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Nachhaltigkeit und Ressourceneinsparung sind die Themen der Stunde. Vor allem die Bauindustrie hat ein großes Potenzial, umweltfreundlicher zu agieren, da dieser Industriezweig einer der größten Kohlenstoffdioxid-Emitter ist. Durch die Verlängerung der Lebenszeit von Bauwerken und die Einsparung von Baumaterialien kann nachhaltiger und ressourcenschonender gearbeitet werden. Eine Möglichkeit, diese Ziele zu erreichen ist der Einsatz alternativer Beton-Bewehrungen. Der Grundbaustoff Beton hat sehr gute Druckfestigkeiten, weist allerdings Defizite bei der Zugfestigkeit auf. Zur Verbesserung der Zugfestigkeit wird dem Beton ein Material mit hoher Zugfestigkeit beigemischt. Dieses wird „Bewehrung“ genannt. Stand der Technik in der Bauindustrie ist momentan die Bewehrung mit Stahlstäben und -matten. Der Stahl begrenzt allerdings die Lebenszeit von Bauwerken, da es durch das Eindringen von Chloriden, Sulfaten oder Kohlendioxid früher oder später zu Korrosion kommt. Um den Korrosionszeitpunkt hinauszuzögern, verwendet die Industrie eine dicke Betonschutzschicht, um den Stahl zu schützen. Die Verwendung einer korrosionsbeständigen alternativen Bewehrung würde die Lebensdauer (Dauerhaftigkeit) von Bauwerken steigern und gleichzeitig eine Verringerung der verwendeten Baumaterialien bewirken. Dies würde einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Bauindustrie leisten. Eine Substanz, die als Bewehrungsmaterial eingesetzt werden kann, ist Polypropylen (PP). Polypropylen ist ein sehr korrosionsbeständiges Polymer, das die gerade beschriebenen Effekte erzielen würde. Allerdings ist Polypropylen als Standardmaterial nicht für die Bewehrung von Beton geeignet. Seine mechanischen Eigenschaften sind nicht vergleichbar mit denen von Baustahl. Gleichzeitig ist die Adhäsion von Polypropylen zu Beton nicht ausreichend, um eine effiziente Verstärkung erzielen zu können. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Lösungswege zu entwickeln, wie aus PP eine alternative Betonbewehrung hergestellt werden kann. Zuerst wurde sowohl das Problem der niedrigen mechanischen Eigenschaften von Polypropylen als auch die Schwierigkeit der geringen Adhäsion zu Beton getrennt untersucht. Im Anschluss wurden Methoden eruiert, mithilfe derer eine Kombination der mechanischen Eigenschaften mit der Adhäsion zu Beton bei gleichbleibenden Eigenschaften möglich ist. Hierfür wurde ein Reaktivextrusions- und ein Co-Extrusionsprozess untersucht. Die Zugfestigkeit von Polypropylen kann durch eine starke Orientierung der Molekülketten signifikant erhöht werden. Der dafür nötige Verstreckungsprozess ist die Basis für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. In einem ersten Schritt wurden verschiedene PP-Typen auf deren Verstreckbarkeit untersucht und in der Folge mit makroskopischen und nanoskaligen Füllstoffen ausgerüstet, um so die Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul zu steigern. Im zweiten Schritt wurde der Einfluss von mehreren aufeinander folgenden Verstreckungsstufen auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die hohe chemische Stabilität von PP verhindert eine gute Adhäsion zu Beton. Folglich wurde die natürliche Adhäsion von verschiedenen Polymeren zu Beton untersucht, um mögliche andere Polymere als Additive zur Adhäsionsverbesserung zu identifizieren. Der Unterschied in der Polarität zwischen Beton und PP ist sehr hoch, weshalb der Einfluss einer Hydrophilierung von PP auf die Adhäsion zu Beton durch Van der Waals Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen analysiert wurde. Dies berücksichtigend konnte ein Reaktivextrusionsprozess mit einem Vinylsilan entwickelt werden, der eine kovalente Bindung von PP zu Beton ermöglicht. Um eine optimierte PP-Faser zur Bewährung von Beton zu erhalten, mussten die zuvor erlangten Erkenntnisse hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Adhäsion zu Beton in einer Faser vereint werden. Diesbezüglich wurde einerseits die Reaktivextrusion mit Füllstoffen und einem angepassten Verstreckungsprozess optimiert. Andererseits wurden verschiedene Materialien in einem Co-Extrusionsprozess kombiniert. ,Eine wichtige Erkenntnis besteht darin, dass eine Faser mit einer Verbundaußenschicht aus silanisiertem PP und Holzfasern in Kombination mit einem optimierten Verstreckungsprozess, eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Adhäsion zu Beton erzielt. Zur differenzierten Beurteilung der Ergebnisse wurde ein spezieller Testaufbau basierend auf einem Einzelfaserauszugstest entwickelt, der die verschiedenen Adhäsionsmechanismen einer modifizierten PP-Faser zu Beton unterscheiden kann und dadurch wiederum eine Modifizierung der Faser speziell auf einzelne Adhäsionsmechanismen ermöglicht. Zusammenfassend konnten mit dieser Arbeit mehrere Lösungsansätze aufgezeigt werden, wie eine alternative Bewehrungsfaser für Beton aus Polypropylen hergestellt werden kann., Sustainability and resource efficiency receive more and more attention. Especially in civil engineering the gain for the environment can be very high, as this industry is one of the leading emitters of carbon dioxide on the planet. By increasing the building lifetime resources and carbon dioxide can be reduced. The actual problem in building lifetime is the corrosion of steel reinforcement bars. To prevent or at least postpone the corrosion of the steel reinforcement the industry adds thick concrete protective layers. Concrete itself has a very high compressive strength, however it lacks the tensile strength to withstand tensile force within a building. To prevent damage a reinforcement is needed. As steel is prone to corrosion researchers are looking for an alternative. By using a corrosion resistant material the protective concrete layers are unnecessary. This would result in a high resource reduction. Also, the building life time would be greatly increased and replacements for constructions would be less frequent. In total, an alternative concrete reinforcement would have a high impact on the sustainability and resource usage in civil engineering and building constructions. Polypropylene (PP) is a chemical stable material and does not corrode in most environments. A concrete reinforcement produced out of PP would install the afore mentioned properties in a concrete building. However, PP does not have comparable mechanical properties to the steel used for standard concrete reinforcements. But even if PP would achieve mechanical properties comparable to steel, the apolar nature of PP hinders interaction with concrete and prevents a good adhesion between PP and concrete. This thesis investigates different solutions to engineer a fiber from PP to be used as reinforcement for concrete. The topics mechanical properties and adhesion to concrete are investigated separately in a first step. In a second step different ways to combine both high mechanical properties and adhesion to concrete are presented. The mechanical properties of a semi crystalline polymer can be greatly increased by installing a high orientation in the molecular chains. This process is called “ultimate drawing” and is basis for increased mechanical properties in this thesis. Firstly, the best suited PP-type for ultimate drawing is investigated. In another step macro and nano sized fillers are tested on their influence on the ultra drawn structure and resulting mechanical properties of PP fibers. Furthermore, insight on the influence between single and multistage drawing on both neat and filled PP is generated. The chemical difference between PP and concrete causes a bad adhesion between the two materials. Different polymers besides PP are investigated on their natural adhesion to concrete and evaluated to be used as a substitute to PP. By increasing the polarity of PP it is attempted to lower the difference in polarity between PP and concrete and install an adhesion by Van-der-Waals-forces and hydrogen bridges. In another attempt PP is chemically modified with silanes to create a side chain grafted polymer with the ability to covalently bond to concrete. Finally, both fibers with high mechanical properties and high adhesion to concrete are combined via reactive extrusion or co-extrusion. In the same reactive extrusion process as used for side chain grafting of PP, fillers are integrated to improve the mechanical properties. The result is a fiber with good mechanical properties by filler addition and multistage drawing and high adhesion to concrete by covalent bonding. In the co-extrusion process the fiber core provides high mechanical properties and the shell structure is used to assure a good adhesion to the concrete matrix. In the shell both copolymeric materials based on ethylene and fillers and the silane side chain modified PP are used to increase the adhesion to concrete. It could be found, that with both ways fibers with good mechanical properties and good adhesion to concrete could be produced. The best results could be achieved with a co-extruded PP fiber containing wood fibers and functional silane groups in the shell by a multistage drawing process. Throughout the thesis a single fiber pull-out test is used to investigate the adhesion to concrete. However, the standard test does limit the information gained on each modification. To the pull-out test setup Linear Variable Differential Transformer were added to get more insight in the different adhesion mechanisms occurring in the pull-out test. Now it is feasible to test modifications on their impact on each adhesion mechanism. This thesis states different promising methods to produce an alternative concrete reinforcement from Polypropylene.

Curatively resected solid cancers often relapse with distant metastasis (the bone being among the preferred sites), despite systemic administration of molecularly tailored (neo)adjuvant or chemo-therapies. Outgrowth of tumor cells disseminated to secondary organs might not occur instantly, with recurrences ranging from years to decades, pointing to the fact that a number of these cells might go into a drug-resistant state of dormancy. The rarity and complexity associated with detection, isolation and analysis of disseminated tumor cells (DTCs) in disease-free patients have called for an urgent need to develop in vitro culture systems to artificially mimic this asymptomatic state of cancer metastasis, therefore enabling scalable drug screening campaigns to identify drugs able to target DTCs. Recent studies have found dense extracellular matrix (ECM) confining individual disseminated cancer cells, hinting to ECM-mediated mechanical confinement to be a plausible mechanism inducing cancer dormancy. Here we engineered a quiescence-inducing three-dimensional (3D) engineered matrix using ultraviolet (UV) light-initiated covalently-crosslinked thiol-ene alginate hydrogels, which generates mechanical confinement inducing growth arrest of weakly and highly metastatic breast cancer cell lines. After extensive material characterization of the engineered platform, as well as thorough phenotypic profiling (i.e. viability, metabolic activity, cell cycle state, proliferation, drug sensitivity) of the encapsulated cells, we looked at the biophysical properties of these growth-arrested cells with state-of-the-art contact/label-free techniques. Specifically, we quantitatively mapped the 3D mass density distribution of encapsulated human breast cancer cells (BCCs) MDA-MB-231, using a combined optical diffraction tomography (ODT)-epifluorescence microscope. We then mapped the 3D viscoelastic properties of these cells via Brillouin spectroscopy. Surprisingly, and in contrast to cells adhering to 2D substrates, the nuclei of cells in 3D revealed a higher mass density, as well as higher stiffness and viscosity compared to the cytoplasm. Next, we moved to a more molecular characterization (i.e. immunostaining of selected molecules, RNA seq) of growth-arrested cells. We showed that our artificial quiescence-inducing matrix selects for distinct populations of growth-arrested cells, with cells in the G0/G1 cell cycle phase being more resistant to confinement. Combined with RNA sequencing, we revealed a stiffness-dependent nuclear localization of the four-and-a-half LIM domains 2 (FHL2) protein as an underlying mechanism of quiescence, which led to a p53-independent p21Cip1/Waf1 expression, validated in human and murine tissue. Suggestive of a resistance-causing role, quiescent cells became sensitive against drug treatment upon FHL2 downregulation, evidencing the potential of our approach as a tool for the identification and targeting screens for novel compounds suited to eradicate potentially relapsing DTCs. Finally, we sought to observe how DTCs behave in the bone in a more physiologically relevant system. Building on a growing body of evidence suggesting the existence of parallels between DTCs and quiescent hematopoietic and progenitor stem cells (HSPCs), we seeded DTCs within a 3D hydroxyapatite-coated zirconium oxide scaffold pre-seeded with primary human mesenchymal stromal cells (MSCs) and human cord blood-derived multipotent HSPCs. Interestingly, we detected BCCs and HSPCs entrapped in a web-like network of fibronectin, with BCCs leaning towards a slow-proliferative state, hinting at a potential quiescence-inducing role for the bone microenvironment. Despite the inherent complexities associated with the molecular characterization of biological processes, viewing these phenomena from a physical perspective allows for a more global description, independent from many details of the systems. By drawing parallels with clinical and experimental data, and building on thermodynamic phase separation concepts, we classified microenvironmental-mediated dormancy mechanisms in terms of nucleation processes based on three distinct classes of interactions: (i) cells adhering to a wetting flat surface in the form of a spherical cap (ii) a spherical droplet enclosed by an elastic sheath as a mechanical interpretation of extracellular matrix (ECM)-mediated confinement, and (iii) a spherical droplet with size-dependent limited growth due to lack of nutrients and oxygen, leading to cell apoptosis deep inside the tissue. We then advance the notion that local energy minima, or metastable states, emerging in the tissue droplet growth kinetics can be considered proxies of dormant states. Despite its simplicity, the provided framework captures several aspects associated with cancer dormancy and tumor growth., Bei kurativ resezierten soliden Tumoren kommt es trotz systemischer Verabreichung molekular adaptierter (neo)adjuvanter Behandlungen oder Chemotherapien häufig zu einem Rückfall mit Metastasen in anderen Organen (wobei Knochen zu den am häufigsten betroffenen Organen gehören). Die Bildung von Metastasen in sekundären Organen erfolgt möglicherweise nicht sofort, sondern kann Jahre bis Jahrzehnte dauern, was darauf hindeutet, dass eine Reihe der Krebszellen in einen arzneimittelresistenten Ruhezustand übergeht. Durch die Seltenheit und die Komplexität, die mit dem Nachweis, der Isolierung und der Analyse von disseminierten Tumorzellen (DTCs) in symptomfreien Patienten verbunden sind, ist es dringend notwendig, in-vitro-Kultursysteme zu entwickeln, die diesen asymptomatischen Zustand der Krebsmetastasierung künstlich nachahmen. Dadurch werden skalierbare Wirkstoffscreening-Kampagnen zur Identifizierung von Medikamenten ermöglicht, die gegen DTCs gerichtet sind. Jüngste Studien haben gezeigt, dass eine dichte extrazelluläre Matrix (ECM) einzelne disseminierte Krebszellen einschließt, was darauf hindeutet, dass die ECM-vermittelte mechanische Einschließung ein plausibler Mechanismus ist, der die Krebszellenruhe auslöst. Wir haben eine Ruhe-induzierende 3D-Matrix unter Verwendung von kovalent vernetzten Thiol-En-Alginat-Hydrogelen mit ultraviolettem (UV) Licht entwickelt, welche einen mechanischen Einschluss erzeugt, der das Wachstum von schwach und stark metastasierenden Brustkrebszelllinien blockiert. Nach einer umfassenden Materialcharakterisierung der entwickelten Plattform sowie einer gründlichen phänotypischen Beschreibung (d.h. Viabilität, Stoffwechselaktivität, Zellzykluszustand, Proliferation, Medikamentenempfindlichkeit) der eingekapselten Zellen haben wir die biophysikalischen Eigenschaften dieser wachstumsfixierten Zellen mit modernsten kontakt- und markierungsfreien Techniken untersucht. Insbesondere haben wir die 3D Massendichteverteilung der eingekapselten menschlichen Brustkrebszellen (BCC) MDA-MB-231 mit einer kombinierten optischen Beugungstomographie (ODT) und Epifluoreszenz- Mikroskop quantitativ ausgewertet. Anschließend haben wir die viskoelastischen 3D-Eigenschaften dieser Zellen mittels Brillouin-Spektroskopie erfasst. Im Gegensatz zu Zellen die auf 2D Substraten haften, wiesen die Kerne von Zellen in der 3D Umgebung überraschenderweise eine höhere Massendichte sowie eine höhere Steifigkeit und Viskosität im Vergleich zum Zytoplasma auf. Als Nächstes sind wir zu einer molekularen Charakterisierung (d. h. Immunfärbung ausgewählter Moleküle, RNA-Sequenzierung) von Zellen mit Wachstumsstillstand übergangen. Wir konnten zeigen, dass unsere künstliche, Ruhe-induzierende Matrix unterschiedliche Populationen von wachstumsgestoppten Zellen selektiert, wobei Zellen in der G0/G1-Zellzyklusphase resistenter gegen die Blockade sind. In Kombination mit der RNASequenzierung konnten wir eine steifigkeitsabhängige Kernlokalisierung des Proteins ‚Four-and-a-half LIM-Domains 2‘ (FHL2) als zugrundeliegenden Mechanismus des Ruhezustandes nachweisen. Diese Lokalisation führt zu einer p53-unabhängigen p21Cip1/Waf1-Expression, welche in menschlichem und murinem Gewebe validiert wurde. Die ruhenden Zellen reagieren nach der Herunterregulierung von FHL2 empfindlich auf eine medikamentöse Behandlung, was auf eine resistenzverursachende Rolle von FHL2 hindeutet und das Potenzial unseres Ansatzes als Instrument für die Identifizierung und gezielte Suche von neuen Wirkstoffen zur Ausrottung potenziell rezidivierender DTCs belegt. Schließlich wollten wir in einem physiologisch relevanteren System beobachten, wie sich DTCs im Knochen verhalten. Aufbauend auf einer wachsenden Zahl von Hinweisen auf Parallelen zwischen DTCs und ruhenden hämatopoetischen Vorläufer-Stammzellen (HSPCs) haben wir DTCs in ein mit primären humanen mesenchymalen Stromazellen (MSCs) und multipotenten HSPCs, aus menschlichem Nabelschnurblut, vorbesiedeltes 3D Hydroxylapatitbeschichtetes Zirkonoxid-Gerüst ausgesät. Interessanterweise können wir BCCs und HSPCs nachweisen, die in einem spinnwebenartigen Netzwerk aus Fibronektin eingeschlossen sind, wobei die BCCs zu einem langsam proliferativen Zustand neigen, was auf eine potenziell ruhezustandsfördernde Rolle der Knochenmikroumgebung hindeutet. Trotz der inhärenten Komplexität, die mit der molekularen Charakterisierung biologischer Prozesse verbunden ist, ermöglicht die Betrachtung dieser Phänomene aus einer physikalischen Perspektive eine globalere Beschreibung, die von vielen Details der Systeme unabhängig ist. Durch das Ziehen von Parallelen von klinischen und experimentellen Daten und aufbauend auf thermodynamischen Phasentrennungskonzepten haben wir die durch die Mikroumgebung vermittelten Ruhemechanismen in Form von Keimbildungsprozessen klassifiziert, die auf drei verschiedenen Klassen von Wechselwirkungen basieren: (i) Zellen, die an einer benetzenden flachen Oberfläche in Form einer kugelförmigen Kappe haften, (ii) ein kugelförmiges Tröpfchen, das von einer elastischen Hülle umschlossen wird, als mechanische Interpretation der durch die extrazelluläre Matrix (ECM) vermittelten Begrenzung, und (iii) ein kugelförmiges Tröpfchen mit größenabhängig begrenztem Wachstum aufgrund von Nährstoff- und Sauerstoffmangel, was zur Zellapoptose tief im Gewebe führt. Anschließend stellen wir die These auf, dass lokale Energieminima oder metastabile Zustände, die in der Wachstumskinetik des Gewebetropfens auftreten, als Stellvertreter für ruhende Zustände betrachtet werden können. Trotz seiner Einfachheit erfasst das vorgestellte Modell mehrere Aspekte im Zusammenhang mit Krebsruhezuständen und Tumorwachstum.

In this thesis, the systems architecture of TUBiX20, a modular microsatellite platform family targeting a broad variety of missions in the range of 10 to 50 kilogram launch mass, is investigated. The author analyses the performance requirements for the individual subsystems for such a flexible and scalable platform and develops detailed technical solutions for their implementation taking into account aspects such as failure tolerance. The architecture designed for the platform is based on a central power and data bus system that interconnects a number of computing nodes, which also act as an interface to components such as sensors or actuators. In this way, the interface provided by the individual components is decoupled from the standardised interface of the platform, so that new components can be integrated without major modifications of the platform itself. Furthermore, three exemplary spacecraft utilising the TUBiX20 platform are analysed with respect to the advantages resulting from the selected architecture. TechnoSat and TUBIN were launched into orbit in 2017 and 2021, respectively, while QUEEN is still under development. The experience gained during the realisation of the first two missions resulted in a number of modifications in the platform’s architecture and implementation, which were taken into account for QUEEN., Die Dissertation untersucht die Systemarchitektur von TUBiX20, einer Mikrosatellitenplattform für ein breites Spektrum von Missionen mit einem Startgewicht zwischen 10 und 50 Kilogramm, welche an der Technischen Universität Berlin entwickelt wurde. Der Autor analysiert zunächst anhand aktueller und zukünftiger Missionen aus verschiedenen Anwendungsgebieten die Leistungsanforderungen an die einzelnen Subsysteme einer solchen Plattform. Basierend auf dieser Analyse wird die Systemarchitektur der Plattform definiert und es werden technische Detaillösungen für die Subsysteme entworfen. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf Aspekten der Fehlertoleranz wie zum Beispiel durch die Implementierung von Redundanzen. Das Systemdesign der Plattform basiert auf einem Netzwerk aus kaltredundant ausgelegten Rechen- und Ansteuerungsknoten, welche über eine einheitliche Schnittstelle mit einem redundanten Daten- und Spannungsversorgungsbussystem verbunden sind. Dabei wird die Redundanz des Datenbusses und aller Knoten im System durch das Energieversorgungssystem gesteuert, welches dazu seinerseits warmredundant implementiert ist. Dieser Ansatz entkoppelt die Schnittstellen der angebundenen Komponenten, wie Sensoren oder Aktuatoren, effektiv von den standardisierten Schnittstellen der Plattform, sodass neue Komponenten eingebunden werden können ohne die Plattform selbst anpassen zu müssen. Zudem verringert eine Reduktion an angeschlossenen Komponenten hier auch effektiv die Komplexität der spezifischen Plattformimplementierung. Mit TechnoSat und TUBIN wurden bereits zwei Missionen auf Grundlage der TUBiX20-Plattform implementiert und in den Orbit verbracht. Die Erfahrungen aus der Umsetzung dieser Missionen wurden in der Arbeit aufgegriffen und in das Design der Plattformarchitektur eingebracht. Mit QUEEN ist eine weitere Mission beschrieben, welche sich derzeit in der Entwicklung befindet und die beschriebene Weiterentwicklung der Plattform bereits implementiert.

Die geringe Dichte von Magnesiumlegierungen macht diese zu idealen Werkstoffen für die Gewichtsreduzierung von Bauteilen. Der Einsatz von Magnesiumflachprodukten ist aufgrund der begrenzten Umformbarkeit bei Raumtemperatur und der Anisotropie der mechanischen Eigenschaften schwierig. Der Grund für die limitierte Umformbarkeit ist die hexagonale Kristallstruktur von Magnesium und die bei einer Massivumformung entstehende Ausbildung einer starken kristallographischen Textur. Für eine Verbesserung der Umformeigenschaften von Flachprodukten ist es daher wichtig zu verstehen, wie die Mikrostruktur und Textur durch die Legierungselemente in Abhängigkeit des Herstellungsprozesses beeinflusst wird. In der vorliegenden Arbeit wurden Flachprodukte unter Variation der Prozesstemperatur zum einen über den konventionellen Walzprozess und zum anderen mittels direktem Strangpressverfahren hergestellt. Der tragende Mechanismus für die Gefügeentwicklung ist beim Walzen die statische Rekristallisation (SRX) und beim Strangpressen die dynamische Rekristallisation (DRX). Der Legierungseinfluss wurde auf Basis einer yttriumhaltigen Magnesiumlegierung, der Zn, Mn, Ca in geringen Mengen zulegiert wurden, analysiert (W1, WZ10, WZM100, WZX100, WZMX1000). Als Vergleichslegierung wurde AZ31 gewählt, um den Einfluss von SE auf die RX-Mechanismen auszuschließen. Eine systematische Analyse aller Zustände fand mittels metallographischen Gefügeanalysen und XRD-Texturmessungen statt. EBSD-Messungen an ausgewählten Zuständen dienten dazu, zwischen relevanten Gefügefraktionen und deren Texturen zu unterscheiden. Die Gefügefraktionen und die Texturen wurden mit den Rekristallisationsmechanismen korreliert. Die Ermittlung der mechanischen Halbzeugeigenschaften bei Raumtemperatur erfolgte zum einen durch uniaxiale Zugversuche in Längs- und in Querrichtung und zum anderen durch biaxiale Erichsenversuche. Diese Arbeit macht deutlich, von welcher zentralen Bedeutung es ist, sowohl den Einfluss des Prozesses als auch den Beitrag die der Legierungselemente auf die Verformungs- und Rekristallisationsmechanismen zu verstehen. Es kann eine klare Korrelation zwischen Prozessparametern, Mikrostruktur- bzw. Texturentwicklung und den daraus resultierenden Umformeigenschaften für die in dieser Arbeit verwendeten Legierungen aufgezeigt werden. Es zeigt sich, dass Legierungselemente in Abhängigkeit des Prozesses unterschiedliche Wirkungen auf die Mikrostruktur- und Texturentwicklung haben können. Dies liegt an den vom Prozess abhängigen, vorherrschenden dynamischen oder statischen Rekristallisationsmechanismen. Die hier dargestellte umfassende Studie des Legierungseinflusses zeigt, dass sich Ca in Hinblick auf eine Verbesserung der Halbzeugeigenschaften bei Raumtemperatur als Zulegierungselement für die WZ10-Legierung nicht eignet. Dies gilt für Flachprodukte, die sowohl durch den Walzprozess als auch durch das Strangpressen hergestellt werden. Der Grund hierfür ist ein beschleunigtes, statisches und dynamisches Rekristallisationsverhalten durch Ca in Y-Zn-haltigen Legierungen und den dadurch resultierenden, veränderten Texturentwicklungen. Zudem wird in dieser Arbeit detailliert zwischen der statischen (Doppelpeak in QR) und dynamischen SE-Texturkomponente (Doppelpeak in SR/WR) unterschieden und die Entwicklung der quadrupolen Textur ausführlich erörtert., The low density of magnesium alloys makes them an ideal material for reducing the weight of structural components. The use of magnesium flat products is difficult due to the limited formability at room temperature and the anisotropy of the mechanical properties. The reason for the limited formability is the hexagonal crystal structure of magnesium and the formation of a strong crystallographic texture resulting from the massive forming. Therefore, to improve the mechanical and forming properties of flat products, it is necessary to know precisely how the microstructure and texture are influenced by alloying elements as a function of the manufacturing process. In the present thesis, flat products have been produced by varying the process temperature, on the one hand, via the conventional rolling process and, on the other hand, by direct extrusion. The supporting mechanisms for microstructure development are static recrystallization (SRX) during rolling and dynamic recrystallization (DRX) during extrusion. The influence of alloying was analyzed on the basis of a magnesium alloy containing yttrium and alloyed in small amounts with Zn, Mn, Ca (W1, WZ10, WZM100, WZX100 and WZMX1000). AZ31 has been chosen as a comparative alloy to exclude the influence of RE on the RX mechanisms. A systematic analysis of all conditions was carried out by metallographic microstructural analysis and XRD texture measurements. EBSD measurements on selected conditions were used to distinguish between relevant microstructural fractions and their textures. The microstructural fractions and the textures were correlated with the recrystallization mechanisms. The mechanical properties at room temperature of the semi-finished products were determined by uniaxial tensile tests in the longitudinal and transverse directions and by biaxial Erichsen cupping tests. This work highlights the fundamental importance of understanding both the influences of the process and the alloying elements on the deformation and recrystallization mechanisms. A clear correlation can be shown between process parameters, microstructure or texture development and the resulting forming properties for the alloys used in this work. It can be seen that alloying elements can have different effects on microstructure and texture development depending on the process. This is due to the prevailing dynamic or static recrystallization mechanisms depending on the manufacturing route. The comprehensive study of the alloy influence shows that Ca is not suitable as an alloying element for the WZ10 alloy in terms of improving the semi-finished product properties at room temperature. This is valid for flat products which were produced by both rolling process and direct extrusion. And it could be demonstrated for the first time on an accelerated static and dynamic recrystallization behavior by Ca and the resulting changed texture developments. Furthermore, this work clearly distinguishes for the first time between the static (double peak in TD) and dynamic RE texture components (double peak in ED/RD) and discusses the development of the quadruple texture in detail.

