het station op een Sankey-diagram
- E16E16 Warmtepompen en koelenverwarmen met een warmtepomp: hoeveel stroom kost het?
- E17E17 Warmteoverdracht kwantitatiefhet warmtemodel van het station: de kern van de digitale tweeling
- E18E18 Stroming van vloeistoffen en gassenhet leidingnet en de pomp van de waterkringloop dimensioneren
- E19E19 Elektrische en magnetische velden, inductiehoe de windturbine stroom opwekt
- E20E20 Wisselstroomde omvormer tussen batterij en 230 V-apparaten
- E21E21 Filters en signaalverwerkingruis wegfilteren uit de sensorsignalen
- E22E22 Operationele versterkerseen krachtsensor (rekstrookje) voor het wegen van de oogst
- E23E23 Digitale logicaeen hardwarematige noodstop-logica voor het station
- E24E24 Vermogenselektronica en elektrische machinesde MPPT-lader van het zonnepark
- E25E25 Thermochemie en reactiesnelheidwaarom de compost in de winter stilvalt
- E26E26 Chemisch evenwichteen buffer die de pH van de hydroponie stabiel houdt
- E27E27 Elektrochemie: batterijen, brandstofcellen en elektrolyseseizoensopslag met waterstof: zinvol voor het station?
- E28E28 Materiaalkundemateriaalkeuze voor onderdelen die kou, zout en UV moeten doorstaan
- E29E29 DNA, genen en eiwittenwaarom sommige plantenrassen beter tegen koude kunnen
- E30E30 Biotechnologie en genetische techniekeneen snelle test op ziekteverwekkers in het water
- E31E31 Bioprocestechniekeen algenreactor die CO2 omzet in zuurstof
- E32E32 Ecologische modellende stabiliteit van het ecosysteem van het station simuleren
- E33E33 Het lichaam als regelsysteemeen gezondheidsmonitor voor de bewoners
- E34E34 Algoritmen en complexiteitde kortste route voor de inspectierobot door het station
- E35E35 Objectgericht programmeren en softwareontwerpde software van het station in klassen opdelen
- E36E36 Numerieke methoden en wetenschappelijk rekenende parameters van het warmtemodel fitten op meetdata
- E37E37 Embedded systemen en IoTeen draadloos sensornetwerk door het hele station
- E38E38 Dynamische systemen modellerenhet station als dynamisch systeem
- E39E39 PID-regelingPID-temperatuurregeling van het station
- E40E40 Sensorfusie en schattenbetrouwbare metingen, ook als een sensor faalt
- E41E41 Van data naar model: regressiehet energieverbruik van morgen voorspellen
- E42E42 Classificatie en clusteringzieke planten herkennen uit sensordata
- E43E43 Neurale netwerkeneen neuraal netwerk dat de zonne-opbrengst voorspelt
- E44E44 AI verantwoord inzettenmag de AI van het station zelf beslissen? een afwegingskader
- E45E45 Systems engineering en het V-modelde eisenboom van het brein van het station
- E46E46 Betrouwbaarheid en risicoeen FMEA van de klimaatregeling
- E47E47 Duurzaamheid en levenscyclusanalysede milieu-impact van het hele station
- E48E48 Technisch communiceren en projectmanagementhet projectplan voor het brein van het station
- E49E49 Integratieproject: het brein van het stationHabitat is compleet