Situation ist, dass batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge (BEV) gegenüber fossilen Antriebstechnologien zunehmend an Marktanteilen gewinnen. Während der Anwendungsfall der urbanen Mobilität, mit den Anforderungen kurze Fahrdistanzen und lokale Emissionsfreiheit, ideal durch BEV erfüllt werden, gelten für die Langstreckenmobilität abweichende Anforderungen, wie lange Fahrdistanzen sowie möglichst ausbleibende energiebedingte Fahrstopps. Fragestellung dieser Arbeit ist daher, welche Antriebstechnologien in welchem Maße die Anforderungen der individuellen Langstreckenmobilität erfüllen. Um dieser Frage nachzugehen, wird in dieser Arbeit eine Vergleichsmethodik für Antriebskonzepte für die individuelle Langstreckenmobilität unter Berücksichtigung von Infrastrukturaufwendungen beschrieben, die verlässliche und objektive Bewertungsergebnisse ermöglicht. Die Vergleichsmethodik ist dreistufig aufgebaut und leitet aus strukturierten Rahmenbedingungen technologische, ökologische und ökonomische Kennzahlenausprägungen ab. Im Rahmen der Problemstrukturierung erfolgt die Antriebstechnologiemodellierung sowie die Anwendung eines Dimensionierungs- und Umlagemechanismus, um erforderliche Infrastrukturaufwendungen auf die Fahrzeugflotte zu verteilen. In der anschließenden Folgenabschätzen werden durch ein Rechensystem aus quantitativen Rahmenbedingungen multidimensionale Kennzahlen berechnet, welche schließlich in der Bewertungsphase zu einem ganzheitlichen Kennzahlensystem assembliert werden. Die beschriebene Vergleichsmethodik wurde darüber hinaus im Rahmen einer Webapplikation automatisiert. Die E|KPI-Webapplikation ermöglicht die interaktive Anwendung der Vergleichsmethodik zur Bewertung der Antriebstechnologien des Lösungsraums., The situation is that battery electric vehicles (BEVs) are increasingly gaining market share over fossil drive technologies. While the use case of urban mobility, with the requirements of short driving distances and local freedom from emissions, is ideally fulfilled by BEVs, different requirements apply to long-distance mobility, such as long driving distances and the absence of energy-related driving stops. The question posed in this thesis is therefore which drive technologies fulfill the requirements of individual long-distance mobility and to what extent. To address this question, this thesis describes a comparison methodology for drive technologies for individual long-distance mobility, taking infrastructure expenditures into account, which enables reliable and objective evaluation results. The comparison methodology has a three-stage structure and derives technological, ecological and economic key figures from structured framework conditions. Within the problem structuring, the drive technology modeling is performed as well as the application of a dimensioning and apportionment mechanism to distribute required infrastructure expenditures to the vehicle fleet. In the subsequent impact assessment, multidimensional key figures are calculated by a calculation system from quantitative framework conditions, which are finally assembled into a holistic key figure system in the evaluation phase. The described comparison methodology was furthermore automated within the framework of a web application. The E|KPI web application enables the interactive application of the comparison methodology for the evaluation of the drive technologies of the solution space., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 412

Published in print by Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3278-2 (ISSN 2367-3761), Lithium plating is not only the most severe ageing mechanism in lithium-ion batteries (LIBs) but also becoming more and more important due the increasing presence of electric vehicles (EVs). In EVs the extreme conditions causing lithium plating, like very high charging currents and low environment temperatures, are much more prevalent than in consumer electronics. Due to the high number of factors that influence the plating process, ranging from the cell geometry to the chemical composition of the electrolyte, a deeper understanding of the plating process is still lacking. Without this knowledge it is hard to design cells in a plating resistant way, or to operate cells under the ideal conditions to minimize plating. This thesis aims at showing different methods to investigate the plating process on three different levels. The first method is on the cell level, investigating the behaviour of the whole cell during plating. It contains the analysis of the voltage and current profiles that show an atypical behaviour during plating. The focus of the analysis is on the current profile of the constant voltage (CV) phase during charging under low temperature conditions leading to plating. This current profile can be fitted with the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) function that describes the electrochemical deposition process of a metallic species on a surface. The resulting fitting parameters can be utilized to characterize the plating behaviour of the cell as well as better estimate the amount of plated lithium than commonly used methods. It can also potentially predict the future safety risk due to dendrite formation. In the second part the chemical composition of the surface electrolyte interface (SEI) is investigated using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The composition as well as the mechanical properties of the SEI are strongly influencing the plating process and preliminary work has shown that plating is also changing the morphology of the SEI and increasing its thickness drastically. Cells under different conditions (plated, charged and discharged) as well as cells of different manufacturers have been probed using XPS. During the measurements an unwanted side effect of the experimental setup was discovered that lead to a migration of lithium to the surface of the sample and was distorting the measurement results. Regardless of the effect, it was possible to see that the SEI can have a very different composition in cells of different manufacturers and that plating not only changes the morphology but also the composition of the SEI. The unwanted side effect could furthermore be utilized to identify samples that were plated recently and could be used in further more controlled experiments to localize lithium depositions on plated samples. In the last part the particle structure of the anode surface of cells of different manufacturers was investigated using a watershed particle detection algorithm on laser scanning microscopy (LSM) images of the anode surfaces. The distributions of the particle sizes have then been compared to the capacity loss in plated cells. It was shown that the capacity loss correlates with parameters extracted from the particle size distributions. It is however necessary to create more data to verify this correlation. In summary this thesis utilized new methods to detect or characterize plating on different levels of magnification, from the cell level to the chemical composition. New approaches were found to predict a cells future plating behaviour, spatially localize plated areas on the anode and design cells in a plating resistant way., Lithium Plating ist nicht nur der Alterungsmechanismus in Lithium-Ionen-Batterien mit dem größten Kapazitätsverlust, sondern wird auch im Zuge der voranschreitenden Elektrifizierung des Personenverkehrs immer wichtiger. In Elektrofahrzeugen finden sich die extremen Zustände, wie niedrige Ladetemperaturen und hohe Ladestrome, unter denen Plating auftritt, deutlich häufiger als in Unterhaltungstechnik. Durch die Vielzahl von Parametern, von der Zellgeometrie bis hin zur Elektrolyzusammensetzung, die Plating beeinflussen, fehlt immer noch ein tieferes Verständnis des Plating-Prozesses. Ohne dieses Wissen ist es schwer, Zellen zu designen, die resistent gegen Plating sind oder Zellen unter optimalen Bedingungen zu betreiben um Plating zu minimieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Methoden aufzuzeigen, die die Untersuchung von Plating auf drei verschiedenen Ebenen ermöglichen. Die erste Methode untersucht das Gesamtverhalten der Zelle auf Zellebene. Hierbei wird das atypische Verhalten der Strom- und Spannunsprofile wahrend des Plating-Vorgangs analysiert. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der Konstantstrom-Phase bei niedrigen Temperaturen während der Ladung. Das Stromprofil dieser Phase kann mit der JMAK-Funktion gefittet werden, welche die elektrochemische Abscheidung eines Metalls auf einer Oberfläche beschreibt. Die resultierenden Fitting-Parameter können genutzt werden, um das Plating-Verhalten vorherzusagen und sind gleichzeitig eine bessere Abschätzung fur die Menge an geplatetem Lithium im Vergleich zu gängigen Methoden. Die Ergebnisse konnten außerdem helfen das Sicherheitsrisiko der Zelle bei Dendritenbildung vorherzusagen. Im zweiten Teil wird die chemische Zusammensetzung der SEI mittels XPS untersucht. Die Zusammensetzung, wie auch die mechanischen Eigenschaften der SEI, beeinflussen den Plating-Prozess stark und es wurde in vorhergehenden Arbeiten gezeigt, dass Plating auch die Morphologie und Dicke der SEI drastisch verändern kann. Zellen in verschiedenen Zuständen (geplatet, geladen, entladen), sowie Zellen verschiedener Hersteller wurden mit XPS untersucht. Während der Messungen wurde ein ungewollter Nebeneffekt des Messaufbaus entdeckt, der zu einer Migration von Lithium an die Oberflache der Proben geführt und die Messergebnisse verfälscht hat. Unabhängig von diesem Effekt war es dennoch möglich, zu zeigen, dass die SEI in Zellen verschiedener Hersteller stark unterschiedliche Zusammensetzungen haben kann und dass Plating nicht nur die Morphologie der SEI beeinflusst, sondern auch die chemische Zusammensetzung. Weiterhin konnte der ungewollte Nebeneffekt verwendet werden, um Proben zu identifizieren, die vor kurzem geplatet wurden und konnte in zukünftigen Arbeiten verwendet werden, um lokalisiert Lithium-Ablagerungen auf geplateten Proben zu identifizieren. Im letzten Teil wurde die Partikelstruktur der Anoden von Zellen verschiedener Zellhersteller mit Hilfe einer watershed-Partikeldetektion an LSM-Bildern untersucht. Die Verteilung der Partikelgrößen wurde mit dem Kapazitätsverlust gleicher Zelle durch Plating verglichen. Es wurde gezeigt, dass der Kapazitätsverlust mit Parametern, die aus den Partikelverteilungen extrahiert wurden, korreliert. Ein größerer Datensatz ist jedoch notwendig, um diese Ergebnisse zu validieren. Zusammenfassend hat diese Arbeit verschiedene neue Methoden aufgezeigt, um Plating auf verschiedenen Vergrößerungsebenen zu detektieren und zu charakterisieren. Neue Ansätze wurden gefunden, um das Platingverhalten von Zellen vorherzusagen, lokalisiertes Lithium auf der Oberfläche zu detektieren und Zellen platingresistenter designen zu können.

Plastic pollution is one of the biggest problems the world is facing these days. To reduce pollution in the future, plastic products must decompose in natural environments in a reasonable period. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are biopolymers that are ubiquitous in nature and excellently biodegradable. Since PHAs have variable properties depending on their molecular structure, they are considered a promising alternative to conventional plastics. PHAs are intracellular carbon and energy storages, which can be efficiently produced by the Gram-negative bacterium Ralstonia eutropha. In particular, oleaginous feedstocks such as plant oils are attractive carbon sources for PHA production with R. eutropha since they are naturally emulsified, have a high carbon content and facilitate high cell density cultivations without large culture dilutions. While the wild-type strain H16 produces the brittle homopolymer polyhydroxybutyrate from plant oils, the engineered strain Re2058/pCB113 accumulates the more flexible copolymer poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyhexanoate) (P(HB co HHx)). The main problem in establishing an industrial PHA production is the process cost, which has to compete with low-cost fossil-based plastics. To address this issue, the production process itself must be optimized, either through a comprehensive process understanding or through the ability to monitor the process in real-time, and processes based on alternative low-cost substrates must be developed. For a comprehensive understanding of the applied PHA production process, an untargeted metabolomics analysis of the strains H16 and Re2058/pCB113 during parallel bioreactor cultivations with plant oil was performed. The analysis yielded in two novel findings: (I) Metabolites of the fucose salvage pathway are present, which is a very uncommon pathway in bacteria and (II) the strains accumulate different antioxidants during the cultivations. In a further study, to examine novel possibilities of process monitoring, in-line photon density wave (PDW) spectroscopy was applied for the first time in bacterial cultivations, which enabled an independent quantification of scattering and absorption in real-time. The change of the scattering properties was found to be proportional to the change of the whole cell dry weight (CDW), while the absorption properties were proportional to the change of the residual cell dry weight (CDW minus PHA in g L-1), which consequently allowed to monitor the formation of PHA in real-time. The monitoring of such key process parameters allowed to manually trigger growth, PHA formation and intracellular PHA degradation according to the signal trends. Moreover, feedstock availabilities in Europe were quantitively evaluated, and animal by-product streams were identified as a largely available second-generation feedstock. To expand the possibilities to produce PHA from such low cost substrates, novel bioreactor feeding systems for waste animal fat (WAF) and fat/protein-emulsions (FPEs) were developed, which were required due to the solid nature of the substrates. Fed-batch cultivations with WAF yielded in production of 45 g L-1 P(HB-co-HHx) with a space-time-yield of 0.63 gPHA L 1 h-1. The yield was not altered in scale-down cultivations where the same cultivations strategy was performed, but the cultures experienced short periods of oxygen limitations. The FPE could be used as the sole carbon and nitrogen source in the process. In fed-batch cultivations with the developed pneumatic feeding system, 36 g L-1 P(HB-co-HHx) with a space-time-yield of 0.60 gPHA L-1 h-1 were produced. With proline present in the media, the proline auxotrophic strain Re2058/pCB113 produced a high intracellular PHA content over 70 wt% during the FPE fed-batch cultivation, showing that the plasmid was not lost even without the presence of a selection marker. The obtained results of this thesis should accelerate PHA process development in the future by an enhanced process understanding and the possibility to implement real-time process controllers based on PDW spectroscopy. Furthermore, the validated possibilities to convert WAF-containing feedstocks into PHA should motivate the rendering industry to valorize their by-product streams in this way., Die Umweltverschmutzung durch Kunststoffe ist eines der größten Probleme heutzutage. Um dieses Problem in Zukunft zu vermeiden, müssen Kunststoffprodukte in der Natur abbaubar sein. Polyhydroxyalkanoate (PHA) sind eine Klasse von Biopolymeren, die in der Natur vorkommt und hervorragend biologisch abbaubar ist. Aufgrund verschiedener Eigenschaften von PHAs abhängig von der molekularen Struktur, gelten sie als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen. PHAs sind intrazelluläre Kohlenstoff- und Energiespeicher, die von dem Gram-negativen Bakterium Ralstonia eutropha effizient hergestellt werden können. Insbesondere lipidhaltige Rohstoffe wie Pflanzenöle sind attraktive Kohlenstoffquellen für die PHA-Produktion mit R. eutropha, da sie natürlich emulgiert werden, einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisen und Hochzelldichtekultivierungen ohne große Verdünnungen ermöglichen. Während der Wildtyp-Stamm H16 das spröde Homopolymer Polyhydroxybutyrat aus Pflanzenölen synthetisiert, bildet der rekombinante Stamm Re2058/pCB113 das flexiblere Copolymer Poly(hydroxybutyrat co hydroxyhexanoat) (P(HB-co-HHx)). Das Hauptproblem bei der Etablierung einer industriellen PHA-Produktion sind die Prozesskosten, die mit der kostengünstigen Herstellung von herkömmlichen Kunststoffen konkurrieren müssen. Um dieses Problem anzugehen, muss der Produktionsprozess selbst optimiert werden, entweder durch ein umfassendes Prozessverständnis oder durch eine Echtzeitüberwachung. Weiterhin müssen Prozesse basierend auf kostengünstigeren Substraten entwickelt werden. Um ein umfassendes Prozessverständnis zu erhalten, wurde eine Metabolomanalyse der Stämme H16 und Re2058/pCB113 während paralleler Bioreaktorkultivierungen mit Pflanzenöl durchgeführt. Die Analyse führte zu zwei neuen Erkenntnissen: (I) Metabolite des Fucose-Salvage-Stoffwechsels wurden identifiziert und (II) die Stämme akkumulierten während der Kultivierung verschiedene Antioxidantien. In einer weiteren Studie wurde zur Untersuchung neuer Möglichkeiten der Prozessüberwachung erstmals in-line Photonendichtewellen-Spektroskopie (PDW) eingesetzt, welche eine unabhängige Quantifizierung von Streuung und Absorption in Echtzeit ermöglicht. Es wurde festgestellt, dass die Änderung der Streueigenschaften proportional zur Änderung des Gesamttrockengewichts der Zellen (CDW) ist, während die Absorptionseigenschaften proportional zur Änderung des Resttrockengewichts der Zellen (CDW minus PHA in g L-1) sind, sodass die Bildung von PHA in Echtzeit überwacht werden kann. Die Überwachung dieser wichtigen Prozessparameter ermöglichte es, das Wachstum, die PHA-Bildung und den intrazellulären PHA-Abbau anhand der Signale manuell zu steuern. Darüber hinaus wurde die Verfügbarkeit von Rohstoffen in Europa quantitativ bewertet, und tierische Nebenprodukte wurden als in großen Mengen verfügbarer Rohstoff identifiziert. Um die Möglichkeiten zur Herstellung von PHA aus solchen kostengünstigen Substraten zu ermöglichen, wurden neuartige Bioreaktor Fütterungssysteme für tierische Abfallfette (WAF) und Fett/Protein-Emulsionen (FPE) entwickelt, die aufgrund der festen Substrate erforderlich waren. In Fed-Batch-Kultivierungen mit WAF wurde eine Produktion von 45 g L-1 P(HB-co-HHx) mit einer Raum-Zeit-Ausbeute von 0,63 gPHA L-1 h-1 erzielt. Die Ausbeute änderte sich nicht in Scale-down-Kultivierungen, bei denen die gleiche Kultivierungsstrategie angewandt wurde, die Kulturen jedoch mehrere kurze Zeiträume mit Sauerstoffmangel erfuhren. Die FPE konnte gleichzeitig als Kohlenstoff- und Stickstoffquelle in dem Prozess verwendet werden. In Fed Batch-Kultivierungen mit dem entwickelten pneumatischen Fütterungssystem wurden 37 g L-1 P(HB-co-HHx) mit einer Raum-Zeit-Ausbeute von 0,60 gPHA L-1 h-1 produziert. Selbst bei Anwesenheit von Prolin im Medium produzierte der prolin-auxotrophe Stamm Re2058/pCB113 einen hohen intrazellulären PHA-Gehalt von über 70 wt%, was bedeutet, dass das Plasmid auch ohne die Anwesenheit eines Selektionsmarkers nicht verloren ging. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse sollten die Entwicklung von PHA-Prozessen in der Zukunft durch ein besseres Prozessverständnis und die Möglichkeit zur Implementierung von Echtzeit-Prozesssteuerungen auf der Grundlage der PDW-Spektroskopie beschleunigen. Darüber hinaus sollten die aufgezeigten Möglichkeiten zur Umwandlung von WAF-haltigen Rohstoffen zu PHA die Fleischindustrie motivieren, ihre Nebenproduktströme auf diese Weise aufzuwerten.

The incompressible temporally developing turbulent boundary layer (TBL) and spatially developing turbulent boundary layer (SBL) with and without blowing is analyzed using the map-based stochastic one-dimensional turbulence (ODT) model. An understanding of these idealized flows is of fundamental relevance for boundary layer-type problems, which are frequently encountered in several applications, from atmospheric sciences to engineering. In the ODT model, the flow variables are resolved on all scales along a wall-normal, 1-D domain. These variables are evolved by a deterministic process representing molecular diffusion and by a stochastic process modeling the effect of turbulent advection and pressure fluctuations. Due to the reduction in dimensionality, the model is particularly appropriate for high Reynolds number flow. It is shown that the ODT model is able to capture salient features of the turbulent boundary layer-type flows by comparing the results with various available reference direct numerical simulation (DNS), large eddy simulation (LES) and experimental results. The comparison is presented for the mean velocity profiles, turbulent velocity fluctuation profiles (up to fourth order), the skin friction coefficient and shape factor for different bulk (Reb) and momentum Reynolds numbers (Reθ) using fixed model parameters. The influence of the model parameters is also discussed for various momentum Reynolds numbers for each investigated flow configuration. The results discussed in this thesis suggest that the ODT model is an economical and reasonably accurate approach for the simulation of turbulent boundary layer flows., Die inkompressible sich zeitlich entwickelnde turbulente Grenzschicht (TBL) und die sich räumlich entwickelnde turbulente Grenzschicht (SBL) ohne Ausblasen und mit gleichmäßigem Ausblasen werden mit dem abbildungsbasierten stochastischen eindimensionalen Turbulenzmodell (ODT) analysiert. Das Verständnis dieser idealisierten Strömung ist von grundlegender Bedeutung für turbulente Grenzschichtströmungen, die in verschiedenen Anwendungen, von den Atmosphärenwissenschaften bis hin zu den Ingenieurwissenschaften, häufig anzutreffen sind. Die Strömungsvariablen werden in den vorliegenden ODT-Simulationen auf allen Skalen entlang eines wandnormalen 1-DRechengebietes aufgelöst. Diese Variablen werden durch einen deterministischen Prozess, der die molekulare Diffusion repräsentiert, und einen stochastischen Prozess entwickelt, der die Wirkung von turbulenten Advektionsund Druckschwankungen modelliert. Das Modell eignet sich aufgrund der reduzierten Dimensionalität besonders für hohe Reynoldszahlen. Es wird gezeigt, dass das ODT-Modell in der Lage ist, die wesentlichen Merkmale der turbulenten Grenzschichtströmungen zu erfassen, indem es die mittleren Geschwindigkeitsprofile, die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungsprofile (bis zur vierten Ordnung), den Mantelreibungskoeffizienten und den Formfaktor mit verschiedenen verfügbaren direkten numerischen Referenzsimulationen (DNS) und Grobstruktursimulationen (LES) vergleicht, die Ergebnisse für verschiedene Bulk- (Reb) und Momentum-Reynoldszahlen (Reθ) unter Verwendung fester Modellparameter. Der Einfluss der Modellparameter wird ebenfalls für die betrachteten Momentum-Reynoldszahlen und für die untersuchten Strömungskonfigurationen diskutiert. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse deuten darauf hin, dass das ODT-Modell ein wirtschaftlicher und akkurater Ansatz für die Simulation von turbulenten Grenzschichtströmungen ist.

Over-the-Air (OTA) computation is the problem of computing functions of distributed data over a wireless channel without transmitting the entirety of the data to a central point. By avoiding such costly transmissions, OTA computation schemes can achieve a better-than-linear (depending on the function, often logarithmic or even constant) scaling of the communication cost as the number of transmitters grows. Among the most common functions computed OTA are linear functions such as weighted sums. In this work, we propose and analyze a method for the approximation of functions of distributed arguments over noisy channels. This method can be used as an analog OTA computation scheme for a class of functions that contains linear functions as well as some nonlinear functions such as p-norms of vectors. We prove error bound guarantees that are valid for fast-fading channels and all distributions of fading and noise contained in the class of sub-Gaussian distributions. This class includes Gaussian distributions, but also many other practically relevant cases such as Class A Middleton noise and fading with dominant line-of-sight components. In addition, there can be correlations in the fading and noise so that the presented results also apply to, for example, block fading channels and channels with bursty interference. We do not rely on any stochastic characterization of the distributed arguments of the OTA computed function; in particular, there is no assumption that these arguments are drawn from identical or independent probability distributions. Our analysis relies on tools from high-dimensional statistics which we adapt so that they are applicable to the scenario at hand. The resulting error guarantees are nonasymptotic and therefore provide error bounds that are valid for a finite number of channel uses. OTA computation has a huge potential for reducing communication cost in applications such as Machine Learning (ML)-based distributed anomaly detection in large wireless sensor networks. We show this potential with two examples of how our OTA computation scheme can be used to vastly increase the efficiency of Vertical Federated Learning (VFL) over a wireless channel. We also illustrate the efficiency gain with numerical simulations for a few example cases. Then, we move on to propose a new method to protect OTA computation schemes against passive eavesdropping. Our method uses a friendly jammer whose signal is – contrary to common intuition – stronger at the legitimate receiver than it is at the eavesdropper. It works for a large class of analog OTA computation schemes and we give details on the special case of computing an arithmetic average over an Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel. The derived secrecy guarantee translates to a lower bound on the eavesdropper’s mean square error while the question of how to provide operationally more significant guarantees such as semantic security remains open for future work. As key ingredients in proving the security guarantees, we propose and prove generalizations of known results on channel resolvability and coding for compound channels for the case of continuous channel input and output alphabets., Funktionsberechnung im Funkkanal ist eine Methode, Funktionen verteilter Daten ohne eine vollständige Übertragung der Daten zu einem zentralen Punkt zu berechnen. Indem solche Übertragungen vermieden werden, kann erreicht werden, dass der Ressourcenverbrauch weniger schnell als linear mit der Anzahl der Sender wächst. Abhängig von der zu berechnenden Funktion kann dieses Wachstum dann in vielen Fällen logarithmisch oder sogar konstant sein (d.h. die zur Funktionsberechnung nötigen Kanalressourcen wachsen überhaupt nicht, wenn die Anzahl der Sender wächst). Zu den am häufigsten im Funkkanal berechneten Funktionen gehören lineare Funktionen wie z.B. gewichtete Summen. In der vorliegenden Arbeit führen wir eine Methode zur verteilten Approximation von Funktionen in verrauschten Kanälen ein. Diese Methode kann als Verfahren zur analogen Funktionsberechnung im Funkkanal genutzt werden. Sie ist auf eine Klasse von Funktionen anwendbar, die zum einen alle linearen Funktionen, zum anderen aber auch einige nichtlineare Funktionen wie die p-Norm von Vektoren enthält. Wir zeigen Fehlerschranken für unser Verfahren, die in Kanälen mit Fast Fading gelten, wobei sowohl die Verteilung des Fadings als auch die des Rauschens zur Klasse der sub-Gauß’schen Wahrscheinlichkeitsverteilungen gehören müssen. Diese Klasse enthält nicht nur alle Normalverteilungen, sondern auch viele andere in der Praxis relevanten Verteilungen wie z.B. Class-A-Rauschen nach Middleton und Fadingverteilungen mit einer dominanten Sichtkomponente. Zudem sind unsere Fehlerschranken auch dann noch gültig, wenn es Korrelationen in der Verteilung des Fadings und/oder Rauschens gibt, sodass unsere Ergebnisse beispielsweise auch auf Kanäle mit Blockfading oder gebündelt auftretender Interferenz anwendbar sind. Dabei verwenden wir keinerlei stochastische Charakterisierung der Argumente der über den Funkkanal zu berechnenden Funktion. Dies bedeutet insbesondere, dass keine Annahme über identische Verteilung oder Unabhängigkeit dieser Argumente nötig ist. Unsere Analyse baut auf Werkzeugen aus der hochdimensionalen Statistik auf, die wir derart anpassen, dass sie im vorliegenden Szenario anwendbar sind. Die sich daraus ergebenden Fehlerschranken sind nichtasymptotisch, d.h. sie sind für jede beliebige (endliche) Anzahl von Kanalnutzungen gültig. Funktionsberechnung im Funkkanal bietet ein riesiges Potenzial, in Anwendungen wie z.B. der auf maschinellem Lernen basierenden Anomaliedetektion in großen Sensornetzen die zur Kommunikation nötigen Ressourcen drastisch zu reduzieren. Wir veranschaulichen dieses Potenzial, indem wir zwei Beispiele ausführen, die zeigen, wie unsere Methoden zur Funktionsberechnung im Funkkanal die Effizienz von vertikalem föderierten Lernen enorm steigern können. Wir illustrieren diesen Effizienzgewinn außerdem für einige ausgesuchte Spezialfälle anhand numerischer Simulationen. Anschließend führen wir ein neues Verfahren ein, um Funktionsberechnungen im Funkkanal gegen passive Lauscher zu schützen. Unsere Methode basiert auf der Kooperation der legitimen Kommunikationspartner mit einem Jammer, dessen Signal – entgegen den normalerweise in diesem Zusammenhang gemachten Annahmen – beim legitimen Empfänger in einer größeren Signalstärke ankommt als beim Lauscher. Sie funktioniert für eine große Klasse von Verfahren zur Funktionsberechnung über den Funkkanal, und wir führen den Spezialfall der Berechnung eines arithmetischen Mittelwerts über einen Kanal mit additivem weißen normalverteilten Rauschen detailliert aus. Dabei erhalten wir eine Sicher- heitsgarantie, die den durchschnittlichen quadratischen Fehler des Lauschers nach unten begrenzt. Die Frage, wie stärkere Sicherheitsgarantien (z.B. semantische Sicherheit) gegeben werden können, bleibt dabei für zukünftige Forschungsarbeiten offen. Die wichtigsten informationstheoretischen Zutaten für den Beweis der Sicherheitsgarantie sind Verallgemeinerungen bekannter Ergebnisse zur Resolvability von Kanälen und zur Kommunikation über Compound-Kanäle für den Fall kontinulierlicher Ein- und Ausgabealphabete, die wir im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls beweisen.

Since the principle of active noise control was proposed for the first time in the year 1936, the implementation of these ideas always lagged behind in time due to a lack of sufficiently performant computers. With the introduction of digital computers and their rapid advancement until today, applied resarch projects and commercial products became well-established. However, active noise control applied to complex and large-scale structures is still limited by suitable implementation technologies to this date. The suitability is foremost characterized by raw processing power, but also by the resulting processing delay and energy efficiency. Besides, some research suggests that the noise reduction performance of well-established applications in active noise control can also benefit from additional computational power. It is the goal of this thesis to narrow this technology-based gap for a wide range of active noise control applications by optimizing existing control algorithms down to the hardware level or rather the register-transfer level. The custom hardware architectures are realized using field-programmable gate arrays (FPGAs) and provide generic parameters to adjust the algorithm and the internal processing architecture to favor various applications. In case of the feedback FxLMS architecture, a short processing delay is achieved that is independent of any filter length. The performance of the proposed hardware architectures are validated against established software reference systems on experimental setups using identical configurations.The resources of different FPGA platforms are then fully utilized to indicate the corresponding benefits in terms of noise reduction performance for these experimental setups. For the feedback FxLMS algorithm, the most computational demanding, synthesized configuration uses 11 error sensors, 11 secondary sources and filter orders of 2049 at a sampling rate of 48 kHz. For this configuration, this translates to delay times well below 1 μs. On multiple practical applications, the results show an additional noise reduction performance of up to 12 dB compared to the maximum possible configurations of the software reference.

The topic of this work is the analysis of control loops under the influence of input/output timing deviations. Such deviations from the ideal periodic timing can lead to increased control error or even to instability. To address this issue, methods are presented to determine a safe tolerance band for the timing deviation. Two alternatives are addressed: stability analysis at design time and timing adaptation at run time. In both cases, the methods support multiple inputs and outputs with individual timing uncertainties. For the analysis at design time, the work presents methods to determine stability and maximal control error at design time for a given input/output time window. The linear case is analyzed using linear impulsive systems. Progress towards solving the nonlinear case is made by reachability analysis of hybrid automata in connection with the Continuization method. For a flexible adaptation at run time, the framework of convergence rate abstractions is developed. By this, the decision about the permissible input/output timing can be made according to the current situation and with little computational overhead. Hence, larger temporal deviations can be permitted for a short time as long as the timing remains good enough in the long-term average to preserve stability., Die Arbeit befasst sich mit dem Verhalten von Regelkreisen unter dem Einfluss von zeitlichen Abweichungen der Ein- und Ausgabe. Solche Abweichungen von einem idealen periodischen Zeitraster können zu größerer Regelabweichung und bis hin zu Instabilität führen. Die Arbeit stellt Methoden vor, um ein erlaubtes Toleranzband für die zeitliche Abweichung zu bestimmen. Dies umfasst zum einen die Stabilitätsanalyse zum Entwurfszeitpunkt und zum anderen die Adaption zur Laufzeit. Insbesondere wird der Mehrgrößenfall betrachtet, in dem mehrere Sensoren und Aktoren jeweils eigene zeitliche Unsicherheiten aufweisen. Für die Analyse zum Entwurfszeitpunkt werden Methoden zur die Analyse der Stabilität und maximalen Regelabweichung für ein gegebenes Ein-/Ausgabe-Zeitfenster vorgestellt. Für den linearen Fall wird dies anhand eines linear impulsives Systemmodells umgesetzt. Als Lösungsweg für den nichtlinearen Fall wird die Erreichbarkeitsanalyse hybrider Automaten in Verbindung mit der Continuization-Transformation untersucht. Zum anderen wird eine Methode zur flexiblen Anpassung der Ein-/Ausgabe-Zeitfenster an die aktuelle Situation entwickelt. Hierzu wird das Konzept der Konvergenzraten-Abstraktion entwickelt, um zur Laufzeit mit geringem Rechenaufwand eine Entscheidung über das zulässige Zeitfenster zu treffen. Somit kann kurzzeitig eine größere zeitliche Abweichung zugelassen werden, solange das durchschnittliche Timing hinreichend gut bleibt um die Stabilität zu erhalten., FAU Studien aus der Elektrotechnik; 20

In dieser Veröffentlichung der BF2020 werden kurzfristige Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz im Betrieb von Gebäuden und Quartieren aufgezeigt. Zur Ermittlung wurden im Rahmen des 11. Projektleitungstreffens Energiewendebauen Kurzfragebögen unter den Teilnehmenden verteilt. Vertreter aus 46 Verbundprojekte haben an der Befragung teilgenommen und über 100 Vorschläge konnten gesammelt werden. Die vorgeschlagenen Maßnahmen sind von neun Experten aus der BF2020 zusammengefasst und um Erklärungen sowie weitere Vorgänge ergänzt. Insgesamt konnten somit 110 Vorschläge zusammengestellt werden, die einen Beitrag zur Senkung des Energie- und damit das Gasverbrauchs in Gebäuden und Quartierten leisten können. Nicht alle Einsparvorschläge lassen sich beliebig kombinieren, da einige der vorschlagenden Maßnahmen auf die gleichen physikalischen Effekte zielen. In dieser Veröffentlichung werden drei Diskussionsbeträge zur Einsparung von Energie und Erdgas in Bestandsgebäuden geliefert: • Eine zusammenfassende Grafik relevanten und schnell umsetzbarer Maßnahmen mit einer Einschätzung möglicher Einsparungen. • Eine Bewertung alle genannten Maßnahmen in Hinblick auf Aufwand und Wirkung. • Eine tabellarische Übersicht aller genannter Vorschläge als Basis für weiterführende Diskussionen.

Das deutsche Energieversorgungssystem soll bis zum Jahr 2050 umfassend transformiert werden. Auch wenn es auf dem Pfad zur vollständigen Dekarbonisierung der Energieversorgung noch eine Vielzahl technischer Herausforderungen gibt, ist davon auszugehen, dass an der politischen Ambition einer treibhausgasneutralen Energieversorgung bis spätestens zum Jahr 2045 festgehalten wird. Klimaschutz ist jedoch nur eine Dimension im Spannungsfeld Energiewende. Es gilt, Ökologie, Wirtschaftlichkeit, technische Realisierbarkeit und Versorgungssicherheit sowie gesellschaftliche Aspekte in Einklang zu bringen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen wissenschaftlichen Beitrag zur Untersuchung eines durch erneuerbare Energieanlagen dominierten Energieversorgungssystems im Jahr 2050 zu leisten. Die Einspeisung elektrischer Energie aus Wind- und Photovoltaikanlagen unterliegt jedoch hohen Fluktuationen. Aus diesem Grund sind im zukünftigen Energieversorgungssystem hohe temporäre Energieüberschüsse und -defizite zu erwarten. Eine mögliche Lösung könnte hierfür die Sektorenkopplung darstellen. Die vollständige Kopplung dieser Sektoren würde es ermöglichen, hohe Energieüberschüsse sinnvoll zu verwenden oder auftretende Energiedefizite auszugleichen. Bedingt durch die fluktuierende EE-Einspeisung sind die Potenziale zur Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie in anderen Energie- und Wirtschaftssektoren im Zeitverlauf jedoch nicht konstant. Aus diesem Grund erscheint es sinnvoll, die Diskussion über Sektorenkopplungspotenziale auf zeitlich und räumlich aufgelöste Untersuchungen zu stützen. Ohne die Prognose und Modellierung von zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Einspeise- und Lastzeitreihen ist es nicht möglich, zielführende Aussagen über Sektorenkopplungspotenziale und eine bedarfsgerechte Energiebereitstellung im zukünftigen Energieversorgungssystem zu treffen. Zur Quantifizierung und Prognose zukünftiger Sektorenkopplungspotenziale wurde im Rahmen dieser Dissertation ein vielseitig einsetzbares Energiemodell entwickelt und detailliert vorgestellt. Hierbei handelt es sich um eine modular aufgebaute, Microsoft Excel-basierte Lösung in Verbindung mit Visual Basic for Applications. So ist es möglich, das Modell auf jedem modernen Windowssystem ohne weitere Software zu verwenden. Das Energiemodell wurde anschließend auf eine geeignete Modellregion für das Jahr 2050 angewendet. Im Energiemodell werden elektrische Erzeugungs- und Lastzeitreihen in stündlicher Auflösung für bis zu 200 Modellknoten (räumliche Auflösung) ermittelt, miteinander verrechnet und auf mehreren Modellebenen aggregiert. Am Beispiel der gewählten Modellregion konnten so die Sektorenkopplungspotenziale im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse umfangreich diskutiert werden. Damit war es möglich, die Forschungsfragen dieser Dissertation detailliert zu beantworten., Until the year 2050, the German energy supply system shall be transformed comprehensively. Along the path to completely decarbonized energy and economic sectors lie many technical challenges. Nevertheless, it is to be expected, that the German government will continue to pursue its ambition to reach a greenhouse gas-neutral energy supply system by the year 2045 at the latest. However, climate protection is but one aspect of the German Energiewende. It is imperative to reconcile ecology, profitability, technical feasibility, security of supply as well as social aspects. This dissertation aims to provide a scientific contribution to analysing an energy supply system in 2050, that is dominated by renewable energy plants. However, power generation and therefore energy infeed from wind and solar energy systems is subject to high levels of fluctuation. For this reason, temporary energy deficits and surpluses are to be expected. Sector coupling could provide a possible solution to this problem. By energetically coupling the energy and economic sectors, energy surpluses in one sector can be used to supply the energy demand in other sectors. However, due to the fluctuating energy infeed from wind turbines and photovoltaic systems, these sector coupling potentials are also not temporally constant and subject to fluctuations. Therefore, it seems reasonable to analyse and discuss sector coupling potentials with high temporal and spatial resolution. Without modelling and forecasting spatially and temporally resolved time series for energy infeed and demand, it is not possible to make well-founded statements about future sector coupling potentials and a needs-based energy supply. As part of this dissertation, in order to quantify and forecast future sector coupling potentials, a versatile energy system model was developed and described in detail. The model was structured modularly and implemented in Microsoft Excel in conjunction with Visual Basic for Applications. Thereby, it is possible to run the model on any regular Windows operating system without the need for specialized hard or software. In addition, the energy model was used to analyse a suitable model region for the year 2050. The energy model was used to quantify and forecast energy infeed and demand with hourly resolution for up to 200 model nodes (spatial resolution). These time series were then offset against each other and aggregated at different model levels. Using the model region as an example, sector coupling potentials for the year 2050 could be discussed in detail as part of a sensitivity analysis. Thereby, it was possible to answer the research questions of this dissertation.

Reducing overall household energy consumption through the application of information and communication technologies (ICT) can play an important role in the transformation towards sustainable consumption patterns, e.g. through the optimisation of energy-consuming processes. The challenge in the environmental assessment of ICT applications is to also consider their use-specific environmental effects, as these can be decisive for overall results. Using the example of smart heating, we therefore analyse the environmental performance of a sample of 375 smart home systems (SHS) in Germany and show how the life cycle assessment (LCA) can be extended to include various use-specific effects such as choice of products and individuals' behaviour when using the product. In an interdisciplinary study design, we combine life cycle modelling and behavioural science to systematically include use-specific parameters into the modelling, and to interweave these results with user characteristics such as sociodemographics and user motivation. Our results are heterogenous: For the impact category Climate Change (GWP) we find that having smart heating can lead to large savings in particular cases. On average, however, smart heating does not lead to significant benefits for GWP, but neither does it represent an additional burden. For Metal Depletion Potential (MDP), we find that smart heating is always an additional burden, as heating optimisation has almost no reduction potential for MDP. Our results have a wide range due to large differences in use patterns in the sample. Depending on the impact category, both number of devices of the SHS as well as heating temperature are decisive. Regression analysis of our assessment results with user characteristics shows that differences in MDP and GWP of SHS size can be explained by income, and, in addition, differences in GWP of net heating energy savings can be explained by user motivation. Our results thus underline that the standard scenarios for user behaviour assumed in LCA modelling should be well justified. Future interdisciplinary research should further explore the links between use-specific approaches in LCA and users' environmental behaviour and motivation.

Porous materials are an emerging branch of engineering materials that are composed of two elements: One element is a solid (matrix), and the other element is either liquid or gas. Pores can be distributed within the solid matrix of porous materials with different shapes and sizes. In addition, porous materials are lightweight, and flexible, and have higher resistance to crack propagation and specific thermal, mechanical, and magnetic properties. These properties are necessary for manufacturing engineering structures such as beams and other engineering structures. These materials are widely used in solid mechanics and are considered a good replacement for classical materials by many researchers recently. Producing lightweight materials has been developed because of the possibility of exploiting the properties of these materials. Various types of porous material are generated naturally or artificially for a specific application such as bones and foams. Like functionally graded materials, pore distribution patterns can be uniform or non-uniform. Biot’s theory is a well-developed theory to study the behavior of poroelastic materials which investigates the interaction between fluid and solid phases of a fluid-saturated porous medium. Functionally graded porous materials (FGPM) are widely used in modern industries, such as aerospace, automotive, and biomechanics. These advanced materials have some specific properties compared to materials with a classic structure. They are extremely light, while they have specific strength in mechanical and high-temperature environments. FGPMs are characterized by a gradual variation of material parameters over the volume. Although these materials can be made naturally, it is possible to design and manufacture them for a specific application. Therefore, many studies have been done to analyze the mechanical and thermal properties of FGPM structures, especially beams. Biot was the pioneer in formulating the linear elasticity and thermoelasticity equations of porous material. Since then, Biot's formulation has been developed in continuum mechanics which is named poroelasticity. There are obstacles to analyzing the behavior of these materials accurately like the shape of the pores, the distribution of pores in the material, and the behavior of the fluid (or gas) that saturated pores. Indeed, most of the engineering structures made of FGPM have nonlinear governing equations. Therefore, it is difficult to study engineering structures by solving these complicated equations. The main purpose of this dissertation is to analyze porous materials in engineering structures. For this purpose, the complex equations of porous materials have been simplified and applied to engineering problems so that the effect of all parameters of porous materials on the behavior of engineering structure has been investigated. The effect of important parameters of porous materials on beam behavior including pores compressibility, porosity distribution, thermal expansion of fluid within pores, the interaction of stresses between pores and material matrix due to temperature increase, effects of pore size, material thickness, and saturated pores with fluid and unsaturated conditions are investigated. Two methods, the deep energy method, and the exact solution have been used to reduce the problem hypotheses, increase accuracy, increase processing speed, and apply these in engineering structures. In both methods, they are analyzed nonlinear and complex equations of porous materials. To increase the accuracy of analysis and study of the effect of shear forces, Timoshenko and Reddy's beam theories have been used. Also, neural networks such as residual and fully connected networks are designed to have high accuracy and less processing time than other computational methods., ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar, 2022,12

In the last decades, a new class of materials with outstanding properties at the nanometric scale was presented to the world along with promising advances in various areas of technology. Such materials showed great electrical and thermal conductivity, and remarkable mechanical properties. Among these nanoscale materials, the nanofibers were promptly foreseen as great reinforcement substitutes for macroscale particles in composite materials, especially where lightweight plays a decisive role. However, areas of research concerned with the impact of these materials on the environment began to shed light on the consequences of nanofibers that are released to the atmosphere at the manufacture or at the disposal phase, for example. These studies showed that free airborne biopersistent nanofibers having certain dimensional characteristics can provoke serious health issues when they reach the deep airways of the respiratory system through inhalation. Furthermore, the harm caused by biopersistent nanofibers was directly related to their flexural rigidity. Thus, knowing the mechanical behavior of these materials became crucial not only for the potential application in structural components, but also to control the spread of rigid nanofibers before the potential risks are assessed. The presented work proposes a novel method to evaluate the flexural rigidity of nanofibers by employing a non-complex experimental setup using the Dynamic Scanning Electron Microscopy technique. In this method, the Young’s modulus of cantilevered nanofibers was obtained through mechanical excitation and resonance detection experiments based on the Euler-Bernoulli beam theory. Upon deriving the Young’s modulus experimentally, the flexural rigidity was calculated and discussed. Multi-walled carbon nanotubes and silicon carbide nanowires were investigated. The results showed scattered values of Young’s modulus from 15 to 161 GPa and 105 to 340 GPa, respectively. The nanotubes exhibited a curvilinear morphology, which is not exactly in accordance with the Euler-Bernoulli principle. However, it was important to examine this material since it became a benchmark for toxicological studies. For that, an alternative model to determine the Young’s modulus based on the vibration of curved beams was proposed and compared to Euler-Bernoulli. In addition, the curvy shape of the nanotubes was noticed to increase uncertainties on the length measurements performed via SEM images, because it produces a projected length different from the fiber’s true length. This effect can cause error deviations in average up to 59% on the Young’s modulus. To minimize these errors, a parallax method to reconstruct the 3D model of the fiber based on the 2D images with different tilt angles is recommended. On the other hand, the silicon carbide nanowires were very straight, showing a vibration behavior very approximate to the theoretical values for perfect linear elastic beams, and an average error of 18.6% on the Young’s modulus. Both nanofibers showed flexural rigidity values above the critical rigidity threshold of 10-19 N·m2, which is the maximum permitted to prevent damages in defense cells of lungs. Therefore, these fibers were classified as potential hazard for humans. The method described is applicable to nanofibers and nanowires with known material density, exhibiting a beam-like shape and electrically conductive or semiconductive., In den letzten Jahrzehnten wurde der Welt eine neue Klasse von Materialien mit herausragenden Eigenschaften im nanometerbereich vorgestellt, die vielversprechende Fortschritte in verschiedenen Technologiebereichen ermöglicht. Diese Materialien weisen eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie bemerkenswerte mechanische Eigenschaften auf. Unter diesen nanoskaligen Materialien wurden die Nanofasern sofort als großartiger Verstärkungsersatz für makroskopische Partikel in Verbundwerkstoffen vorhergesehen, insbesondere dort, wo das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt. Forschungsbereiche, die sich mit den Auswirkungen dieser Materialien auf die Umwelt befassen, begannen jedoch, die Folgen von Nanofasern zu beleuchten, die z. B. bei der Herstellung oder bei der Entsorgung in die Atmosphäre abgegeben werden. Diese Studien haben gezeigt, dass frei in der Luft schwebende biopersistente Nanofasern mit bestimmten Abmessungsmerkmalen ernsthafte Gesundheitsprobleme hervorrufen können, wenn sie durch Einatmen in die tiefen Atemwege gelangen. Die durch biopersistente Nanofasern verursachten Schäden standen außerdem in direktem Zusammenhang mit ihrer Biegesteifigkeit. Daher ist die Kenntnis des mechanischen Verhaltens dieser Materialien nicht nur für die potenzielle Anwendung in Strukturbauteilen von entscheidender Bedeutung, sondern auch, um die Verbreitung von starren Nanofasern zu kontrollieren, bevor die potenziellen Risiken bewertet werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige Methode zur Bewertung der Biegesteifigkeit von Nanofasern vorgeschlagen, bei der ein unkomplizierter Versuchsaufbau unter Verwendung der dynamischen Rasterelektronenmikroskopie-Technik verwendet wird. Bei dieser Methode wurde der Elastizitätsmodul von freitragenden Nanofasern durch mechanische Anregung und Resonanzdetektionsexperimente auf der Grundlage der Euler-Bernoulli-Theorie ermittelt. Nach der experimentellen Ableitung des Elastizitätsmoduls wurde die Biegesteifigkeit berechnet und diskutiert. MWCNTs und SiC NWs wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigten verstreute Werte des Elastizitätsmoduls von 15 bis 161 GPa bzw. 105 bis 340 GPa. Die CNTs wiesen eine gekrümmte Morphologie auf, die nicht genau mit dem Euler-Bernoulli-Prinzip übereinstimmt. Dennoch war es wichtig, dieses Material zu untersuchen, da es als Maßstab für toxikologische Studien diente. Die gekrümmte Form der CNTs erhöhte die Unsicherheiten bei den Längenmessungen, die mittels SEM-Bildern durchgeführt wurden. Dieser Effekt kann zu Fehlerabweichungen von durchschnittlich bis zu 59 % beim Elastizitätsmodul führen. Um diese Fehler zu minimieren, wird ein 3D-Rekonstruktionsmodell der Faser auf der Grundlage der 2D-Bilder empfohlen. Andererseits waren die SiC NWs sehr gerade und zeigten ein Schwingungsverhalten, das einem perfekten linearen elastischen Balken sehr nahe kam, und einen durchschnittlichen Fehler von 18,6 % beim Elastizitätsmodul. Beide Nanofasern wurden als potenzielle Gefahr für den Menschen eingestuft, da ihre Biegesteifigkeitswerte über der kritischen Steifigkeit von 10-19 N·m2 lagen. Die beschriebene Methode ist auf Nanofasern mit bekannter Dichte anwendbar, die eine balkenartige Form aufweisen und elektrisch leitfähig oder halbleitend sind.

Bauablaufpl��nen kommt bei der Realisierung von Bauprojekten eine zentrale Rolle zu. Sie dienen der Koordination von Schnittstellen und bilden f��r die am Projekt Beteiligten die Grundlage f��r ihre individuelle Planung. Eine verl��ssliche Terminplanung ist daher von gro��er Bedeutung, tats��chlich sind aber gerade Bauablaufpl��ne f��r ihre Unzuverl��ssigkeit bekannt. Aufgrund der langen Vorlaufzeiten bei der Planung von Bauprojekten sind zum Zeitpunkt der Planung viele Informationen nur als Sch��tzwerte bekannt. Auf der Grundlage dieser gesch��tzten und damit mit Unsicherheiten behafteten Daten werden im Bauwesen deterministische Terminpl��ne erstellt. Kommt es w��hrend der Realisierung zu Diskrepanzen zwischen Sch��tzungen und Realit��t, erfordert dies die Anpassung der Pl��ne. Aufgrund zahlreicher Abh��ngigkeiten zwischen den geplanten Aktivit��ten k��nnen einzelne Plan��nderungen vielf��ltige weitere ��nderungen und Anpassungen nach sich ziehen und damit einen reibungslosen Projektablauf gef��hrden. In dieser Arbeit wird ein Vorgehen entwickelt, welches Bauablaufpl��ne erzeugt, die im Rahmen der durch das Projekt definierten Abh��ngigkeiten und Randbedingungen in der Lage sind, ��nderungen m��glichst gut zu absorbieren. Solche Pl��ne, die bei auftretenden ��nderungen vergleichsweise geringe Anpassungen des Terminplans erfordern, werden hier als robust bezeichnet. Ausgehend von Verfahren der Projektplanung und Methoden zur Ber��cksichtigung von Unsicherheiten werden deterministische Terminpl��ne bez��glich ihres Verhaltens bei eintretenden ��nderungen betrachtet. Hierf��r werden zun��chst m��gliche Unsicherheiten als Ursachen f��r ��nderungen benannt und mathematisch abgebildet. Damit kann das Verhalten von Abl��ufen f��r m��gliche ��nderungen betrachtet werden, indem die durch ��nderungen erzwungenen angepassten Terminpl��ne simuliert werden. F��r diese Monte-Carlo-Simulationen der angepassten Terminpl��ne wird sichergestellt, dass die angepassten Terminpl��ne logische Weiterentwicklungen des deterministischen Terminplans darstellen. Auf der Grundlage dieser Untersuchungen wird ein stochastisches Ma�� zur Quantifizierung der Robustheit erarbeitet, welches die F��higkeit eines Planes, ��nderungen zu absorbieren, beschreibt. Damit ist es m��glich, Terminpl��ne bez��glich ihrer Robustheit zu vergleichen. Das entwickelte Verfahren zur Quantifizierung der Robustheit wird in einem Optimierungsverfahren auf Basis Genetischer Algorithmen angewendet, um gezielt robuste Terminpl��ne zu erzeugen. An Beispielen werden die Methoden demonstriert und ihre Wirksamkeit nachgewiesen., Construction schedules are of significant importance in the execution of building projects. As basis for individual project planning of all project stakeholders, construction schedules support the coordination of interfaces. While reliable scheduling is of particular relevance for the entire project, construction schedules are known to be notoriously unreliable. Because of long project preparations in civil engineering, information necessary for scheduling is often estimated at the time of drafting construction plans. Therefore uncertain data form the basis of deterministic schedules prepared to guide building executions. When discrepancies between assumptions and reality occur during building processes, schedules need to be adjusted. Due to many interdependencies between construction processes, certain schedule changes may lead to significant further changes and adjustments and may jeopardise a smooth project execution. This thesis develops a method to generate construction schedules that can absorb project changes while considering the interdependencies and boundary conditions imposed by the project specifics. Schedules that require comparatively small adjustments in case of project changes are referred to as robust. Based on methods for project scheduling and for representing process uncertainties, deterministic schedules are studied with respect to their behaviour under changes. Reasons for uncertainties are discussed and transferred into a mathematical description of process changes. Defining process changes mathematically allows analysing schedule adjustments arising from project changes by generating adjusted schedules in Monte Carlo simulations. In this thesis, efforts are made to ensure that schedules created by simulation are logical advancements of the respective original, deterministic schedules. Interpretations of the results of the stochastic simulations serve as basis for quantifying schedule robustness to describe the ability of a schedule to absorb changes. The definition of a robustness measure allows the comparison of schedules in terms of their robustness. The method developed herin is then employed as part of an optimisation procedure based on genetic algorithms to systematically generate robust schedules. To demonstrate their effectiveness, the methods are validated using practical examples.

Material demand still rises on a global level, which leads to a variety of environmental impacts. This trend is not expected to change in the near future. However, the use of more varied materials is essential for economic development. The environmental impacts of these increasing material applications in quantity and variety do not leave supply risks untouched. On the one hand, the environmental impacts of material use can lead to supply risks, as sourcing countries might not be willing to deteriorate their environment to supply other countries with raw materials. On the other hand, the environmental impacts of material extraction and processing can be in conflict with environmental goals and policies that a country that purchases these materials has. Both of these aspects contribute to environmental criticality, as they render a trade relationship less stable. This thesis aims to improve existing methods to assess the environmental effects of abiotic raw material use that can affect criticality. Therefore, within this thesis a revised criticality assessment was developed that can be applied to a world region (the EU) based on the SCARCE method (previously applied to Germany). Within criticality assessment the weighting and aggregation of indicators is a challenge. Therefore, a new aggregation approach for the environmental dimension of criticality assessment was developed by monetizing the environmental impacts. This modification is building on a review paper that analyzed all currently used monetization methods in Life Cycle Assessment (LCA) on quantitative and qualitative level. Two methods to quantify environmental costs by monetizing LCA results were developed that can be used to measure environmental criticality. One method considered the environmental categories in the method SCARCE. The second method monetized all ReCiPe impact categories that address human health and terrestrial ecosystems. To apply the developed methods, two case studies were conducted to assess environmental costs of i) global material production and ii) the EU’s low-carbon development. The damages for the EU’s low-carbon development range from €13.1 billion to €74.8 billion, with €38.9 billion as the medium estimate per year. The results showed that especially the material demand of the mobility transition contributes to environmental criticality. For global material production, the environmental costs range from €0.4 trillion/yr (low) to €5 trillion/yr (high). The materials with the largest cost contribution were energy carriers (33%-60%), iron (12%-20%), aluminum (5%-8%) and thus materials that are used for basic functions in the daily life. Both methods show where the environmental impacts lie with country resolution. They can be further used, developed and modified to investigate how material extraction and its environmental impacts affect overall economic activity and human wellbeing, but also how they might affect the stability of a trade relationship. The methods are thus a first step to identify measures that can reduce environmental impacts of raw material extraction and processing with the intention to stabilize trade relationships in the long run., Die Nachfragen nach Materialien steigt weltweit weiterhin an, was zu einer Vielzahl von Umweltauswirkungen führt. Es ist nicht zu erwarten, dass sich diese Entwicklung in naher Zukunft ändert. Der Einsatz vielfältigerer Materialien ist für die wirtschaftliche Entwicklung unerlässlich. Allerdings beeinflussen die Umweltauswirkungen dieser zunehmenden Materialmenge und Materialvielfalt Versorgungsrisiken. Einerseits können die Umweltauswirkungen der Materialnutzung zu Versorgungsrisiken führen, da Länder, in den die Materialien gewonnen werden, möglicherweise nicht bereit sind, ihre Umwelt zu belasten, um andere Länder mit Rohstoffen zu beliefern. Andererseits können die Umweltauswirkungen der Materialgewinnung und -verarbeitung im Widerspruch zu den Umweltzielen und -richtlinien stehen, die ein Land hat, das diese Materialien erwirbt. Beide Aspekte tragen zur Umweltkritikalität bei, da sie eine Handelsbeziehung weniger stabil machen. Diese Arbeit zielt darauf ab, bestehende Methoden zur ökologischen und ökonomischen Bewertung von abiotischer Rohstoffnutzung, die die Kritikalität beeinflussen können, zu verbessern. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit eine überarbeitete Kritikalitätsbewertung basierend auf der SCARCE-Methode (zuvor angewendet auf Deutschland) entwickelt, die auf eine Weltregion (die EU) angewendet werden kann. Innerhalb der Kritikalitätsbewertung ist die Gewichtung und Aggregation von Indikatoren eine Herausforderung. Daher wurde ein neuer Aggregationsansatz für die Umweltdimension der Kritikalitätsbewertung entwickelt, indem die Umweltauswirkungen monetarisiert werden. Diese Modifikation baut auf einem Review-Artikel auf, der alle derzeit verwendeten Monetarisierungsmethoden in der Ökobilanzierung auf quantitativer und qualitativer Ebene analysiert hat. Es wurden zwei Methoden zur Quantifizierung von Umweltkosten durch Monetarisierung von Ökobilanzergebnissen entwickelt, die zur Messung der Umweltkritikalität verwendet werden können. Eine Methode berücksichtigte die Umweltkategorien in der Methode SCARCE. Die zweite Methode monetarisierte alle ReCiPe-Wirkungskategorien, die sich auf die menschliche Gesundheit und terrestrischen Ökosysteme beziehen. Um die entwickelten Methoden anzuwenden, wurden zwei Fallstudien durchgeführt, um die Umweltkosten i) der globalen Materialproduktion und ii) der Energie und Verkehrswende der EU zu bewerten. Die Umweltschäden durch die Ressourcennutzung für die Energie— und Verkehrswende in der EU reichen von 13,1 Mrd. € bis 74,8 Mrd. €, wobei die mittlere Schätzung 38,9 Mrd. € pro Jahr beträgt. Die Ergebnisse zeigten, dass insbesondere der materielle Bedarf der Mobilitätswende zur Umweltkritikalität beiträgt. Für die globale Materialproduktion reichen die Umweltkosten von 0,4 Billionen €/Jahr (niedrige Schätzung) bis 5 Billionen €/Jahr (hohe Schätzung). Die Materialien mit dem größten Kostenbeitrag waren fossile Energieträger (33 %-60 %), Eisen (12 %-20 %) und Aluminium (5 % 8 %) und damit Materialien, die für Grundfunktionen im täglichen Leben verwendet werden. Beide Methoden zeigen in welchen Ländern die Umweltauswirkungen auftreten. Sie können weiterverwendet, weiterentwickelt und modifiziert werden, um besser zu verstehen, wie sich die Materialgewinnung und ihre Umweltauswirkungen auf die allgemeine Wirtschaftstätigkeit und das menschliche Wohlergehen auswirken, aber auch, wie sie die Stabilität einer Handelsbeziehung beeinflussen können. Die Methoden sind somit ein erster Schritt, um Maßnahmen zu identifizieren, die die Umweltauswirkungen der Rohstoffgewinnung und -verarbeitung reduzieren können, auch mit dem Ziel, Handelsbeziehungen langfristig zu stabilisieren.

Gasfolienlager (aus dem Englischen Gas Foil Bearing, kurz GFB) sind aufgrund ihres Aufbaus sowie ihres Schmiermediums umweltfreundliche, verlustarme und kostengünstige Maschinenkomponenten, die besonders bei leichten und schnellen Rotoren Anwendung finden. Dank ihrer elastischen Lagerwand können sie im Gegensatz zu Gleitlagern leichte Druckschwankungen im Schmierfilm während des Betriebs selbst regulieren. Diese Lagertechnologie wurde jedoch noch nicht ausreichend erforscht. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit die experimentelle Untersuchung von GFBs sowie von GFB-gelagerten Rotoren. Die elastische Lagerwandstruktur, die, wie bereits erwähnt, die Besonderheit der GFBs darstellt, ist das erste Untersuchungsobjekt in dieser Arbeit. Dabei wird das Strukturverhalten sowohl numerisch simuliert als auch experimentell untersucht. Es werden im analytischen Teil statische sowie dynamische Modelle nach Iordanoff, Heshmat sowie Le Lez implementiert und einander gegenübergestellt. Dabei zeigt das Modell von Le Lez gute Ergebnisse und wird als Strukturmodell für den weiteren numerischen Teil bevorzugt. Die experimentellen Versuche an der elastischen Lagerwand werden statisch sowie dynamisch durchgeführt. Bei der statischen Untersuchung wird das GFB von einer statischen Kraft belastet, um den Weg-Kraft-Verlauf aufzunehmen. Die Messung wird an einem mit Shims modifizierten sowie einem nicht modifizierten Lager durchgeführt. Es handelt sich bei den Shims um metallischen Lehrenbleche, die zwischen Bumpfolie und Gehäuse hineingebracht werden. Diese Modifikation des Lagers sorgt für einen Anstieg der Lagersteifigkeit und eine Reduzierung des Nominalspalts. Bei der dynamischen Messung gilt das Interesse dem Verhalten der Struktur in Abhängigkeit der Erregerfrequenz, der Schwingungsamplituden und der statischen Lagerlast. Das Lagerstrukturverhalten wird anschließend hinsichtlich Steifigkeit und Dämpfung analysiert. Die Versuche zeigen bei zunehmenden Frequenzen eine Erhöhung der Steifigkeit, während die Dämpfung abnimmt. Dieses Verhalten ist unabhängig von den Schwingungsamplituden. Im realen Betrieb setzt sich jedoch die Steifigkeit und die Dämpfung von GFBs sowohl aus der elastischen Lagerwandstruktur als auch aus dem Schmierfilm zusammen. Zur Bestimmung dieser Lagerparameter werden Versuche bei unterschiedlichen konstanten Drehzahlen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den dabei aufgebauten Schmierfilm die Steifigkeit des Lagers sinkt. Außerdem lässt sich ein Anstieg der Lagersteifigkeit durch die Modifizierung des Lagers mit Shims beobachten. Die Untersuchungen zur Bestimmung der Lagerparameter sind zeit- und kostenintensiv. Daher ist die Reproduktion dieser Versuche durch numerische Simulationen anzustreben. Dabei werden sowohl der Schmierfilm als auch die elastische Lagerwandstruktur modelliert. Ein Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen deutet darauf hin, dass das Modell etwas konservativer ist, denn die Lagerparameter werden ein wenig unterschätzt. Dennoch liefert das Modell eine gute Vorhersage für die Auslegung von GFBs. Beim letzten Experiment wird untersucht, wie ein mit GFB-gelagerter Rotor auf reale Einflüsse, wie Beschleunigungsänderung oder Unwucht, reagiert. Dabei liegt der Fokus auf den subharmonischen Schwingungen, die bei GFB-gelagerten Systemen im höheren Drehzahlbereich auftreten. Aufgrund der niedrigen Dämpfung der GFBs können diese Schwingungen nicht ausreichend gedämpft werden. Solche Schwingungen können zur Lagerversagen führen, wenn ihre Amplitude ausreichend hoch ist. Im Rahmen dieser rotordynamischen Untersuchung wird durch passive Maßnahmen (Shims) die Entstehung von subharmonischen Schwingungen beeinflusst. Diese Maßnahme zeigt positiven Effekte auf das rotordynamische Verhalten unter anderem die Reduzierung der Schwingwege und die Unterdrückung der subharmonischen Schwingungen im niedrigen Drehzahlbereich. Es wurden somit diverse Parameter von GFBs untersucht und deren Einflüsse qualitativ und quantitativ zusammengefasst., Due to their structure and their lubricant, gas foil bearings (GFBs) are environmentally friendly, low-loss and low-cost machine components, which are used particulary for lighter and faster rotors. Thanks to their compliant structure, in contrast to plain bearings, they can regulate slight pressure fluctuations in the lubricating film themselves during operation. However, the GFB technology has not been sufficiently researched. Therefore, the main goal of this work is the experimental investigation of GFBs as well as of GFB-supported rotors. The compliant structure, which, as already mentioned, is the special feature of the GFBs, is the first object of investigation in this work. Therefore the structure is modeled numerically and examined experimentally. Static and dynamic models according to Iordanoff, Heshmat and Le Lez are implemented and compared in the numerical work. The Le Lez’s model shows good results and is preferred as the structural model for further numerical work. The experimental tests on the compliant structure are carried out statically and dynamically. During the static examination, the GFB is loaded with a static force in order to record the force-displacement curve. The measurement is performed on a GFB modified with shims and on an unmodified GFB. The shims are metallic feeler gauge tapes that are inserted between the bump foil and the housing. This modification of the bearing increases the stiffness of the structure and reduces the nominal gap. In the case of dynamic measurements, there is an interest in the behavior of the structure depending on the excitation frequency, the vibration amplitudes and the static bearing load. The bearing structure behavior is then analyzed regarding its stiffness and damping. The tests show an increase in stiffness with increasing frequencies, while the damping decreases. This behavior is independent of the vibration amplitudes. In real operation however, the stiffness and damping of GFBs derive from both the compliant structure and the lubricating air film. In order to determine these bearing parameters, tests are carried out at various constant speeds. The results show that the bearing stiffness is lower in the presence of the developing lubricating air film. Furthermore, an increase of the bearing stiffness can be observed by the modification of the bearing with shims. The investigations to determine the bearing parameters are time and cost intensive. Therefore, today’s aim is to replace these tests with numerical simulations. For this purpose both the lubrica- ting film and the compliant bearing structure are modeled. A comparison with the experimental results suggests that the model is a little conservative, because the bearing parameters are slightly underestimated. Nevertheless, the model provides a good prediction for the design of GFBs. The last experiment investigations how a rotor mounted with GFBs reacts to realistic influences such as changes in acceleration or unbalance. In this investigation the focus lies on the subharmonic vibrations that occur in systems with GFBs in the higher speed range. Due to the low damping of the GFBs, these vibrations cannot be damped sufficiently. Such vibrations can lead to bearing failure if their amplitude is sufficiently high. In the course of this rotordynamic investigation, the generation of these vibrations is influenced by passive measures (shims). This measure shows positive effects on the dynamic behavior of the rotor, such as the reduction of the vibration amplitude and the suppression of subharmonic vibrations in the low speed range. Thus, various parameters on GFBs were examined and their influences recorded qualitatively and quantitatively.

Research on Unidentified Aerial Phenomena; 1

Kernziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Konzeptfindung und zur strukturmechanischen Optimierung von Anbindungsstrukturen für Planetengetriebe in Flugtriebwerken zu leisten. Hierzu wurde ein auf CAD-Geometrien basierender Optimierungsprozess geschaffen und auf verschiedene Problemstellungen angewendet. Die Arbeit gliedert sich in sechs Kapitel, in denen ein Verständnis für die Notwendigkeit und die Problemstellung vermittelt werden soll. Die Einleitung beschreibt Entwicklungstendenzen für Triebwerke in der zivilen Luftfahrt und die Gründe für den Einsatz von Planetengetrieben. Da die hier entwickelten Methoden die Konzeptfindung und somit die Produktentwicklung unterstützen sollen, wird skizziert, an welcher Stelle des Produktentwicklungsprozesses die Methoden am besten einzusetzen sind. Das zweite und dritte Kapitel sind der Strukturoptimierung gewidmet. Zunächst werden die Grundlagen Optimierung und wichtige Ansätze erläutert. Anschließend werden die üblichen Verfahren zur Strukturoptimierung mithilfe von finiten Elemente-Netzen vorgestellt. Folgend werden zwei Sonderfälle betrachtet, die Optimierung von flexiblen Bauteilen und von mehreren Bauteilen im Verbund. Beides stellt eine besondere Herausforderung dar und wird in den späteren Fallstudien aufgegriffen. Im dritten Kapitel wird der alternative, auf CAD-Geometrien basierende Ansatz zur Strukturoptimierung vorgestellt. Abschließend werden die Methoden anhand von akademischen Beispielen validiert. Das vierte Kapitel befasst sich mit Antwortflächenverfahren. Sie sind ein gängiges Mittel, um Optimierungsprozesse zu beschleunigen. Hierzu werden zunächst die wichtigsten Grundlagen zur nötigen Versuchsplanung erläutert und die drei gängigsten Ansätze diskutiert. Auf der Grundlage eines Vergleichs dieser Verfahren wird ein geeigneter Ansatz ausgewählt. Im fünften Kapitel werden fünf Fallstudien aufgeführt. Jede davon greift eine praxisnahe Problemstellung auf und demonstriert die Herangehensweise und die Möglichkeiten und Grenzen eines auf CAD-Geometrien basierten Ansatzes zur Strukturoptimierung. Das erste, zweite und fünfte Fallbeispiel beziehen sich auf die im zweiten Kapitel genannten Sonderfälle. Im dritten Fallbeispiel wird eine Optimierung der Systemeigenfrequenz durchgeführt, die es nötig macht, eine Brücke von der Einzelkomponente zu einem aus reduzierten Matrizen bestehenden Systemmodell zu schlagen. Im vierten Fallbeispiel werden die im vierten Kapitel beschriebenen Antwortflächenverfahren eingesetzt, um die reduzierte Matrix einer Einzelkomponente für ein Systemmodell auf der Basis der Geometrieparameter vorherzusagen. Abschließend fasst das sechste Kapitel die Ergebnisse zusammen. Die gezeigten Ansätze sind sehr gut geeignet, um flexible Strukturen zu finden. Die Systemoptimierung und Prozessbeschleunigung konnten erfolgreich durchgeführt werden und haben zu signifikanten Verbesserungen geführt. Abschließend wird das Vorgehen im Vergleich zu anderen Lösungsmöglichkeiten bewertet., The main target of the thesis is to contribute to concept development strategies and structural optimization of mounting structures of planetary gear boxes in aero engines. For this, an optimization process has been created and applied on several different problem constellations, which uses CAD-geometries. The thesis is structured in six chapters. Within these the need for an optimization and the problems connected therewith are discussed. The introduction showcases the major development tendencies for aero engines in civil applications and the reasoning behind the use of planetary gear boxes. Since the evolved methods support concept and therefore also product development, it is explained in which part of the development process they can be used best. The second and third chapter focus on structural optimization. They explain the fundamentals of mathematical optimization and the most common approaches. Afterwards the most common approaches of structural optimization, using finite element meshes, are explained. The end of the second chapter addresses two special cases, considering flexible structures and multiple adjacent components, which are particularly challenging and addressed in the case studies later. In the third chapter an alternative approach for structural optimization is shown, which is based on CAD-geometries. Finally, the methods are validated using academic examples. The fourth chapter deals with response surface techniques. They are a common instrument to accelerate optimization processes. Initially the fundamentals of design experiments are explained, and three established response surface techniques are shown and discussed. Based on a performed benchmarking comparison the most promising technique for task has been chosen, which in this case are radial basis functions. The fifth chapter consists of five case studies. Each of them addresses a practical engineering problem and demonstrates the approach, possibilities and limitations of a CAD-geometry based structural optimization strategy. The first, second and fifth case study follow up on the special problem cases mentioned. In the third case study a system eigenfrequency optimization is performed, which requires creating a bridge from the individual component towards a system model consisting of reduced matrices. The fourth case study applies the response surface techniques to predict the reduced matrices of single components based on geometry parameters. The reduced matrices are then used for a larger system model. Finally, the sixth chapter summarizes the results. The developed approaches are well suited for finding flexible structures. The system optimization and process acceleration has been performed successfully and lead to significant improvements. However, the shown approach has been assessed and compared to alternative solutions.

The application of information and communication technology (ICT) is attributed a decisive role in the necessary reduction of energy and resource demand and associated environmental emissions. However, a closer look at the environmental impact of ICT reveals a contradictory picture: On the one hand, the application of ICT has the potential to reduce environmental impacts and counter climate change. On the other hand, ICT's direct energy and resource demands and their associated environmental impact are substantial. So far, it has not been possible to determine the actual environmental impact of various ICT applications. This is due to the lack of suitable approaches to include higher-order effects such as induction and rebound effects in the life cycle assessment (LCA) of ICT. This thesis aims at addressing this gap. With a focus on the application of ICT, this thesis therefore investigates how higher-order effects can be integrated into LCA of ICT. Higher-order effects of ICT are those that stem from the application of ICT, for example optimisation, induction or rebound effects. Three research questions were formulated for this purpose. The first was based on a literature review and identified the various challenges of including higher-order environmental effects of ICT into LCA. These challenges included methodological issues with regard to the definition of goal and scope in LCA of ICT, and the lack of empirical data on use-related higher-order effects. ased on these challenges, the second research question considered how higher-order effects can be properly addressed in the goal and scope definition in LCA. To this end, a conceptual framework \emph{The user perspective in LCA} was developed that firstly outlines various user-driven parameters, such as number and choice of products or intensification of use, and secondly relates these parameters to corresponding LCA modelling characteristics, such as definition of functional unit or system boundaries. Finally, the third research question focused on the operationalisation of the conceptual framework and its application in two case studies. The case of smart homes with smart heating in Germany was used to demonstrate the feasibility of the framework and to gain insights into the environmental assessment of smart home systems (SHS) when higher-order effects are also captured. The study design included the operationalisation of the user-driven parameters, the collection of primary data using an online survey, and the environmental assessment with LCA both of the average SHS in Germany (first case study), and of 375 different SHS in Germany (second case study). For one, findings show that direct environmental effects of the SHS are substantial. For example, heating optimisation in the average SHS must be at least 6\% of the annual heating energy demand over three years in order to balance out the effects of the production and operation of the SHS for the impact categories Climate Change and Primary Energy Demand. Secondly, it was found that user behaviour in the smart home varies greatly and that both the choice of device (induction effect) and the actual heating behaviour (rebound effect) have a decisive influence on the overall environmental performance of the SHS. It follows that the inclusion of user behaviour in LCA of ICT can increase the uncertainty of the results if the data on user behaviour are not appropriately validated. With regard to LCA modelling, it was found that a proper definition of the functional unit is particularly relevant for the integration of higher-order effects into the goal and scope definition. Another challenge can be the handling of multifunctionality when it comes to the inclusion of induction effects. With the development of the conceptual framework \emph{The user perspective in LCA} and its operationalisation and application to the case of smart homes, this research presented a novel approach to integrating higher-order effects into LCA of ICT. This is particularly relevant when investigating the environmental net saving potential of the application of ICT. Future research can tie in with this, for example in the investigation of higher-order ICT effects in other sectors, in the development of further interdisciplinary approaches for investigating product use behaviour, or in the development of databases with representative behavioural data for product assessment., Der Verwendung von Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) wird bei der notwendigen Reduktion von Energie und Ressourcen und den damit verbundenen Umweltauswirkungen eine entscheidende Rolle zugeschrieben. Ein differenzierter Blick auf die Umweltauswirkungen lässt allerdings ein widersprüchliches Bild erkennen: Einerseits kann der Einsatz von IKT in anderen Prozessen und Sektoren Umweltbelastungen reduzieren und dem Klimawandel entgegenwirken. Andererseits sind der direkte Energie- und Ressourcenbedarf der IKT und die damit verbundenen Umweltauswirkungen erheblich. Bislang war es nicht ohne weiteres möglich, die tatsächlichen Umweltauswirkungen verschiedener IKT-Anwendungen zu ermitteln, da es an geeigneten Ansätzen fehlt, um übergeordnete Effekte wie Induktions- und Reboundeffekte, die sich aus der Anwendung der IKT ergeben, in die Ökobilanz einzubeziehen. Diese Lücke schließt die vorliegende Arbeit. Mit dem Fokus auf die Anwendung von IKT wird untersucht, wie übergeordnete Umwelteffekte in die Ökobilanz von IKT integriert werden können. Als übergeordnete Effekte werden diejenigen Effekte bezeichnet, die durch die Anwendung der IKT entstehen, beispielsweise Optimierung, Induktion, oder auch Rebound. Für die Untersuchung werden drei Forschungsfragen formuliert. Die erste bezieht sich auf die aktuellen Herausforderungen bei der Einbeziehung von übergeordneten IKT-Effekten in die Ökobilanz. Auf der Grundlage einer Literaturrecherche werden verschiedene dieser Herausforderungen identifiziert, beispielsweise methodische Herausforderungen in Bezug auf die Definition von Ziel und Untersuchungsumfang in der Ökobilanz von IKT oder der Mangel an empirischen Daten zu nutzungsbezogenen Effekten. Auf der Grundlage dieser identifizierten Herausforderungen fokussiert die zweite Forschungsfrage darauf, wie die übergeordneten Effekte bei der Definition von Ziel und Untersuchungsrahmen in der Ökobilanz entsprechend berücksichtigt werden können. Dafür wird das Framework \emph{Die Nutzerperspektive in der Ökobilanz} entwickelt. Darin sind verschiedene nutzergesteuerte Parameter wie Anzahl der Produkte oder die Nutzungsintensität aufgeführt und den entsprechenden Eigenschaften in der Ökobilanz, wie der Definition der funktionalen Einheit und der Systemgrenzen zugeordnet. Die dritte Forschungsfrage konzentriert sich auf die Operationalisierung des Frameworks und dessen Anwendung in zwei Fallstudien. Als Anwendungsfall wird das Smart Home mit smarter Heizungssteuerung in Deutschland verwendet. Ziel ist es, die Machbarkeit des Frameworks zu demonstrieren und Einblicke in die Umweltbewertung von Smart Homes zu gewinnen, wenn auch übergeordnete Effekte erfasst werden. Das Studiendesign umfasst die Operationalisierung der nutzergesteuerten Parameter, die Erhebung von Primärdaten mittels einer Online-Befragung und die Umweltbewertung des durchschnittlichen Smart Homes (Fallstudie 1), sowie von 375 verschiedenen Smart Homes in Deutschland (Fallstudie 2). Die Ergebnisse verdeutlichen zum einen die erheblichen direkten Umweltauswirkungen von Smart Homes. Um die Auswirkungen aus der Produktion und dem Betrieb des Smart Homes in den Wirkungskategorien Treibhauspotential und Primärenergieverbrauch auszugleichen, muss beispielsweise durchschnittlich mindestens 6\% des jährlichen Heizenergiebedarfs über drei Jahre durch Optimierung des Heizenergieverbrauchs eingespart werden. Zum anderen wurde festgestellt, dass das Nutzungsverhalten im Smart Home sehr unterschiedlich ist und sowohl die Wahl der Geräte (Induktionseffekt) als auch das tatsächliche Heizverhalten (Rebound-Effekt) einen entscheidenden Einfluss auf die Gesamtumweltbewertung des Smart Homes ausüben. Daraus folgt, dass die Einbeziehung des Nutzerverhaltens in die Ökobilanz von IKT die Unsicherheit der Resultate erhöhen kann, wenn diese nutzerspezifischen Daten nicht angemessen validiert werden. Für die Modellierung von übergeordneten Effekten in der Ökobilanz zeigen die Ergebnisse, dass eine korrekte Definition der funktionalen Einheit besonders wichtig ist. Eine Herausforderung kann der Umgang mit Multifunktionalität sein, wenn es um die Einbeziehung von Induktionseffekten geht. Mit der Entwicklung des Frameworks \emph{Die Nutzerperspektive in der Ökobilanz} und dessen Operationalisierung und Anwendung am Beispiel von Smart Homes präsentiert diese Forschung somit einen neuartigen Ansatz zur Integration von übergeordneten Effekten in die Ökobilanz von IKT. Dies ist insbesondere bei der Untersuchung des Umwelteinsparpotenzials von IKT-Anwendung von Bedeutung. Daran können zukünftige Forschungsarbeiten anknüpfen, beispielsweise bei der Untersuchung des Einsparpotentials von IKT in anderen Sektoren, bei der Entwicklung von weiteren interdisziplinären Ansätzen zur Untersuchung von Produktnutzungsverhalten, oder auch bei der Entwicklung von Datenbanken mit repräsentativen Nutzungsdaten für die Produktbewertung.

Zur Untersuchung und Prognose des Tragverhaltens von Pfählen und pfahlartigen Traggliedern wurden auf einem geotechnisch umfangreich erkundeten Testfeld dynamische und statische Pfahlprobebelastungen durchgeführt und anschließend wissenschaftlich ausgewertet. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen im Maßstab 1:1 lieferten neue Erkenntnisse über die Tragmechanismen der Pfähle und pfahlartigen Traggliedern und über Zusammenhänge zwischen den Ergebnissen der dynamischen und statischen Probebelastungen. Darüber hinaus bildeten die Erkenntnisse und Messergebnisse aus den verschiedenen Probebelastungen die Grundlage für die Entwicklung innovativer numerischer Simulationsmodelle zur Prognose des Tragverhaltens der Tragglieder. Um die genannten Effekte im Tragverhalten der Pfähle und pfahlartigen Tragglieder genauer zu untersuchen, wurde faseroptische Sensortechnik eingesetzt. Mit den Messergebnissen des Wellenausbreitungsverhaltens und deren Auswertung im Zeit- und Frequenzbereich konnte ein Zusammenhang zwischen Mantelreibung und Ausbreitungsgeschwindigkeit der eingeleiteten Welle in den Pfählen durch einen Vergleich mit den ermittelten Mantelreibungskurven aus quasi-kontinuierlicher Messung qualitativ nachgewiesen werden. Ergänzend zu den Belastungsversuchen wurden numerische Simulationsmodelle erstellt, um das Pfahl-Boden-Interaktionsverhalten unter dynamischer und statischer Belastung darzustellen und vorherzusagen. Die entwickelten Verfahren zur Prognose des Tragverhaltens von Pfählen und pfahlartigen Traggliedern können fallspezifisch eingesetzt werden, um eine Optimierung des Planungsprozesses der Tragglieder zu erreichen. Zur Ermittlung des Tragverhaltens der Pfählen ist es nicht erforderlich, ein umfangreiches Versuchsprogramm mit statischen oder dynamischen Lastversuchen durchzuführen, wie es üblicherweise der Fall ist. Anhand von Lastversuchen an ausgewählten und sorgfältig instrumentierten Traggliedern können die erforderlichen Referenzdaten ermittelt werden, um mit den vorgestellten Simulationsverfahren und Simulationsmethodiken das Tragverhalten bzw. die mobilisierten Widerstände im Pfahl-Boden-Interaktionsverhalten vorherzusagen. Die Ergebnisse der Arbeit haben gezeigt, dass für CFA-Pfähle Messdaten zum axialen Wellenausbreitungsverhalten in den Pfählen und konventionelle Messungen der Schwinggeschwindigkeit an den Pfahlköpfen ausreichen, um das Tragverhalten in guter Korrelation zu den Messungen aus statischen Lastversuchen darzustellen., In order to determine and predict the load-bearing behaviour of piles and rigid inclusions, dynamic and static pile load tests were carried out on a comprehensively explored geotechnical test field and then scientifically evaluated. The results of the experimental investigations on a scale of 1:1 provided new insights into the load-bearing mechanisms of the piles and rigid inclusions and into correlations between the results of the dynamic and static load tests. In addition, the insights and measurement results from the various load tests formed the basis for the development of innovative numerical simulation models to predict the load-bearing behaviour of the piles. In order to investigate the aforementioned effects in the load-bearing behaviour of the piles and rigid inclusions in more detail, fibre-optic sensor technology was used. With the measurement results of the wave propagation behaviour and their evaluation in the time and frequency range, a correlation between sleeve friction and propagation speed of the introduced wave in the piles could be qualitatively proven by a comparison with the determined sleeve friction curves from quasi-continuous measurement. In addition to the load tests, numerical simulation models were created to represent and predict the pile-soil interaction behaviour under dynamic and static loading. The developed methods for predicting the load-bearing behaviour of piles and rigid inclusions can be used case-specifically to optimise the design process of the load bearing elements . To determine the load-bearing behaviour of the piles, it is not necessary to carry out an extensive test programme with static or dynamic load tests, as is usually the case. By means of load tests on selected and carefully instrumented load bearing elements, the necessary reference data can be determined in order to predict the bearing behaviour or the mobilised resistances in the pile-soil interaction behaviour with the presented simulation procedures and simulation methodologies. The results of the work have shown that for CFA piles measured data on the axial wave propagation behaviour in the piles and conventional measurements of the vibration velocity at the pile heads are sufficient to represent the bearing behaviour in good correlation to the measurements from static load tests.

Due to the rapid developments in the field of additive manufacturing technologies in the recent past, the cost-effectively manufacturing of complex, small scaled components became possible. These demanding components mostly consist of multiple substructures on the micro- or macroscale. Based on the inner substructure (microscale), a special desired global deformation behavior can be triggered (macroscale). These structures are often referred to as mechanical metamaterials in literature. A very promising example of such a metamaterial is the so-called pantographic structure, which consists of two orthogonal arrays of beams connected by internal cylinders (pivots). In order to manufacture a metamaterial with a pantographic substructure, a parametrized, computer-aided design model was developed and used to produce differently sized specimens made of at least four different materials (Polylactide, Epoxy resin, Polyamide, Aluminum) by means of four different additive manufacturing technologies (Fused Deposition Modeling, Stereolithography, Selective Laser Melting, Direct Metal Laser Sintering). These specimens have been investigated experimentally in quasi-static extension, shearing, and torsion tests, evaluated by digital image correlation. All pantographics show a non-linear, resilient deformation behavior. By means of digital image correlation three-dimensional deformations (such as the buckling in shearing tests) could be captured and determined quantitatively. Based on these measurements, new (higher) material parameters have been determined by means of an inverse analysis and a higher gradient model has been evaluated., Durch den rapiden Entwicklungsfortschritt der letzten Jahre im Bereich der additiven Fertigung ist es möglich geworden, die kompliziertesten Bauteilstrukturen mit kleinsten Geometrien kosteneffizient und in ausreichend guter Qualität herzustellen. Diese höchst anspruchsvoll zu fertigenden Bauteile bestehen meist aus mehreren Substrukturen auf der Mikro- oder Makroskala. Basierend auf der inneren Geometrie (Mikroskala), kann ein speziell gewünschtes, globales Verformungsverhalten eingestellt werden (Makroskala). Diese Strukturen werden in der Literatur meist als mechanische Metamaterialien bezeichnet. Ein vielversprechendes Beispiel eines solchen Metamaterials ist die so genannte pantograpische Struktur, die aus zwei Ebenen mit jeweils senkrecht zueinander periodisch angeordneten Balken besteht, die durch Zylinder miteinander verbunden sind. Um dieses Metamaterial mit pantographischer Substruktur herzustellen, wurde ein parametrisiertes, rechnerunterstütztes Model entwickelt, mit dessen Hilfe in vier unterschiedlichen additiven Fertigungsverfahren (Schmelzschichtung, Stereolithographie, Selektives Laserschmelzen, Direktes Metall-Lasersintern) Proben unterschiedlichster Größe aus mindestens vier verschiedenen Materialien (Polymilchsäure, Epoxid-Harz, Polyamid, Aluminiumlegierung) hergestellt wurden. Diese Proben wurden experimentell in quasi-statischen Zug-, Scher- und Torsionsversuchen untersucht und mittels digitaler Bildkorrelation evaluiert. Alle Pantographen zeigen ein nicht-lineares, widerstandsfähiges Verformungsverhalten. Mit Hilfe der digitalen Bildkorrelation konnten auch drei dimensionale Verformungen (wie beispielsweise das Beulen in Scherversuchen) aufgenommen und quantitativ bestimmt werden. Basierend auf diesen Messungen wurden durch Anwendung einer inversen Analyse neue (höhere) Materialparameter bestimmt und ein höheres Gradientenmodell validiert.

Wesentlicher Gegenstand der Dissertationsschrift ist die Erforschung eines neuartigen additiven Fertigungsansatzes zur Herstellung elastischer mechatronischer Komponenten. Es wird die Kombination von Variationen und Weiterentwicklungen des Aerosol-Jet-Druck Verfahrens zur Produktion gestapelter Dielektrischer Elastomere beschrieben. Den Rahmen eines prototypischen Anwendungsfalls zur Ableitung der notwendigen und wünschenswerten Eigenschaften solcher flexiblen mechatronischen Systeme und damit letztlich der Anforderungen an ein Fertigungsverfahren bilden nachgiebige und damit anpassungsfähige Robotersysteme. Deren makroskopisch wirksame Kinematiken und Wirkflächen vereinen einen Merkmalskatalog hinsichtlich ihrer grundlegenden Konzepte und ihrer Anforderungen an einen Fertigungsansatz, der zukünftig auch einen Übertrag der gewonnenen Erkenntnisse auf andere Anwendungsdomänen flexibler mechatronischer Systeme erlaubt. Die dargestellten Methoden zur Herstellung von flexiblen Elektroden, Silikon-Dielektrika und integrierter Aktoren und Sensoren umfassen zum einen den Multi-Aerosol-Druck von RTV2-Silikonen zur programmierbaren Fertigung von Silikonlagen mit Schichtdicken im Bereich von 10 µm und deren Stapelung zu Volumenkörpern mit mehreren hundert Lagen. Weiterhin werden neuartige Ansätze zum zeiteffizienten Aerosol-Jet-Druck von elastischen Elektrodenstrukturen auf der Basis von reduziertem Graphenoxid vorgestellt. Der deren Herstellung erfolgt mittels eines neuartigen Hybrid-Atomizers, der die pneumatische und die ultraschallbasierte Aerosolerzeugung kombiniert. Daneben wird der Direktdruck von gefüllten Polymermatrizen durch die Kombination von drei Aerosolströmen beschrieben. Mit diesen neuartigen Ansätzen wird die Herstellung von prototypischen elastischen mechatronischen Komponenten in einem integrierten Prozessgerät demonstriert., The main subject of the dissertation is the research on a novel additive manufacturing approach for the production of elastic mechatronic components. The combination of variations and further developments of the aerosol jet printing process for the production of stacked dielectric elastomers is described. The framework of a prototypical use case for deriving the necessary and desirable properties of such flexible mechatronic systems and thus ultimately the requirements for a manufacturing process is formed by compliant and thus adaptable robot systems. Their macroscopically effective kinematics and active surfaces combine a catalogue of characteristics which will also allow the transfer of the knowledge gained to other application domains of flexible mechatronic systems in the future. The methods presented for the production of flexible electrodes, silicone dielectrics and integrated actuators and sensors include, on the one hand, multi-aerosol printing of RTV2 silicones for the programmable production of silicone layers with layer thicknesses in the range of 10 µm and their stacking to form solid bodies with several hundred layers. Furthermore, novel approaches for time-efficient aerosol jet printing of elastic electrode structures based on reduced graphene oxide are presented. These are produced using a novel hybrid atomiser that combines pneumatic and ultrasonic-based aerosol generation. In addition, the direct printing of filled polymer matrices by combining three aerosol streams is described. With these novel approaches, the fabrication of prototype elastic mechatronic components in an integrated process device is demonstrated., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 398

Current fiber optic backhaul systems using linear transmission formats are expected to reach the capacity limit due to the fiber’s inherent Kerr nonlinearity in near future. Nonlinear transmission formats, able of integrating this effect into signal design, are a promising approach to extend the capacity imitation. The Nonlinear Fourier Transformation as an extension of eigenvalue communication using coherent transmission technology enables such a nonlinear transmission format and provides two different kinds of spectra, a continuous and a discrete one. Different theoretical assumptions as prerequisites of the integrability of the nonlinear Schrödinger equation like a lossless and noisefree transmission are violated in realistic transmission setups. Therefore, the influences of fiber attenuation and amplifier noise of different fiber and amplifier configurations are investigated in simulations and experiments. The discrete spectrum with a variable number of eigenvalues and related discrete spectral amplitudes is used for transmission applying different modulation schemes, partly using polarization multiplexing. Design parameters for the different modulation formats are chromatic dispersion, the effective nonlinearity of the fiber and limited resolution and bandwidth of the transmitter and receiver components. A setup based on a recirculating fiber loop to evaluate different transmission distances of the signal is used for experiments. The fiber section within the loop consists of the optical fiber span and different optical amplifiers for loss compensation. Discrete or lumped amplification was realized with an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) after each fiber span while alternatively distributed Raman amplification using the first Stokes order with co- and counter-propagating pump waves was applied. The usage of counter-propagating Raman amplification significantly improved the transmission quality and extended the transmission range compared to the EDFA. A further reduction of the signal power variation along the fiber span results from bi-directional Raman amplification and is expected to result in superior performance. Transmission experiments using a commercial off-the-shelf Raman amplifier and a prototype led to a severe degradation of the transmission quality. The well-established model for relative intensity noise (RIN) transfer between pump waves and signal falls short as it does not take all nonlinear effects of the pump waves into account. Measurements of the evolution of the pump spectra can be explained by an influence of modulation instability. Real transmissions in fiber optic systems are affected by loss and noise leading to a coupling between the nonlinear modes of the discrete spectrum and additionally to the continuous spectrum. The interactions were investigated in simulations of different amplifier configurations and verified experimentally for counter-propagating Raman amplification. The usability of these interactions for integration in equalizers was investigated as well as their influence on the choice of coding schemes. In this doctoral thesis the possible benefits of the application of distributed amplification were validated. At the same fundamental challenges for the realization of the theoretically presumed ideal Raman amplification, leading to a uniform signal power distribution along the fiber span, using prevalent telecommunication equipment are identified. Therefore, a consideration of the signal power variation of these nonlinear transmission formats is required in future as well. Depending on the modulation format transmission up to 20 Gbps and range up to 5030 km were realized proving the ability of this transmission format, resting upon a balance of dispersion and nonlinear effects, to extend the capacity of existing fiber optic backhaul systems., Aktuelle faser-optische Weitverkehrssysteme verwenden lineare Übertragungsformate, deren Kapazitätslimit aufgrund der inhärenten Nichtlinearität der Faser durch den Kerreffekt in naher Zukunft erreicht wird. Nichtlineare Übertragungsformate, die diesen Effekt bereits beim Signalentwurf berücksichtigen sind ein vielversprechender Ansatz zur Erweiterung des Kapazitätslimits. Die Nichtlineare Fourier Transformation, eine Erweiterung der Eigenwertkommunikation unter Nutzung kohärenter Übertragungstechnik, stellt mit ihren beiden Spektren, einem kontinuierlichen und einem diskreten, ein solches Übertragungsformat dar. Verschiedene theoretische Voraussetzung wie die Verlustfreiheit der Faser sowie die Abwesenheit von Rauschen zur Gewährleistung von Erhaltungsgrößen in der Nichtlinearen Schrödingergleichung weichen stark von den Gegebenheiten in realen faser-optischen Übertragungssystemen ab. Daher müssen die Einflüsse der Faserdämpfung und des Verstärkerrauschens unterschiedlicher Verstärkeranordnungen simulativ und experimentell untersucht werden. Zur Übertragung wurde das diskrete Spektrum mit einer variablen Anzahl an Eigenwerten und zugehöriger spektraler Amplitude verwendet, welche mit unterschiedlichen Modulationsverfahren moduliert wurden. Ein Teil der Signale verwendet Polarisationsmultiplex. Entwurfsparameter für die verschiedenen Modulationsverfahren waren die chromatische Dispersion und die effektive Nichtlinearität der Glasfaser sowie die beschränkte Dynamik und Bandbreite der Komponenten in Sender und Empfänger. Für die Übertragungsexperimente wurde ein Aufbau realisiert, der eine Faserschleife beinhaltet, die es ermöglicht durch die Anzahl der Umläufe des Signals verschiedene Übertragungslängen gezielt zu realisieren. Die Strecke selbst besteht aus der Übertragungsfaser und den verschiedenen optischen Verstärkern zur Kompensation der Verluste. Verwendet wurde eine diskrete Verstärkung mit einem EDFA (erbium-doped fiber amplifier) am Ende jeder Faserstrecke sowie eine verteilte Raman-Verstärkung (1. Stokesordnung) mit kontradirektional und kodirektional propagierenden Pumpwellen. Der Raman-Verstärker mit der kontrapropagierenden Pumpwelle führt zu einer signifikanten Verbesserung der Übertragungsqualität und damit einer Erhöhung der Übertragungsreichweite im Vergleich zum Einsatz des EDFA. Optimal sollte die bidirektionale Verstärkeranordnung sein, da hierdurch eine weitere Reduktion der Signalleistungsvariation erzielt werden kann. Experimente unter Verwendung eines kommerziellen Verstärkers und eines industriellen Prototyps führten zu einer deutlichen Verschlechterung der Systemqualität. Es stellte sich heraus, dass das etablierte Rauschmodell hier nicht genügt. Die gemessenen Spektren der Signale lassen sich nur mit einem Einfluss durch die Modulationsinstabilität erklären. In einem realen Übertragungssystem mit Dämpfung und Rauschen findet bei der Ausbreitung eine Verkopplung der nichtlinearen Moden des diskreten Spektrums statt. Es erfolgt darüber hinaus auch eine Kopplung in das kontinuierliche Spektrum. Die Verkopplung wurde für die verschiedenen Verstärkeranordnungen simulativ untersucht. Experimentell wurden die Effekte für kontradirektionale Raman-Verstärkung verifiziert. Die Nutzbarkeit dieser Effekte für Entzerrer bzw. ihren Einfluss auf die Wahl des Codierungsverfahrens wurden betrachtet. In dieser Arbeit wurden die möglichen Gewinne durch den Einsatz von verteilter Verstärkung experimentell bestätigt. Zugleich wurden grundsätzliche Herausforderungen für die Realisierbarkeit der in der Theorie angenommenen idealen, also gleichförmigen, Raman-Verstärkung mit etablierten Telekommunikationskomponenten aufgezeigt. Auch zukünftig ist eine Berücksichtigung der Signalleistungsvariation bei diesen nichtlinearen Übertragungsformaten notwendig. Je nach verwendetem Modulationsformat konnten hierdurch Übertragungen mit bis zu 20 Gbit/s und Übertragungsreichweiten bis zu 5030 km realisiert werden. Dies belegt die Eignung dieses Übertragungsverfahren, das auf einer sorgfältigen Balance von Dispersion und Nichtlinearität basiert, zur Erweiterung des Kapazitätslimits bestehender faser-optischer Weitverkehrsnetze.

Bei der Herstellung von Verbindungselementen kommen meist Drahtwerkstoffe als Ausgangsmaterial zum Einsatz. Aufgrund des in einem globalisierten Absatzmarkt starken Kostendrucks rückt das Vormaterial vermehrt in den Fokus als potentieller Hebel zur Reduzierung der Herstellungskosten. Eine falsche Wahl des Vormaterials birgt jedoch die Gefahr einer Beeinträchtigung der Prozessfähigkeit, wie anhand des im Rahmen der Arbeit untersuchten Modellprozesses hervorgeht. Durch eine eingehende Analyse eines Bor-Mangan-Stahls konnte die Beeinflussung der plastischen Werkstoffeigenschaften durch die Drahtherstellung ermittelt werden. Die erarbeiteten Modellierungsansätze zur Berücksichtigung der Eigenschaften aus Vorprozessen in numerischen Modellen lassen nun eine Quantifizierung der unterschiedlichen Eigenschaften von verschiedenen Herstellungsvarianten eines Drahtwerkstoffes zu. Zudem wird anhand einer Untersuchung wichtiger Grundumformoperationen deutlich, dass der gezielte Einsatz von Vormaterialzustände auch zur Erweiterung von Prozessgrenzen genutzt werden kann., In the production of fasteners, wire materials are usually used as prematerial. Due to the strong cost pressure in a globalized sales market, the pre-material as a potential factor for reducing manufacturing costs moves into focus. However, an incorrect choice of pre-material carries the risk of impairing process capability, as can be seen from the model process investigated in this work. A detailed analysis of a boron-manganese steel made it possible to determine how the wire manufacturing process affects the plastic material properties. The developed modeling approaches which take into account the properties from preliminary processes in numerical models now allow the quantification of properties of different manufacturing variants of a wire material. In addition, an investigation of important basic forming operations shows that the targeted use of prematerial conditions can also be used to extend process limits., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 392

The growing utilization of High-Voltage Direct Current (HVDC) systems in the transmission grid leads to an increased demand for reliable DC cable systems where overhead lines can not or shall not be used. Prominent examples of the latter are the planned SuedLink and SuedOstLink HVDC corridors in Germany. By decision of the federal government in 2015, these shall be constructed using mostly HVDC cables in order raise public acceptance. A HV cable is a costly asset that can be critically damaged if an electric breakdown occurs during its lifetime. To ensure the HV cable’s withstand capability to voltage stress, different high voltage tests are defined in the relevant standards which can be applied during development, production, installation and operation of the cable system. For HVAC cables, partial discharge (PD) measurement proved itself to be a valuable addition to AC voltage tests by drastically increasing the probability of finding localized insulation defects. As HV cables themselves are generally manufactured to a high quality standard, insulation defects mostly arise as a result of bad workmanship during assembly on-site. Prior laboratory investigations on HVDC cables with artificial assembly defects led to the conclusion, that the DC-PD activity of these defects is very limited. It is to be expected, that PD measurements on polymer insulated cables under DC voltage are generally less effective than under AC voltage of comparable voltage magnitude. When applied correctly, ionizing radiation is known to significantly increase the PD activity of void-type defects in cast gas-insulated switchgear (GIS) insulators when tested with AC voltage. It can thereby increase the effectiveness of an ongoing PD measurement. This approach was adopted in order to increase the PD activity of a defective HVDC cable system, subjected to DC voltage stress under laboratory conditions. The cable was prepared with different assembly defects which reflected severe mistakes that could occur during the on-site jointing process. Low dose X-ray pulses were applied by radiating through the joint body with a portable X-ray generator. Vital parameters like the PD inception voltage, PD repetition rate and single pulse magnitude were recorded. To put the performance of X-ray stimulation as a technique to increase PD activity into perspective, these measurements were furthermore conducted at different cable temperatures. Additionally, the time between X-ray and PD occurrence was analyzed in order to define a time window in which PDs can be considered as being triggered by X-ray. It was shown that it is possible to force an instantaneous discharge of a suitable pre-charged insulation defect with a X-ray pulse. It was also shown that this pre-charged state must be relatively close to the point of spontaneous PD occurrence. A temperature rise of 10 °C generally had a stronger effect on PD inception voltage and PD repetition rate than X-ray stimulation., Der stetige Ausbau von Systemen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) in Übertragungsnetzen führt zu einem wachsenden Bedarf an verlässlichen HGÜ-Kabelsystemen dort, wo Freileitungen nicht eingesetzt werden können oder sollen. Prominente Beispiele für letzteres sind die geplanten SuedLink und SuedOstLink HGÜ-Korridore in Deutschland. Per Beschluss der Bundesregierung im Jahr 2015 (§3 Bundesbedarfsplangesetz), sollen diese vorrangig als HGÜ-Kabelverbindungen realisiert werden, um die Akzeptanz seitens der Bevölkerung zu erhöhen. Solche Kabelsystem sind kostspielige Betriebsmittel, die im Falle eines Versagens ihrer elektrischen Isolierung allein durch die in ihnen gespeicherte Energie stark beschädigt werden. Um die elektrische Spannungsfestigkeit eines Kabelsystems sicherstellen zu können, sind in den relevanten Standards verschiedene Hochspannungstests im Zuge der Entwicklung, der Produktion, der Installation und des Betriebs definiert. Für Hochspannungs-Drehstromkabel hat sich die Teilentladungsmessung (TE-Messung) als wertvolle Ergänzung zu diesen Tests behauptet, da sie die Wahrscheinlichkeit drastisch erhöht, lokale Defekte in der Isolierung zu finden. Moderne Hochspannungskabel werden unter streng kontrollierten Bedingungen gefertigt, und solche Defekte treten meist nur durch schlechte Montagearbeit während der Kabelinstallation vor Ort auf. Zu Beginn dieses Projekts durchgeführte Untersuchungen an Kabeln mit künstlichen Montagefehlern ergaben, dass selbst bei hohen DC-Prüfspannungen die Teilentladungsaktivität dieser Defekte sehr begrenzt war. Es ist allgemein davon auszugehen, dass TE-Messungen an kunststoffisolierten Hochspannungskabeln unter Gleichspannung weniger aussagekräftig sind als unter Wechselspannung vergleichbarer Spannungshöhe. Ionisierende Strahlung kann die Teilentladungsaktivität von Lufteinschlüssen in GIS-Isolatoren bei Wechselspannungsprüfungen signifikant erhöhen. Dies steigert die Effektivität einer etwaigen TE-Messung. In der hier dargelegten Forschungsarbeit wird dieser Ansatz im Zuge von TE-Messungen an einem Gleichspannungskabelsystem unter Laborbedingungen untersucht. Dieses Kabelsystem wurde mit verschiedenen Montagefehlern präpariert und anschließend TE-Messungen bei Gleichspannung unterzogen. Während dessen wurden schwache Röntgenimpulse mittels eines tragbaren Röntgenblitzgerätes appliziert. Die resultierende Teilentladungsaktivität wurde dabei anhand der TE-Einsetzspannung, TE-Wiederhohlrate und Einzelimpulsladung bewertet. Da die DC-Teilentladungsaktivität ebenfalls eine Abhängigkeit von der Kabeltemperatur aufwies, wurden diese Messungen bei verschiedenen Temperaturen wiederholt. Dies erlaubt eine relative Vergleichbarkeit von Röntgenstimulation und Temperaturänderung hinsichtlich ihrer Einflüsse auf die Teilentladungsaktivität. Nebst den drei genannten TE-Parametern wurde zusätzlich die Zeitdauer zwischen dem Einsetzen von Röntgenimpulsen und Teilentladungen gemessen. Hierdurch konnte eine Zeitschwelle definiert werden, mit der ein Teilentladungsimpuls entweder als ”spontan” oder als ”röntgenstimuliert” klassifiziert wurde.

In this thesis the evolution of the north polar scarps on Mars was studied with respect to the erosion rate caused by ice block falls. An automated method was developed to identify new blocks between individual High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) images acquired at different times. This method was then applied to HiRISE images spanning three Martian years to derive the first observation-based erosion rate estimation for such scarps. Existing automated detection methods developed for Mars had focused either on large surface objects such as impact craters or on rocks at candidate landing sites, where the background environment is flat and constant over time. Developing an automated change detection method for block falls along the steep scarps of the north polar ice cap, however, presented a new challenge due to the small sizes of the ice blocks and the complex and dynamic background of the region. An automated method was developed based on machine learning and blob detection. Its performance was assessed through comparison with manual identification of new blocks. The method correctly identified 75.1% of the new blocks with a false detection rate of 8.5%, proving a robust and trust-worthy automated method. The developed method was used to identify new blocks and estimate their sizes and volumes. The results enabled estimating the retreat rate to be ~ 0.2 m/kyr, a rate which is similar to that of the ice accumulation on top of the scarp. This retreat rate is too low to counteract the viscous flow rate suggested on the basis of theoretical modelling studies, a process with a competing effect to erosion. The approach in this dissertation highlighted the benefits of inter-disciplinary research, provided novel insights into long-standing questions and can, thus, become a stepping stone in the application of machine learning in satellite image analysis with a focus on geo-morphological questions in planetary research., Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird die gegenwärtige Entwicklung von Steilabbrüchen am Rand der nördlichen Polkappe des Planeten Mars anhand der durch Blockstürze verursachten Erosionsrate untersucht. Dafür wurde eine automatische Methode entwickelt, die es erlaubt, neu abgelagerte Eisblöcke auf zeitlich aufeinanderfolgenden High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) Bildern zu erfassen. Diese Methode wird auf Bilder angewendet, die über einen Zeitraum von drei Marsjahren aufgenommen wurden, und erlaubt erstmals die Bestimmung einer Erosionsrate durch Blockstürze für solche Hänge. Frühere zur Untersuchung der Marsoberfläche verwendete automatische Objekterkennungsmethoden für Bilddaten waren entweder auf große Oberflächenformen wie Einschlagskrater beschränkt oder auf kleinere Objekte wie Gesteinsblöcke in Landestellenregionen spezialisiert, die typischerweise durch flache Oberflächen gekennzeichnet sind und keine kurzfristigen morphologischen Veränderungen erwarten lassen. Die Entwicklung einer automatischen Methode zur Erkennung vonVeränderungen (change detection) aufgrund von Fels- bzw. Eisstürzen entlang der steilen Abbruchkanten der nördlichen Eiskappe stellt auf Grund der geringen Abmessungen der Eisblöcke und der komplexen Landschaftsdynamik in der Region eine neue Herausforderung dar. Die hier entwickelte automatische Methode basiert auf dem so genannten maschinellen Lernen (machine learning) und einer regionenbasierten Bildanalyse (blob detection). Die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit dieser Methode wird durch Vergleich mit der manuellen Erkennung neuer Blockablagerungen unter Beweis gestellt. Dabei zeigt sich ein Anteil von 75.1% richtig erkannter Eisblöcke und 8.5% falsch-positiver Ergebnisse. Die hier entwickelte Methode wird angewandt, um neue Blöcke zu erkennen und darüber hinaus ihre jeweiligen Größen und Volumina zu bestimmen. Anhand der Ergebnisse kann eine Rückverlagerung des Steilhangs um 0.2 m/kyr bei gleichmäßig über den gesamten Hang verteilter Erosion bestimmt werden, die mit der derzeitigen Akkumulationsrate von Eis auf dem Plateau oberhalb der Abbruchkante übereinstimmt. Die ermittelte Erosionsrate ist allerdings nicht mit aktuellen theoretischen Modellen zu viskosen Massenbewegungen im Randbereich der Polkappe in Einklang zu bringen, da die von diesen vorhergesagte konkurrierende Auswirkung auf das Hangprofil durch Hangdeformation nicht durch die Erosionswirkung von Blockstürzen ausgeglichen werden kann. Die besondere Herangehensweise in dieser Doktorarbeit zeigt die Vorteile, die interdisziplinäre Forschung mit sich bringen kann, um neue Erkenntnisse zu über lange Zeit „offene“ Fragen zu erlangen. Die zahlreichen möglichen Erweiterungen, die sich auch im Ausblick dieser Arbeit in Bezug auf die Anwendung von maschinellem Lernen auf geomorphologische Fragestellungen erkennen lassen, deuten das Potential dieser Methodik an, künftig als Meilenstein für die Analyse von Satellitendaten gewertet zu werden.

Häufig befindet sich empfindliche Elektronik innerhalb quaderförmiger metallischer Schirme, wie z.B. Computer- und Elektronikgehäuse. Neben einem mechanischen Schutz sollen diese Schirme die EMV-Eigenschaften der darin befindlichen Elektronik verbessern. Da die Elektronik Teil eines Gesamtsystems darstellt, ist die Schirmeffektivität (SE) immer durch Aperturen, also Öffnungen im Schirm, sowie durch Kabeldurchführungen begrenzt. Wenn der Schirm in Bezug auf das Frequenzspektrum einer externen Störquelle elektrisch groß, das heißt größer als die anregende Wellenlänge ist, können Resonanzen angeregt werden. Voraussetzung hierfür ist, dass der Schirm eine hohe Güte hat, das heißt, dass die Verlustmechanismen elektromagnetischer Energie gering sind. Der Schirm stellt dann einen Resonator dar. Die Anregung von Resonanzen ist insbesondere bei pulsförmigen, breitbandigen Störsignalen wahrscheinlich. An den Resonanzfrequenzen bricht der Wert für die SE zusammen, was durch das Entstehen stehender Wellen innerhalb des Schirms begründet werden kann. Es kann sogar zu einer Feldstärkeüberhöhung innerhalb des Schirms kommen. Daher wird in der EMV der Schirmung durch quaderförmige, metallische Gehäuse oder Räume besondere Aufmerksamkeit geschenkt. In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Bestimmung der SE vorgestellt und verglichen. Außerdem wird eine neue Methode eingeführt, die die SE über eine örtliche Mittelung des Feldes an vielen Punkten innerhalb des Schirms berechnet. Des Weiteren wird die Verbesserung der EMV-Eigenschaften eines Schirms durch Absorber untersucht. Diese sollen durch die Absorption elektromagnetischer Energie das Entstehen von Resonanzen unterdrücken. Für die Untersuchung werden verschieden Arten von Absorbern betrachtet, deren elektromagnetische Eigenschaften mithilfe eines Koaxialleitungsexperiments ermittelt werden. Die Eigenschaften unterschiedlicher Absorbertypen werden verglichen. Da typische Störsignale Pulse mit kurzen Anstiegszeiten und damit breiten Frequenzspektren sind, ist eine Berücksichtigung der spektralen Amplitudendichte des Störsignals notwendig. Daher wird die SE für unterschiedliche Störsignale mithilfe des Konzepts der transienten SE ausgewertet. Dabei kommen unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der transienten SE zum Einsatz. Zum Schluss wird die Auswirkung unterschiedlicher Aperturgrößen auf die Güte messtechnisch untersucht. Dabei wird eine Methode entwickelt, die die Güte aus dem Schwingungsverhalten des resonanten Schirms bestimmt. Auch wird die Auswirkung der Aperturgröße auf die SE unter Verwendung des Konzepts der transienten SE untersucht. Hierbei zeigt sich, dass eine „worst-case“ Aperturgröße existiert, bei der die Einkopplung maximal ist.

Multiphase flow is defined as the simultaneous flow of different phases, such as liquids, gases or solids, and occurs in a variety of industrial and environmental processes. This type of flow poses special challenges for the operators and engineers due to the complex behavior of the phases, which is still subject to intensive research efforts. This applies in particular to gas-liquid pipe flows with its different flow patterns, i.e., categories of spatio-temporal phase distributions. The formation of these flow patterns depend on the fluid properties, the geometry of the pipes and the operating conditions. Several flow patterns with different properties have been identified in horizontal pipes, namely stratified flow, wavy flow, plug flow, slug flow, annular flow, bubbly flow, and mist flow. Due to their intermittent sequence of liquid blocks and large gas bubbles, the slug and plug flow pattern cause various disadvantages for the operating facilities, including higher measurement errors, larger pressure drops, undesired fluctuations in pressure and flow rates, as well as induced vibrations and the associated fatigue of the piping. These flows are encountered especially in the deep sea oil and gas production with its long transportation pipelines. Because of this, it is important to take these intermittent flow patterns into account for the design of multiphase transportation pipeline systems. Therefore, predictive models, numerical simulations, and empirical correlations have widely been used as a starting point for engineering designs. However, due to the complexity of these flow patterns, it is still subject to intensive research to find models, which reliably and accurately predict the flow patterns and their temporal and spatial characteristics for given flow rates, fluid properties, pipe diameters, and inclinations. For the development, calibration and validation of such predictive models, correlations and simulations, methods that provide precise descriptions of these flows are of special interest. This includes the complex intermittent flow patterns, such as slug flow, but also the separated flow patterns, such as stratified or wavy flow, since they often constitute an initial state in the development of the other, more complex flow patterns. In this thesis, quantitative methods and novel approaches are presented and discussed, which enable a precise temporal and spatial characterization of separated and intermittent flow patterns from spatio-temporal flow data, such as raw video data or snapshot sequences of phase fraction fields. The focus for these investigations is on the slug flow pattern, since it is similar but more complex compared to the plug flow pattern and also contains stratified and wavy elements. At first, a novel approach for the quantification of horizontal slug flow with snapshot Proper Orthogonal Decomposition (snapshot POD) is investigated in this thesis. This includes the aspect of the representation of the slugs in the POD -modes, the derivation of the spatial and temporal characteristics of slug flow from the POD-modes and the data requirements for this application. It was found that the slugs are represented in the dominant mode pair of snapshot POD analysis for the considered data sets. This includes a description of the gas-liquid interface dynamics in the temporal coefficients as well as the representation of the averaged slug in the spatial modes. It is shown that the conventional length and time scale for a characterization of the considered slug flows can be derived from the temporal and spatial information of the dominant mode pair. Hence, the snapshot POD allows a detailed temporal and spatial characterization of the slugs. Moreover, it was found that, the length of the observed pipe segment (region of interest) affects the accuracy of the derived temporal and spatial characterization. In the course of these investigations, an approximation of the liquid level time series as well as time scales of slug flow have been derived from video recordings. In a second step, this video-based temporal quantification of horizontal slug flow is assessed in a further examination, where parameters from an established tomography measurement technique are used as a reference. It was found that the approximation of liquid level time series from the video data shows a systematic overestimation compared to the tomography measurements. In contrast to this, the derived temporal characteristics of the liquid slugs from this approximation provide a reasonable and consistent temporal characterization of slug flow. In this context, a fast and reliable method for the approximation of the liquid level time series from video data can serve as a useful tool in industrial and academic operations, where a temporal quantification of separated and intermittent flow patterns, such as wavy or slug flow, is needed. In a third step, the accurate and efficient extraction of the liquid level time series from video observations of separated and intermittent flow patterns with a novel deep learning based image processing technique is investigated. It is shown that the presented method accurately extracts the liquid level time series from the considered video data. It can handle different types of data, even unseen data sets. Furthermore, it can overcome various noise effects, which are generally included in such image or video data. Once, the net is successfully trained, it predicts highly accurate segmentation maps in very short time. Hence, the liquid level time series can be extracted accurately and efficiently from the raw video data., Eine Mehrphasenströmung bezeichnet eine simultane Strömung von verschiedenen Phasen, wie zum Beispiel: Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern. Sie ist Bestandteil verschiedenster Prozesse in der Industrie und Umwelt. Mehrphasenströmungen stellen aufgrund ihrer Komplexität hohe Anforderungen an den Entwurf und Betrieb von industriellen Anlagen und Rohrsystemen, weshalb sie einen Schwerpunkt in Wissenschaft und Forschung bilden. Dies gilt in besonderem Maße für zweiphasige Rohrströmungen von Gasen und Flüssigkeiten, bei denen sich verschiedene Strömungsmuster (flow patterns) ausgeprägen können. Diese Strömungsmuster stellen Kategorien dar, welche die zeitliche und räumliche Verteilung der verschiedenen Phasen innerhalb der Strömung beschreiben. Sie entstehen in der Regel in Abhängigkeit von den Fluideigenschaften, der Rohrgeometrie und den Strömungsbedingungen. Bei zweiphasigen Strömungen in horizontalen Rohren wird typischerweise zwischen den folgenden sieben Strömungsmustern unterschieden: Schichtströmung (stratified flow), Wellenströmung (wavy flow), Pfropenströmung (plug flow), Schwallströmung (slug flow), Tröpfen-Ringströmung (annular flow), Sprühströmung (mist flow) und Blasenströmung (bubbly flow). Aufgrund ihrer intermittierenden Abfolge von großen Gasblasen und rohrquerschnittsfüllenden Flüssigkeitsansammlungen führen vor allem Schwall- und Pfropfenströmungen zu diversen Nachteilen, wie zum Beispiel: hohen Fehlern bei Durchflussmessungen, großen Druckverlusten, unerwünschten Schwankungen bei Druck und Volumenstrom sowie induzierten Vibrationen und einer damit verbundenen erhöhten Materialermüdung der durchströmten Rohre. Dies gilt insbesondere für den Stofftransport in der Öl- und Gasindustrie mit ihren weitreichenden Pipeline-Systemen. Aus diesen Gründen werden die Strömungsmuster schon bei der Planung solcher Anlagen mit einbezogen. Dafür werden unter anderem verschiedene Vorhersage-Modelle, numerische Strömungssimulationen oder empirische Korrelationen verwendet. Aufgrund der Komplexität der Strömungsmuster und der vielen verschiedenen Einflüsse bei ihrer Entstehung sind Verfahren, welche die Strömungsmuster und ihre zeitlichen und räumlichen Charakterisierungen für gegebene Fluideigenschaften, Strömungsbedingungen und Rohrdurchmesser zuverlässig und präzise vorhersagen, Gegenstand aktueller Forschung. Für die Entwicklung und Validierung solcher Modelle, Simulationen und Korrelation sind akkurate Quantifizierungen der betrachteten Strömungen erforderlich. Dies gilt nicht nur für die intermittierenden Strömungsmuster, wie Schwallströmung, sondern auch für die separierten Strömungsmuster, wie Schicht- und Wellenströmung, da diese oft den Ausgangszustand in der Entwicklung komplexerer Strömungsmuster darstellen. In diesem Zusammenhang werden quantitative Verfahren und neuartige Ansätze zur zeitlichen und räumlichen Charakterisierung von intermittierenden und separierten Zweiphasenströmungen in dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert. Für diese Untersuchungen wurden zeitlich und räumlich aufgelöste Video- und Phasenvolumenanteilsdaten verwendet. Der Fokus lag dabei auf den Schwallströmungen, da dieses komplexe Strömungsmuster eine große Ähnlichkeit zur vergleichsweise geordneteren Pfropfenströmung aufweist und auch Elemente der Schicht- und Wellenströmung beinhaltet. Zu Beginn wird ein neuartiger Ansatz zur Quantifizierung von horizontalen Schwallströmungen mit dem Verfahren Snapshot Proper Orthogonal Decomposition (Snapshot-POD) vorgestellt. Dies beinhaltet Untersuchungen zur Repräsentation der Schwallstrukturen in den POD-Moden, die Ableitung räumlicher und zeitlicher Charakterisierungen von Schwallströmungen aus den POD-Moden, sowie die Anforderungen an die Ausgangsdaten für diese Anwendung. Für die verwendeten Datensätze wurde gezeigt, dass die Schwallstrukturen im dominanten Modenpaar einer Snapshot-POD-Analyse repräsentiert sind. Dabei bildet die räumliche Mode eine mittlere Schwallstruktur und der zugehörige zeitliche Koeffizient die zeitliche Veränderung der Phasengrenze ab. Im Weiteren wurde für diese Analysen gezeigt, dass sich die konventionellen Zeit- und Längenskalen zur Charakterisierung von horizontalen Schwallströmungen von den räumlichen und zeitlichen Informationen des dominanten Modenpaares ableiten lassen. Somit ermöglicht die Snapshot POD eine detaillierte zeitliche und räumlich Charakterisierung der Schwallströmungen. Darüber hinaus konnte ein Zusammenhang zwischen der Genauigkeit der abgeleiteten Charakterisierung und der Länge des betrachteten Rohrsegments festgestellt werden. Für diese Untersuchungen wurden Approximationen der Zeitserie der Flüssigkeitshöhe an festen Positionen im Rohr (Liquid level - Zeitserie), sowie Zeitskalen der Schwallstrukturen aus Videoaufzeichnungen von Schwallströmungen abgeleitet. Diese videobasierten zeitlichen Quantifizierungen horizontaler Schwallströmungen werden im zweiten Teil dieser Arbeit mithilfe von konventionellen Tomographie-Messungen validiert. Dabei wurde eine systematische Überschätzung bei der Approximation der Liquid level - Zeitserie aus den Videodaten im Vergleich zur Tomographie-Messung festgestellt. Die aus der videobasierten Liquid level-Approximation abgeleiteten Zeitskalen ermöglichen hingegen eine zuverlässige Charakterisierung der Schwallstrukturen. In diesem Zusammenhang kann sich ein Verfahren, welches schnell und zuverlässig die Liquid level - Zeitserie aus Videodaten approximiert, zur Analyse von Schwallströmungen, aber auch anderen separierten und intermittierenden Zweiphasenströmungen, in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen eignen. Aus diesem Grund wird im letzten Teil dieser Arbeit ein neues Deep Learning - basiertes Bildverarbeitungsverfahren zur Approximation der Liquid level - Zeitserie aus Videoaufzeichnungen von separierten und intermittierenden Zweiphasenströmungen vorgestellt und diskutiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Verfahren die Liquid level - Zeitserie akkurat und konsistent aus den Videodaten extrahiert. Dabei liefert es auch bei heterogenen, untrainierten und verrauschten Videodatensätzen zuverlässige Ergebnisse. Nach dem erfolgreichen Training des Deep-Learning-Modells benötigt eine Segmentierung der verwendeten Videodaten nur sehr wenig Rechenzeit, sodass das vorgestellte Verfahren eine schnelle und exakte Approximation der Liquid level - Zeitserie ermöglicht.

Published in print by Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3232-4 (ISSN 2512-5141), This thesis investigates the use of GNSS receivers on 1U CubeSats, using the example of BEESAT-4 and BEESAT-9. The integration of such a device on satellites enables highly precise time synchronization, position acquisition and orbit determination and prediction The application fields that depend on an accurate attitude control and orbit determination system and can also be processed by CubeSats are highlighted. Therefore the state of the art of GNSS receivers is described, which are suitable for the use on satellites and could be integrated into 1U CubeSats. Further on it is investigated which subsystems of a small satellite are particularly affected and what the special challenges are to realize a precise positioning with a GNSS receiver. In addition, some developments are presented that have significantly increased the performance of 1U CubeSats in recent years. The system concept of BEESAT satellites is introduced and the evolution of the payload board including the use of the latest sensor technologies for attitude control is described. It is shown how the verification of the satellite's subsystems was performed on the ground, with the focus on testing and simulating the attitude control and the GNSS receiver. The necessary integration steps, the calibration and environmental test campaign are discussed. Both satellites were successfully operated and the results of the on-orbit experiments are presented. It is shown how a three-axis stabilized attitude control was first verified on BEESAT-4 and then a GNSS receiver was successfully operated on BEESAT-9 for more than one year. In addition, the inter-satellite link between BEESAT-4 and BIROS will be analyzed, since it is essential for the relative navigation of satellites. The acquired navigation data was sent to the ground and the identification of BEESAT-9 was carried out using this data. A qualitative analysis of the orbital elements (TLE) of BEESAT-9 was performed systematically due to a daily operation of the GNSS receiver. Furthermore, it was investigated how a small GNSS antenna affects the received signal strength from GNSS satellites and whether this antenna or its amplifier degrades over time. Additionally, an orbit determination and propagation based on the navigation data could be performed and the results are evaluated. The analyzed questions allow a statement about the continuous use of GNSS receivers on 1U CubeSats and if it is necessary to achieve the mission objectives., Diese Arbeit untersucht den Einsatz von GNSS-Empfängern auf 1U CubeSats am Beispiel von BEESAT-4 und BEESAT-9. Das Integrieren einer solchen Komponente auf Satelliten ermöglicht eine hochgenaue Zeitsynchronisation, Positions- und Orbitbestimmung sowie deren Vorhersage Es werden die Anwendungsfelder beleuchtet, die auf ein akkurates Lageregelungs- und Orbitbestimmungssystem angewiesen sind und außerdem auch von CubeSats bearbeitet werden können. Dazu wird der Stand der Technik von GNSS-Empfängern beschrieben, die für den Einsatz auf Satelliten geeignet sind und von ihren Eigenschaften auch auf 1U CubeSats integriert werden könnten. Weitergehend wird untersucht, welche Subsysteme eines Kleinstsatelliten besonders betroffen sind und was die speziellen Herausforderungen sind, um eine präzise Positionsbestimmung mithilfe eines GNSS-Empfängers zu realisieren. Dazu werden auch einige Entwicklungen vorgestellt, die in den letzten Jahren die Leistungsfähigkeit von 1U CubeSats signifikant erhöht haben. Das Systemkonzept der BEESAT Satelliten wird eingeführt und die Evolution der Nutzlastplatine inklusive der Verwendung der jeweils neuesten Sensortechnologien für die Lageregelung beschrieben. Es wird gezeigt wie die Verifikation der Subsysteme des Satelliten am Boden erfolgte, wobei der Fokus auf dem Testen und Simulieren der Lageregelung und dem GNSS-Empfänger liegt. Dazu werden die notwendigen Integrationsschritte, die Kalibrations- und die Umwelttestkampagne diskutiert. Beide Satelliten wurden erfolgreich betrieben und die Ergebnisse der on-orbit Experimente werden vorgestellt. Es wird gezeigt wie zunächst eine dreiachsenstabilisierte Lageregelung auf BEESAT-4 verifiziert und anschließend auf BEESAT-9 über mehr als ein Jahr ein GNSS-Empfänger erfolgreich betrieben wurde. Zusätzlich wird der Intersatelliten Link zwischen BEESAT-4 und BIROS analysiert, da dieser für die Relativnavigation von Satelliten essentiell ist. Die akquirierten Navigationsdaten wurden zum Boden gesendet und die Identifizierung von BEESAT-9 erfolgte mithilfe dieser Daten. Eine qualitative Analyse der Orbitelemente (TLE) von BEESAT-9 konnte systematisch durchgeführt werden durch einen täglichen Einsatz des GNSS-Empfängers. Weiterhin wurde erforscht wie sich eine kleine GNSS-Antenne auf die empfangenen Signalstärken der GNSS Satelliten auswirkt und ob diese Antenne oder ihr Verstärker mit der Zeit degradieren. Zusätzlich konnte eine Orbitbestimmung und -propagation auf Basis der Navigationsdaten durchgeführt und die Ergebnisse ausgewertet werden. Die analysierten Fragestellungen erlauben eine Aussage über den durchgängigen Einsatz von GNSS-Empfängern auf 1U CubeSats und ob dieser notwendig ist um die Missionsziele zu erreichen.

In der heutigen Praxis wird das Maschinen- und Anlagenverhalten für den Entwurf der Steuerungssoftware informell mittels Zeichnungen, Tabellen und Textdokumenten spezifiziert. Der bevorzugte Weg, diese Informationen in Steuerungscodes zu übertragen, ist die direkte Implementierung der informellen Anforderungen. Dieses Vorgehen birgt durch mögliche Fehlinterpretationen der Spezifikation das Risiko eines fehlerhaften Programmcodes. Ein anderer Ansatz ist die Verwendung formaler Beschreibungsmittel für den Entwurf von Ablaufsteuerungen. Hierbei werden die informellen Anforderungen an die Steuerungssoftware zunächst mit Hilfe von grafischen Beschreibungssprachen formalisiert. Diese formalisierte Spezifikation dient als Basis für eine manuelle oder automatische Erstellung der Steuerungssoftware. Trotz der signifikanten Vorteile formaler Methoden im Steuerungsentwurf fehlt es bis heute in der industriellen Praxis an einer Akzeptanz des Vorgehens. Um diese Akzeptanz zu erhöhen und deren signifikante Vorteile im industriellen Kontext zu nutzen, ist die Einführung von Round-Trip Engineering zur durchgängigen werkzeugtechnischen Unterstützung beim Steuerungsentwurf notwendig. Unter Round-Trip Engineering wird die Synchronisierung einer formalen Spezifikation und des dazugehörigen Steuerungscodes sowohl bei Änderungen auf Ebene der Spezifikation als auch auf Ebene des Codes verstanden. Ziel ist die Erhaltung der Kohärenz beider Artefakte über den kompletten Lebenszyklus einer Automatisierungssoftware. Obgleich es sowohl für die Vorwärts- als auch für die Rückwärtstransformation hinreichend Ansätze gibt, fehlt es in der Literatur bis heute an Transformationskonzepten, die eine bidirektionale Transformation zwischen formalen Spezifikationen und Steuerungscodes adressieren. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel der vorliegenden Dissertation zu erforschen, ob eine bidirektionale Transformation zwischen GRAFCET-Spezifikationen und IEC 61131-3 Steuerungscodes möglich ist und welche Methoden sich für eine solche Überführung eignen. Diesbezüglich wird die Eignung verschiedener Round-Trip Engineering Methoden untersucht. Im Rahmen der Untersuchung werden drei modellbasierte, bidirektionale Transformationskonzepte für die Überführung zwischen GRAFCET-Spezifikationen und entsprechenden Steuerungscodes vorgestellt. Alle Konzepte basieren auf zwei Metamodellen, einem für die Spezifikation und einem für die Zielsprache, deren Instanzen ineinander transformiert werden. Die eigentliche Codegenerierung aus dem Modell der Zielsprache erfolgt unabhängig davon. Für die Rücktransformation wird der adaptierte Steuerungscode zunächst durch eine Text-zu-Modell-Transformation auf die Modellebene der Zielsprache zurücküberführt. Die Aufrechterhaltung des Abstraktionsgrades im Transformationsprozess durch die Einführung des Modells der Zielsprache eröffnet die Möglichkeit zur Nutzung verschiedener Methoden der modellgetriebenen Softwareentwicklung. Die verschiedenen bidirektionalen Transformationskonzepte werden innerhalb dieser Dissertation systematisch erarbeitet, prototypisch umgesetzt und verglichen., According to current practice in machinery and plant engineering, control code is designed informally by means of sketches, spreadsheets and text documents. The generally preferred method of conveying this information is the implementation of such informal specifications manually by control practitioners. However, direct implementation of textual requirements into control code bears the risk of erroneous interpretations due to the potential misinterpretation of the informal specification. Another approach is to use formal methods for control code design. This provides an opportunity to avoid these risks. In such approaches, informal requirements are formalized first by using a specification language. The resulting formal model is then taken as the basis for the following manual or automatic implementation. Unfortunately, formal methods still lack acceptance in the industry for different reasons. To increase their acceptance and make use of the advantages of these methods, the introduction of round-trip engineering for a seamless tool support within control code design is necessary. Round-trip engineering is defined as the synchronization between a specification and the corresponding source code by adaption of the code as well as modifications of the specification. Both artefacts should be kept consistent by modifications of the respective other. The goal is maintaining coherence between both artefacts during the whole lifecycle of an automation software. Several approaches for the forward and the backward transformation between specification and control code are described in the literature. Nevertheless, there is still a lack of bidirectional transformation concepts. This dissertation aims to explore if a bidirectional transformation between GRAFCET and IEC 61131-3 control code is possible and which methods may be suitable to solve this task. Therefore, the suitability of different methods in the context of round-trip engineering for bidirectional transformation will be investigated. This dissertation presents three model-based, bidirectional transformation concepts to convert between GRAFCET specification and control code. The general concept consists of two meta-models for the specification language GRAFCET and the corresponding programming language, whose instances will be transformed into each other. In a second step, the control code will be generated via a model-to-text transformation. The backward transformation starts with transformation of the adjusted code back to the model level via a text-to-model transformation. During the whole transformation process the abstraction level will be preserved by using meta-models of the specification and the programming language. This enables the use of various methods from the area of model-driven software development. The various concepts of bidirectional transformation will be systematically developed, prototypically implemented and compared.

���p-norm minimization plays a significant role in a variety of disciplines. It is not only important for the signal recovery in compressed sensing but also beneficial for finding meaningful signal representations as for the sparse and anti-sparse coding related applications. Therefore, minimizing ���p-norms in an efficient manner sparked interest in a variety of works. This thesis is concerned with the noise-constrained ���p-norm minimization for 1 ��� p ��� ���. Although there are various optimization problem formulations that may be used to minimize an ���p-norm, constraining the noise can offer a more meaningful optimization problem definition since when there is a known noise tolerance in an application, one can simply canalise it into the optimization problem and formulate exactly what to solve. Thus, it is often easier to set the noise tolerance from the optimization perspective. Despite this, there is a lack of computationally efficient algorithms in the literature for the noise-constrained ���p-norm minimization problem because its feasible area can be complicated. Different optimization problem formulations can provide equivalent solutions and some of them might be easier to solve than the others. Therefore, it might be tempting to solve a computationally efficient problem in order to have the solution to another one. In this thesis, we solved constrained ���p-norm regularization to reach the solution of the noise-constrained ���p-norm problem. We introduce optimality tracing based ���p-norm minimization approaches with simple root finding iterations for 1 ��� p ��� ���. The optimality trade-off between both objectives, the ���p-norm and a loss function that measures the data misfit, is formulated as a nonlinear equation root finding problem. We present and employ several simple, derivative-free and cost-efficient nonlinear equation root finding methods to trace this optimality over a Pareto frontier. Some of these root finding methods do not require differentiable loss functions and are applicable for both convex and nonconvex data misfits and extend such problems to a broader class of applications. We also introduce a warm-start strategy of taking linear least-squares solution with the one that has minimum ���2-norm which is named method of frames (MOF) as an input to require fewer iterations. This warm-start may provide flexible and meaningful starting point initialization for many applications where MOF already exists and can be improved with a better understanding of finitedimensional geometry, e.g. n-widths. The impact of the overcomplete matrix on the convergence rate of some of the presented approaches is demonstrated for matrices fulfilling the Uniform Uncertainty Principle and Uncertainty Principle. These properties were formerly introduced to analyze the performance of random matrices for ���1 and ������-norm related applications respectively. In the last part of the thesis, i.e. in Chapter 7, ���p-norm minimization related applications are probed with using several loss functions such as least-squares, Huber and a nonconvex penalty Student���s t. ���1-norm is minimized with a typical compressed sensing example. Also, a generic test benchmark is utilized for the comparison of the nonlinear equation root finders for ���1-norm minimization. A new communication scheme is introduced by minimizing ������-norm. Outlier detection problem is studied with the minimized ������-norm, and a prior is offered for the minimized ������-norm with its performance on peak-to-average power ratio (PAPR). Noise-constrained nuclear norm is minimized as well for the Euclidean distance matrix completion problem with the application of wireless sensor network localization., Die Minimierung von ���p-Normen spielt in einer Vielzahl von Disziplinen eine bedeutende Rolle. Sie ist nicht nur wichtig f��r die Signalwiederherstellung bei der komprimierten Abtastung, sondern auch n��tzlich, um sinnvolle Signaldarstellungen zu finden, wie f��r Anwendungen mit geringer und anti-sparse Codierung. Daher hat die effiziente Minimierung von ���p-Normen das Interesse an einer Vielzahl von Arbeiten geweckt. Diese Dissertation besch��ftigt sich mit der rauschbeschr��nkten ���p-Normminimierung f��r 1 ��� p ��� ���. Obwohl es verschiedene Formulierungen von Optimierungsproblemen gibt, die verwendet werden k��nnen, um eine ���p-Norm zu minimieren, kann die Beschr��nkung des Rauschens eine sinnvollere Definition des Optimierungsproblems bieten. Bei bekannter Rauschtoleranz in einer Anwendung kann man diese in das Optimierungsproblem kanalisieren/integrieren/einbauen und genau formulieren, was/welches Problem zu l��sen ist. Daher ist es aus Optimierungssicht oft einfacher, die Rauschtoleranz einzustellen. Trotzdem fehlt es in der Literatur an recheneffizienten Algorithmen f��r das rauschbeschr��nkte ���p-Norm-Minimierungsproblem, da sein zul��ssiger Bereich kompliziert sein kann. Verschiedene Formulierungen von Optimierungsproblemen k��nnen ��quivalente L��sungen liefern und einige von ihnen sind m��glicherweise einfacher zu l��sen als andere. Daher kann es verlockend sein, ein recheneffizientes Problem zu l��sen, um die L��sung f��r ein anderes zu erhalten. In dieser Arbeit wurde die eingeschr��nkte ���p-Norm-Regularisierung gel��st, um die L��sung des rauschbeschr��nkten ���p-Norm-Problems zu erreichen. Die auf der Optimalit��tsverfolgung basierenden ���p-Norm-Minimierungsans��tze mit einfachen Wurzelfindungsiterationen f��r 1 ��� p ��� ��� werden hierzu vorgestellt. Der Optimalit��ts-Trade-off zwischen beiden Zielen, der ���p-Norm und einer Verlustfunktion, die die Datenfehlanpassung misst, wird als nichtlineares Gleichungswurzelfindungsproblem formuliert. Mehrere einfache, ableitungsfreie und kosteneffiziente Methoden zum Auffinden von nichtlinearen Gleichungswurzeln werden pr��sentiert und verwendet, um diese Optimalit��t ��ber eine Pareto-Grenze zu verfolgen. Einige dieser Wurzelfindungsverfahren erfordern keine differenzierbaren Verlustfunktionen und sind sowohl f��r konvexe als auch f��r nichtkonvexe Datenfehlanpassungen anwendbar und erweitern solche Probleme auf eine breitere Klasse von Anwendungen. Wir f��hren auch eine Warmstart-Strategie ein, die eine lineare L��sung der kleinsten Quadrate mit derjenigen mit minimaler ���2-Norm, die method of frames (MOF) hei��t, als Eingabe verwendet, um weniger Iterationen zu erfordern. Dieser Warmstart kann f��r viele Anwendungen, bei denen MOF bereits existiert, eine flexible und sinnvolle Startpunktinitialisierung bieten und durch ein besseres Verst��ndnis der endlichdimensionalen Geometrie verbessert werden, z.B. nwidths. Der Einfluss der ��bervollst��ndigen Matrix auf die Konvergenzrate einiger der vorgestellten Ans��tze wird f��r Matrizen gezeigt, die das Uniform Uncertainty Principle und das Uncertainty Principle erf��llen. Diese Eigenschaften wurden fr��her eingef��hrt, um die Leistung von Zufallsmatrizen f��r ���1- bzw. ������-normbezogene Anwendungen zu analysieren. Im letzten Teil der Arbeit, d. h. in Kapitel 7, werden ���p-Norm-Minimierungsbezogene Anwendungen mit verschiedenen Verlustfunktionen wie Least-Squares, Huber und einer nichtkonvexen Penalty untersucht Student���s t. ���1-norm wird mit einem typischen Compressed-Sensing-Beispiel minimiert. Au��erdem wird ein generischer Testbenchmark f��r den Vergleich der nichtlinearen Gleichungswurzelfinder f��r die ���1-Norm-Minimierung verwendet. Durch Minimierung der ������-Norm wird ein neues Kommunikationsschema eingef��hrt. Das Problem der Ausrei��ererkennung wird mit der minimierten ������-Norm untersucht und ein Prior wird f��r die minimierte ������-Norm mit ihrer Leistung auf peak-to-average power ratio (PAPR) angeboten. Die rauschbeschr��nkte Nuklearnorm wird auch f��r das Euklidische Distanzmatrix-Erg��nzungsproblem mit der Anwendung der drahtlosen Sensornetzwerklokalisierung minimiert.

Liquid droplets sliding along solid surfaces are frequently observed phenomena in nature, e.g., raindrops on a leaf, and in everyday situations, e.g., drops of water in a drinking glass. Furthermore, sliding droplets (and consequently the suppression of those) are crucial in many applications such as the deicing of planes, coating and separation processes or lab-on-a-chip devices. To simulate the droplet dynamics with high accuracy, we utilize a thermodynamically consistent phase field model for large density ratios. The dynamics of the two-phase flow are described by the coupling between the Cahn-Hilliard (CH) and Navier-Stokes (NS) equations. Especially, the model allows the contact line to slide naturally along the solid surfaces and greatly reduces spurious currents even for low Capillary numbers. In addition, boundary conditions which allow for non-equilibrium contact angles and slip between the moving contact lines and the solid surface are applied. The resulting model forms a very tightly coupled and nonlinear system of equations. Therefore we carefully select the solution strategy to enable efficient and accurate large-scale simulations with millions of degrees of freedom. This includes the linearization and decoupling of the equations, preconditioned Krylov methods for the solution of the arising linear systems as well as anisotropic mesh adaption to guarantee high mesh resolutions. To show the capabilities of our approach we discuss numerous results of flows with or without a moving contact line. In particular, we investigate the influence of single microstructures with sharp corners on the instability onset of overflowing liquid films and the pinning mechanism of sliding droplets on sharp corners. Finally, we introduce the control of both the shape and position of droplets on solid surfaces through optimal contact angle distributions. We demonstrate our approach by pinning a sliding droplet at a specific position on an inclined plate with a desired shape using temporally and spatially varying contact angles., Flüssigkeitströpfchen, die entlang festen Oberflächen gleiten, sind häufig beobachtete Phänomene in der Natur, z. B. Regentropfen auf einem Blatt, und in alltäglichen Situationen, z.B. Wassertropfen in einem Trinkglas. Darüber hinaus sind gleitende Tröpfchen (und folglich deren Unterdrückung) in vielen Anwendungen, wie z.B. Beschichtungs- und Trennprozesse oder Lab-on-a-Chip-Geräten, von entscheidender Bedeutung. Um die Tröpfchendynamik mit hoher Genauigkeit zu simulieren, verwenden wir ein thermodynamisch konsistentes Phasenfeldmodell für große Dichteverhältnisse. Die Dynamik der Zweiphasenströmung wird durch die Kopplung der Cahn-Hilliard (CH) und Navier-Stokes (NS) Gleichungen beschrieben. Insbesondere ermöglicht das Modell, dass die Kontaktlinie auf natürliche Weise entlang der festen Oberflächen gleitet, und reduziert künstliche Störströme selbst bei niedrigen Kapillarzahlen erheblich. Zusätzlich werden Randbedingungen angewendet, die dynamische Kontaktwinkel und Schlupf zwischen der bewegten Kontaktlinien und der festen Oberfläche zulassen. Das resultierende Modell bildet ein sehr eng gekoppeltes und nichtlineares Gleichungssystem. Um effiziente und genaue Simulationen in großem Maßstab mit Millionen von Freiheitsgraden zu ermöglichen, wählen wir sorgfältig die Lösungsstrategie aus. Dies beinhaltet die Linearisierung und Entkopplung der Gleichungen, vorkonditionierte Krylov-Methoden zur Lösung der entstehenden linearen Systeme sowie die anisotrope Gitteranpassung, um hohe Netzauflösungen zu gewährleisten. Um die Fähigkeiten unseres Ansatzes aufzuzeigen, diskutieren wir zahlreiche Ergebnisse von Strömungen mit und ohne beweglichen Kontaktlinie. Insbesondere untersuchen wir den Einfluss einzelner Mikrostrukturen mit scharfen Ecken auf die Bildung von Instabilitäten in überströmenden Flüssigkeitsfilmen und das Festhalten von gleitenden Tröpfchen an scharfen Ecken. Schließlich führen wir die Steuerung sowohl der Form als auch der Position von Tröpfchen auf festen Oberflächen durch optimale Kontaktwinkelverteilungen ein. Wir demonstrieren unseren Ansatz, indem wir ein gleitendes Tröpfchen an einer bestimmten Position auf einer geneigten Platte mit einer gewünschten Form unter Verwendung zeitlich und räumlich variierender Kontaktwinkel fixieren.

Experimental investigation in turbulent boundary layer flows represents one of the canonical geometries of wall bounded shear flows. Utmost relevance of such experiments, however, is applied in the engineering applications in aerospace and marine industries. In particular, continuous effort is being imparted to explore the underlying physics of the flow in order to develop models for numerical tools and to achieve flow control. Within the scope of this Ph. D. topic, application of active control method such as micro-blowing effect in the incompressible, zero pressure gradient turbulent boundary layer was investigated. Turbulent boundary layer flow is particularly interesting as well as challenging due to the presence of different interacting scales which are increasingly becoming significant as the flow inertial conditions keeps growing. Therefore, energy content of the coherent structures in outer layer becomes stronger and necessitates measurements in relatively large Reynolds number. Present control experiments in turbulent boundary layer can be split into two different work segments, where one is objected towards the data measurements in turbulent boundary layer over smooth surface with and without any external perturbation. Here, perturbation is applied in the form of wall normal blowing while keeping the magnitude of blowing very low compared to the free stream velocity. For the subsequent results reported here, magnitude of blowing ratio was varied between 0%~6%. In the first part of the present thesis e.g. 0.415×10e+3≤Reτ≤1.160×10e+3, measurements were performed at the Brandenburg University of Technology wind tunnel. Non-intrusive Laser Doppler Anemometry was applied to carry out a series of measurements on a zero pressure gradient flat plate turbulent boundary layer. Blowing ratio through the perforated surface was varied between 0.17%~1.52% of the free stream velocity. To a maximum of 50% reduction in friction drag was achieved. For the measurements on the upper range of the stated Reynolds number, were conducted at the boundary layer wind tunnel. This boundary layer wind tunnel offers a spatially developed turbulent boundary layer over a flat plate within 2.2×10e+3≤Reτ≤5.5×10e+3 with an excellent spatial resolution. With the help of Stereo Particle Image Velocimetry technique, measurement of the velocity components were obtained covering entire boundary layer in streamwise wall normal plane. In addition, time resolved measurements were also obtained in spanwise and wall-normal plane in order to look into the morphology of turbulent structures immediately above the blowing area., Experimentelle Untersuchungen in turbulenten Grenzschichtströmungen stellen eine der kanonischen Geometrien wandgebundener Scherströmungen dar. Die größte Relevanz solcher Experimente liegt in den ingenieurtechnischen Anwendungen in der Luft-und Raumfahrt sowie in der Schifffahrt. Insbesondere wird kontinuierlich daran gearbeitet, die zugrunde liegende Physik der Strömung zu erforschen, um numerische Modelle zu entwickeln und eine Strömungssteuerung zu ermöglichen. Im Rahmen dieses Promotionsthemas soll der Reibungswiderstand von Unterschall-Transportflugzeugen reduziert werden. Daher wurde die Anwendung einer aktiven Regelungsmethode, wie z.B. dem Effekt des Mikro-Ausblasens, in der inkompressiblen turbulenten Grenzschicht mit Nulldruckgradienten untersucht. Eine Reihe von Experimenten wurde in zwei verschiedenen Windkanälen durchgeführt. Für die Messungen wurde der Windkanal des Lehrstuhls für Aerodynamik und Strömungsmechanik (LAS) für den mittleren Reynoldszahlenbereich genutzt, in Zusammenarbeit mit dem Laboratoire de Mécanique de Feriet Lille (LMFL) der Windkanal für den großen Reynoldszahlenbereich. Heutige Kontrollexperimente in der turbulenten Grenzschicht können in zwei verschiedene Arbeitsbereiche aufgeteilt werden, wobei der eine auf die Datenmessungen in der turbulenten Grenzschicht über glatter Oberfläche mit und ohne externe Störung gerichtet ist. Hier wird die Störung in Form von orthogonaler Wandanblasung erzeugt, wobei die Größe der Anblasung im Vergleich zur freien Strömungsgeschwindigkeit sehr gering gehalten wird. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden Messungen im BTU-Windkanal vorgestellt, welche beispielsweise für einen Bereich von 0, 415×10e+3 ≤ Reτ ≤ 1, 160×10e+3 durchgeführt wurden. Mit der nicht-intrusiven Laser-Doppler-Anemometrie wurde eine Messreihe an einer turbulenten Plattengrenzschicht mit Nulldruckgradienten durchgeführt. Es wurde eine maximale Verringerung des Reibungswiderstandes von 50% erreicht. Die Messungen im oberen Bereich der angegebenen Reynoldszahl wurden im Grenzschichtwindkanal des LMFL durchgeführt. Dieser Grenzschichtwindkanal bietet eine räumlich entwickelte und hervorragend aufgelöste turbulente Grenzschicht über einer ebenen Platte in einem Bereich von 2,2×10e+3 ≤ Reτ ≤ 5,5×10e+3. Mit Hilfe der 3D Stereo Particle Image Velocimetry Technik wurden Messungen der Geschwindigkeitskomponenten in der strömungsseitigen Wandnormalen Ebene gemacht. Darüber hinaus wurden auch zeitaufgelöste Messungen in der Spannweiten- und Wandnormalebene durchgeführt, um die Morphologie der turbulenten Strukturen unmittelbar über dem Einblasbereich zu untersuchen.

Die steigende Beliebtheit des Fahrrads hat nicht nur positive Effekte. Eine vermehrte Anzahl an verletzten Radfahrer*innen, insbesondere in Verbindung mit elektrifizierten Fahrrädern, zeigen dies eindrücklich. Während die Zweiradindustrie boomt, versuchen Bund, Länder und Kommunen den steigenden Anforderungen an die Infrastruktur gerecht zu werden. Diese muss nun für verschiedene Fahrradkonzepte mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsprofilen ausgelegt werden. Um die neuen Aufgaben bewältigen zu können, werden vermehrt Probandenstudien unternommen, welche das Verhalten der Fahrradnutzer*innen abbilden sollen. Insbesondere die Unfallentstehung, ihr Zusammenspiel mit der Infrastruktur und der Einfluss erhöhter Geschwindigkeit durch Elektrifizierung stehen hierbei im Fokus. Diese Naturalistic Cycling Studies (NCS) verwenden mit Sensoren ausgestattete Fahrräder, welche die täglichen Fahrten ausgewählter Probanden und Probandinnen aufzeichnen. Um die Prinzipien von naturalistischen Studien nicht zu verletzen, müssen die Anbauten möglichst unaufdringlich sein. Diese Anforderung grenzt das verwendbare Sensorset stark ein, sodass üblicherweise keine redundante Sensorik verfügbar ist. Dennoch werden während der Studien enorme Datenmengen, hauptsächlich Kameradaten, aufgezeichnet. Die Sichtung der Daten und die Extraktion von studienrelevanten Situationen, sogenannte Events, wird bisher manuell bewältigt, da verlässliche automatisierte Methoden fehlen. Dieser Zustand führt zwangsläufig zu hohem personellem Aufwand und einer suboptimalen Probandenauswahl, getrieben durch die enormen Kosten der Auswertung. Die vorliegende Arbeit greift diese und weitere Probleme auf und bietet einen Ansatz zur Lösung des Dilemmas. Eine Analyse der aktuellen Auswertungsmethoden von Naturalistic-Cycling-Daten und dem empfohlenen Auswertungsprozess von Probandenstudien im Straßenverkehr zeigen die Eventdetektion als den Ansatzpunkt für eine automatisierte Auswertung auf. Verschiedene Ansätze werden vorgestellt, basierend auf potenziell in NCS auftretenden Forschungsfragen. Der Fokus liegt hierbei auf der Detektion von kritischen Situationen, welche sich durch ein erhöhtes Unfallrisiko auszeichnen. Hierfür werden zwei Prozessketten mit Algorithmen zur Objekterkennung, Objektverfolgung und Berechnung der Situationskritikalität prototypisch implementiert und anhand konstruierter Szenarien auf ihre Funktionalität überprüft. Weitere Szenarienbetrachtungen im Realverkehr schließen die Funktionstests ab. Anhand der Ergebnisse wird beantwortet, ob eine Auswertung der Naturalistic-Cycling-Daten automatisiert werden kann, und welche Schlüsselfaktoren bei der Auswahl des Sensorsets sowie der Umsetzung berücksichtigt werden müssen. Dabei werden die spezifischen Anforderungen an naturalistische Methoden stets geachtet. Ausblicke auf Verfahren, welche die prototypische Implementierung erweitern oder optimieren können, schließen die Arbeit ab., The increasing popularity of bicycles leads to many positive effects, but also negative impacts appear. This is clearly shown by the rising numbers of injured bicyclists, many of whom riding electrified bikes. While the bike industry is flourishing, the government tries to meet the new demands regarding cycling infrastructure which must be usable by diverse bicycle concepts with different velocity profiles. To assess and finally meet the requirements w.r.t. the infrastructure, an increased amount of subject studies are carried out. Their goal is to evaluate the behaviour of cyclists with a focus on accident causation and the interplay of infrastructure design and increased velocity due to electrification. The Naturalistic Cycling Studies (NCS) use sensor equipped bicycles to record the daily rides of selected subjects. The principles of naturalistic studies demand unobtrusive modifications to the bike, which limit the number of applicable sensors to a minimum and usually does not allow redundant sensors. Nevertheless, the used sensors record huge amounts of data, mainly camera data. The inspection of the data and the extraction of relevant scenarios w.r.t. the goal of the study, so-called events, is executed in a manual fashion as there are no reliable methods for automation. This leads to high personnel expenses for data analysis and therefore to a reduced and thus suboptimal selection of subjects. This thesis addresses these and other issues and provides a possible solution. Current state of the art methods for analysing Naturalistic Cycling data as well as the recommendations for the analysis of subject studies in traffic indicate that the key for automation is the event detection. Different approaches are presented, based on potential NCS research questions. The detection of critical events, which are characterized by an increased risk of accident, is in focus. Therefore, two different approaches are implemented. Both implement algorithms for object detection, object tracking and calculation of criticality for specific events. Functional tests are performed on artifically created scenarios in a controlled environment as well as on real traffic data. Based on the results, the thesis answers the question whether the analysis of Naturalistic Cycling data can be automated. Additionally, key factors for the design of the sensor set as well as the realization of the analysis are highlighted. The specific requirements regarding naturalistic methods are respected at all times. Finally, methods for the extension and optimization of the provided implementations are shown

Aim of this work was to evaluate stirred, single-use bioreactors by means of their heat transfer capabilities. Although this bioreactor concept is increasingly adapted by the biopharmaceutical industry, this technical aspect is currently underrepresented in the literature. In contrast to conventional, stainless-steel bioreactors, single-use systems provide some inherent properties that possibly affect heat transfer, such as the polymer film layer of the cultivation chamber and a limited heat transfer area. Therefore, commercially available reaction systems should be investigated. To assess the relevant systems, an adequate experimental procedure was developed. Generally, two types of methods are available: transient experiments, i.e., heating and cooling curves, can directly be applied to jacketed, stirred bioreactors with minimal modification. However, results derived from this approach are more difficult to evaluate, because of the dynamic system behavior. Secondly, steady state methods can be applied, which require an additional heat source. Often electrical heaters are used. In this work, a chemical alternative was established and applied up to a scale of 200 L: the exothermic decay of hydrogen peroxide. Another published work focused on a comprehensive study of thermal properties of stirred single-use bioreactors, where especially transient and steady state experiments were carried out in parallel and set into relation. Finally, a full-system heat transfer model of a stirred 500 L bioreactor was set up, considering all relevant peripheral components required for heat transfer. Single-use bioreactors are mainly used for mammalian cell cultures. The challenging requirements towards the reaction equipment imposed by microbial cultures can hardly be fulfilled by current systems. Nevertheless, these applications are industrially relevant and could generally benefit from the technology. One of the main challenges lies in the metabolic heat produced by the microbial cells. To investigate the biological side, a similar experimental approach was applied to E. coli fed-batch processes, but in a 5 L glass bioreactor. The present work, therefore, represents a contribution to both, the engineering characterization of single-use bioreactors and the related application of calorimetric methods to microbial processes., Ziel dieser Arbeit war es, ger��hrte Einweg-Bioreaktoren hinsichtlich ihrer W��rme��bertragungsf��higkeit zu bewerten. Obwohl dieses Bioreaktorkonzept zunehmend von der biopharmazeutischen Industrie adaptiert wird, ist dieser technische Aspekt derzeit in der Literatur unterrepr��sentiert. Im Gegensatz zu herk��mmlichen Bioreaktoren aus Edelstahl bieten Single-Use-Systeme einige inh��rente Eigenschaften, die m��glicherweise die W��rme��bertragung beeinflussen, wie die Polymerfolienschicht der Kultivierungskammer und eine begrenzte W��rme��bertragungsfl��che. Daher sollten kommerziell erh��ltliche Reaktionssysteme untersucht werden. Zur Bewertung der relevanten Systeme wurde ein ad��quates experimentelles Vorgehen entwickelt. Grunds��tzlich stehen zwei Arten von Methoden zur Verf��gung: Transiente Experimente, d. h. Aufheiz- und Abk��hlkurven, k��nnen mit minimalen Modifikationen direkt auf ummantelte, ger��hrte Bioreaktoren angewendet werden. Ergebnisse aus diesem Ansatz sind jedoch aufgrund des dynamischen Systemverhaltens schwieriger zu bewerten. Zweitens k��nnen station��re Verfahren angewendet werden, die eine zus��tzliche W��rmequelle ben��tigen. H��ufig werden elektrische Heizungen verwendet. In dieser Arbeit wurde eine chemische Alternative etabliert und bis zu einem Ma��stab von 200 L angewendet: der exotherme Zerfall von Wasserstoffperoxid. Eine weitere ver��ffentlichte Arbeit konzentrierte sich auf eine umfassende Untersuchung der thermischen Eigenschaften von ger��hrten Einweg-Bioreaktoren, wobei insbesondere transiente und station��re Experimente parallel durchgef��hrt und in Beziehung gesetzt wurden. Schlie��lich wurde ein Gesamtsystem-W��rme��bertragungsmodell eines ger��hrten 500 L Bioreaktors unter Ber��cksichtigung aller relevanten peripheren Komponenten, die f��r die W��rme��bertragung erforderlich sind, erstellt. Einweg-Bioreaktoren werden haupts��chlich f��r S��ugerzellkulturen verwendet. Die hohen Anforderungen an die Reaktionsapparatur, die mikrobielle Kulturen stellen, k��nnen mit aktuellen Systemen kaum erf��llt werden. Dennoch sind diese Anwendungen industriell relevant und k��nnten generell von der Technologie profitieren. Eine der Hauptherausforderungen liegt in der von den mikrobiellen Zellen produzierten Stoffwechselw��rme. Um die biologische Seite zu untersuchen, wurde ein ��hnlicher experimenteller Ansatz auf E. coli Fed-Batch-Prozesse angewendet, jedoch in einem 5 L Glasbioreaktor. Die vorliegende Arbeit leistet somit einen Beitrag sowohl zur ingenieurtechnischen Charakterisierung von Einweg-Bioreaktoren als auch zur damit verbundenen Anwendung kalorimetrischer Methoden auf mikrobielle Prozesse.

Die Einsatzmöglichkeiten von CubeSats haben in den letzten Jahren, aufgrund des technologischen Fortschritts, rasant zugenommen. Fortschreitende Entwicklungen im Bereich Erdbeobachtung und Echtzeit-Kommunikation, wie dem Internet-der-Dinge, erfordern zunehmend verteilte Satellitensysteme. Damit solche Konstellationen für Unternehmen der NewSpace-Branche finanzierbar sind, werden Anstrengungen unternommen, Satelliten zu verkleinern und somit kostengünstiger in den Weltraum zu befördern. Der gestiegene Miniaturisierungsgrad einzelner Komponenten, verringert die notwendige Satellitengröße signifikant. Somit lassen sich multifunktionale und hochintegrierte Baugruppen auf stark verkleinerten CubeSat-Plattformen realisieren. Die im Rahmen des Satellitenprojekts PiNaSys II der Technischen Universität Berlin entwickelten Picosatelliten BEESAT-5..8 sollen mit ihrem 0.25U Format die Systemzuverlässigkeit eines stark miniaturisierten Satellitenbusses nachweisen. Diese Picosatelliten werden im Orbit, aufgrund ihrer geringen thermischen Masse, sehr starken Temperaturschwankungen unterliegen, die zu Beschädigungen der Elektronikkomponenten und einem vorzeitigen Systemausfall führen können. Das Thermalkontrollsystem von BEESAT-5..8 soll diese Temperaturschwankungen beschränken und die Einhaltung von Grenzwerten sicherstellen. Die Herausforderung besteht dabei in der Entwicklung eines passiven Thermalkonzeptes, da elektrische Heizelemente den ohnehin begrenzten Energiehaushalt der Picosatelliten zusätzlich belasten würden. Dafür sollen mit Hilfe von Thermalsimulationen entwickelte, konstruktive Lösungen zum Einsatz kommen, sowie verschiedene Materialeigenschaften und neue Beschichtungsverfahren kombiniert und hinsichtlich ihrer Thermal- und Strahlungscharakteristika untersucht werden. Latentwärmespeicher nehmen mittels thermodynamischer Zustandsänderungen des Speichermediums die ihnen zugeführte thermische Energie auf und speichern diese. Aufgrund dieser Eigenschaft besitzen sie eine sehr hohe Wärmekapazität bei geringer Eigenmasse. Diese auch als Phasen-Wechsel-Material bezeichneten Wärmespeicher sollen die Regulierung der Komponententemperatur durch die gezielte Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie unterstützen. Das Thermalkontrollsystem mit Latentwärmespeicher für miniaturisierte Picosatelliten-Plattformen soll im Rahmen von BEESAT-5..8 entwickelt, qualifiziert und anschließend im Orbit verifiziert werden., The application possibilities of CubeSats have increased rapidly in recent years due to technological progress. Progressive developments in earth observation and real-time communication, such as the Internet of Things, increasingly require distributed satellite systems. In order to make such constellations financially viable for companies in the NewSpace industry, efforts are being made to reduce the size of satellites and thus to transport them into space more cost-effectively. The increased degree of miniaturization of individual components significantly reduces the required satellite size. Thus, multifunctional and highly integrated components can be realized on highly miniaturized CubeSat platforms. The picosatellites BEESAT-5..8, developed within the satellite project PiNaSys II of the Technische Universität Berlin, should prove with their 0.25U format the system reliability of a highly miniaturized satellite bus. Due to their low thermal mass, these picosatellites will be subject to very strong temperature fluctuations in orbit, which may lead to damage of electronic components and premature system failure. The thermal control system of BEESAT-5..8 is intended to limit the temperature fluctuations and ensure compliance with limit values. The challenge here is to develop a passive thermal concept, since electrical heating elements would place an additional burden on the already limited energy budget of the picosatellites. For this purpose, design solutions developed with the help of thermal simulations are to be used, and various material properties and new coating processes are to be combined and investigated with regard to their thermal and radiation characteristics. Latent heat accumulators absorb and store the thermal energy supplied to them by means of thermodynamic changes of state of the storage medium. Due to this property, they have a very high heat capacity with a low dead weight. These heat accumulators, also known as phase change materials, are intended to support the regulation of the component temperature by the targeted absorption and release of heat energy. The thermal control system with latent heat storage for miniaturised picosatellite platforms is to be developed, qualified and subsequently verified in orbit within the framework of BEESAT-5..8.

Published in print by Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3200-3 (ISSN 2512-8906), Even before the spread of COVID 19 across the globe during the crisis of 2020, cities and regions acted as venues and drivers for a dualistic development dynamic by both creating and dissolving borders. The results obtained from various university seminars and a European summer school form the basis for a crisis manuscript, while serving to review the planning and design activities in different European cities and regions. For the first time ever, a network of students from the urban planning and design departments at 19 European universities have defined common requirements for crisis-resistant and people-friendly urban planning in Europe: On the one hand, crisis-related experiences act as catalysts for fundamental social, economic, and ecological changes, and, on the other hand, they accelerate changes that are already underway with regard to urban development policies. The crisis and border situations explored in this joint investigation extend beyond the mere operating principles of European cities and regions. In fact, as an endurance test and didactic example, they provide a guide for crisis-proof urban renewal in Europe. They lead the way in building a bridge between the European architecture and planning disciplines to create vibrant border landscapes., Bereits vor der weltweiten Ausbreitung des Covid-19-Virus im Krisenjahr 2020 waren Städte und Regionen Austragungsorte und Treiber einer dualistischen Entwicklungsdynamik von Entgrenzung und Abgrenzung. Ergebnisse aus der Hochschullehre und einer europäischen Sommerschule eröffnen ein Palimpsest der Krisen und eine Überprüfung europäischer Planung und Gestaltung von Städten und Regionen. Erstmals erarbeitete ein Netzwerk aus Studierenden von 19 europäischen Universitäten im Bereich Planung und Stadtgestaltung eine Formulierung gemeinsamer Anforderungen für eine krisensichere und menschengerechte Stadtentwicklung in Europa: Einerseits sind Krisenerfahrungen Impulsgeber für grundlegende Veränderungen in Gesellschaft, Wirtschaft und Ökologie, andererseits wirken sie als Beschleuniger bereits vorhandener Veränderungen in der Stadtentwicklungspolitik. Die gemeinsam hinterfragten Krisen- und Grenzsituationen zeigen nicht nur die Funktionsweisen europäischer Städte und Regionen auf. Vielmehr vermitteln sie als Belastungs- und Lehrproben einen Leitfaden für einen krisenfesten Stadtumbau in Europa. Wegweisend entwickeln sie einen europäischen Brückenschlag der Architektur- und Planungsdisziplin zur Gestaltung lebendiger Grenzlandschaften.

Dielektrischen Elastomeren werden aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften für den Einsatz in elastischen sowie weichen mechatronischen Applikationen ein hohes Potenzial zugesprochen. Um diese Technologie als eine neuartige Generation von Aktoren und Sensoren etablieren zu können, sind neben Forschungsarbeiten in Materialwissenschaften und zu geeigneten Herstellungsprozessen ebenfalls neuartige adaptive Leistungselektronikkonzepte notwendig, welche eine Applikationsintegration dielektrischer Elastomere ermöglichen. Der übergeordnete Forschungsinhalt der Dissertationsschrift ist daher die Erforschung skalierbarer, universell einsetzbarer leistungselektronischer Methoden sowie das lösungsorientierte Aufzeigen technologiebedingter Herausforderungen hinsichtlich der Applikationsintegration von dielektrischen Elastomeraktoren und -sensoren in unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Die in dieser Arbeit adressierten Forschungsschwerpunkte teilen sich auf die drei Betriebsmodi der aktorischen, sensorischen sowie sensomotorischen Nutzung von dielektrischen Elastomeren auf. Leistungselektronikkonzepte werden für den jeweiligen Betrieb hergeleitet, entworfen sowie deren Realisierung an dielektrischen Elastomeraktoren und -sensoren erprobt sowie evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass mit den vorgestellten leistungselektronischen Konzepten für den separaten und kombinierten Betrieb unterschiedliche Anwendungsfälle adressierbar sind. Dabei werden Aktoren simultan auch als Sensoren nutzbar, mit denen von außen wirkende Krafteinflüsse registriert werden können. Somit ist es möglich, den Aktor- oder in Zukunft gar den Systemzustand ohne externe Sensoren zu erfassen. Umgekehrt ist auch die Realisierung von primär als Sensoren genutzten dielektrischen Elastomeren mit aktivem Feedback denkbar., Due to their inherent properties, dielectric elastomers depict a promising technology with high potential for the use in elastic as well as soft mechatronic applications. To establish this technology as a new generation of actuators and sensors, next to research work in material science and suitable manufacturing processes, also novel adaptive power electronics concepts are necessary, which enable the integration of dielectric elastomers in different applications. Therefore, the main research content of this dissertation is the investigation of scalable, universally applicable power electronic methods as well as the solution oriented pointing out of technology related challenges. Thereby, the challenges are regarding the application integration of dielectric elastomer actuators and sensors in different application areas. The addressed research focus in this work is divided into the three operating modes, the actuatory, sensory and the sensorimotor usage of dielectric elastomers. Power electronics concepts are derived and designed for each operation mode. Furthermore, their implementation on dielectric elastomer actuators and sensors is tested and evaluated. The results show that different application cases are addressable with the presented power electronics concepts of separated and combined operation modes. With the established power electronics, actuators can be simultaneously used as sensors, with which external forces can be registered and the actuators’ or in future even the system’s state can be determined without external sensors. Conversely, the realization of active feedback for dielectric elastomers primarily used as sensors is also conceivable., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 357

This thesis describes the functional principle of FARN, a novel flight controller for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) designed for mission scenarios that require highly accurate and reliable navigation. The required precision is achieved by combining low-cost inertial sensors and Ultra-Wide Band (UWB) radio ranging with raw and carrier phase observations from the Global Navigation Satellite System (GNSS). The flight controller is developed within the scope of this work regarding the mission requirements of two research projects, and successfully applied under real conditions. FARN includes a GNSS compass that allows a precise heading estimation even in environments where the conventional heading estimation based on a magnetic compass is not reliable. The GNSS compass combines the raw observations of two GNSS receivers with FARN’s real-time capable attitude determination. Thus, especially the deployment of UAVs in Arctic environments within the project for ROBEX is possible despite the weak horizontal component of the Earth’s magnetic field. Additionally, FARN allows centimeter-accurate relative positioning of multiple UAVs in real-time. This enables precise flight maneuvers within a swarm, but also the execution of cooperative tasks in which several UAVs have a common goal or are physically coupled. A drone defense system based on two cooperative drones that act in a coordinated manner and carry a commonly suspended net to capture a potentially dangerous drone in mid-air was developed in conjunction with the project MIDRAS. Within this thesis, both theoretical and practical aspects are covered regarding UAV development with an emphasis on the fields of signal processing, guidance and control, electrical engineering, robotics, computer science, and programming of embedded systems. Furthermore, this work aims to provide a condensed reference for further research in the field of UAVs. The work describes and models the utilized UAV platform, the propulsion system, the electronic design, and the utilized sensors. After establishing mathematical conventions for attitude representation, the actual core of the flight controller, namely the embedded ego-motion estimation and the principle control architecture are outlined. Subsequently, based on basic GNSS navigation algorithms, advanced carrier phase-based methods and their coupling to the ego-motion estimation framework are derived. Additionally, various implementation details and optimization steps of the system are described. The system is successfully deployed and tested within the two projects. After a critical examination and evaluation of the developed system, existing limitations and possible improvements are outlined., Diese Arbeit beschreibt das Funktionsprinzip von FARN, einer neuartigen Flugsteuerung für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), die für Missionsszenarien entwickelt wurde, die eine hochgenaue und zuverlässige Navigation erfordern. Die erforderliche Präzision wird erreicht, indem kostengünstige Inertialsensoren und Ultra-Breitband (UWB) basierte Funkreichweitenmessungen mit Roh- und Trägerphasenbeobachtungen des globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) kombiniert werden. Die Flugsteuerung wird im Rahmen dieser Arbeit unter Berücksichtigung der Missionsanforderungen zweier Forschungsprojekte entwickelt und unter realen Bedingungen erfolgreich eingesetzt. FARN verfügt über einen GNSS-Kompass, der eine präzise Schätzung des Steuerkurses auch in Umgebungen erlaubt, in denen eine konventionelle Schätzung mit Hilfe eines Magnetkompasses nicht zuverlässig ist. Der GNSS-Kompass kombiniert die Messungen von zwei GNSS-Empfängern mit der echtzeitfähigen Lagebestimmung von FARN. Damit ist insbesondere der Einsatz von UAVs in arktischen Umgebungen im Rahmen des Projektes ROBEX trotz der schwachen horizontalen Komponente des Erdmagnetfeldes möglich. Zusätzlich erlaubt FARN eine zentimetergenaue relative Positionierung mehrerer UAVs in Echtzeit. Dies ermöglicht präzise Flugmanöver innerhalb eines Schwarms, aber auch die Ausführung kooperativer Aufgaben, bei denen mehrere UAVs ein gemeinsames Ziel haben oder physikalisch gekoppelt sind. In Verbindung mit dem Projekt MIDRAS wurde ein Drohnenabwehrsystem entwickelt, das auf zwei kooperativen Drohnen basiert, die koordiniert agieren und ein gemeinsam aufgehängtes Netz tragen, um eine potenziell gefährliche Drohne in der Luft einzufangen. Im Rahmen dieser Arbeit werden sowohl theoretische als auch praktische Aspekte der UAV-Entwicklung behandelt, wobei der Schwerpunkt auf den Bereichen der Signalverarbeitung, der Navigation und der Steuerung, der Elektrotechnik, der Robotik sowie der Informatik und der Programmierung eingebetteter Systeme liegt. Darüber hinaus soll diese Arbeit eine zusammengefasste Referenz für die weitere Drohnenforschung darstellen. Die Arbeit erläutert und modelliert die verwendete UAV-Plattform, das Antriebssystem, das elektronische Design und die eingesetzten Sensoren. Nach der Ausarbeitung mathematischer Konventionen zur Lagedarstellung, wird der eigentliche Kern des Flugreglers erläutert, nämlich die eingebettete Schätzung der Eigenbewegung und die prinzipielle Regelungsarchitektur. Anschließend werden, basierend auf grundlegenden Navigationsalgorithmen, fortgeschrittene trägerphasenbasierte Methoden und deren Zusammenhang mit der Schätzung der Eigenbewegung abgeleitet. Zusätzlich werden verschiedene Implementierungsdetails und Optimierungsschritte des Systems beschrieben. Das System wird innerhalb der beiden Projekte erfolgreich verwendet und getestet. Nach einer kritischen Untersuchung und Bewertung des entwickelten Systems werden bestehende Einschränkungen und mögliche Verbesserungen aufgezeigt.

Both the operation of power electronic feeders as well as consumers in electrical grids and the transition to electricity generation based on renewable plants create challenges with regard to voltage quality in electrical grids. Therefore within this thesis a control concept of a storage supported device for the simultaneous provision of various system services is elaborated, analyzed and evaluated. Moreover, an approach for the energy and power management of the energy storage of this plant is presented. Essential topics of the examination are the determination of the present level of power quality, the derivation of suitable power quality indicators as well as the power distribution to the system services. In addition, the storage technologies redox-flow battery and flywheel storage, are implemented using models and combined into a hybrid storage system. For operation of the storage system with maximum efficiency an approach depending on the power values and state of charge values of the stores is investigated., Sowohl mit dem Betrieb von leistungselektronischen Einspeisern sowie Verbrauchern in elektrischen Netzen als auch dem Übergang zu einer elektrischen Energieerzeugung auf Basis regenerativer Kraftwerke gehen Herausforderungen für die Spannungsqualität in elektrischen Netzen einher. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit ein Regelungskonzept einer speicherunterstützten hybriden Kompensationsanlage zur gleichzeitigen Bereitstellung verschiedener Systemdienstleistungen erarbeitet, analysiert und bewertet. Darüber hinaus wird ein Ansatz für das Energie- und Leistungsmanagement des Energiespeichersystems dieser Anlage vorgestellt. Wesentliche Themen der Untersuchung sind die Ermittlung des aktuellen Niveaus der Spannungsqualität, die Berechnung geeigneter Indikatoren der Spannungsqualität sowie die Leistungsverteilung auf die Systemdienstleistungen. Darüber hinaus werden die Speichertechnologien Redox-Flow-Batterie und Schwungmassenpeicher modellhaft umgesetzt und zu einem hybriden Speichersystem kombiniert. Für den Betrieb des Speichersystems mit maximalem Wirkungsgrad wird ein Ansatz in Abhängigkeit der Leistungswerte und Ladezustände der Speicher untersucht., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 360

Transformationsprozesse wie der globale Klimawandel und demographische Verschiebungen f��hren in urbanen R��umen zu st��dtebaulichen, stadtklimatischen und gew��sserbezogenen Defiziten. Diese Defizite werden ma��geblich durch die Art und Weise der Regenwasserbewirtschaftung beeinflusst. Die dezentrale Bewirtschaftung von Regenwasser mit Ma��nahmen der Versickerung, Verdunstung, R��ckhaltung und gedrosselten Ableitung erm��glicht einen naturnahen urbanen Wasserkreislauf, in dessen Folge Hitzeinseln, Gew��sserbelastungen, aber auch die Belastung von bestehenden Kanalnetzen reduziert werden. Die bei Umsetzung von dezentraler Regenwasserbewirtschaftung (dRWB) geschaffenen Gr��n- und Wasserfl��chen haben dar��ber hinaus ein st��dtebauliches Aufwertungspotential. Vor dem Hintergrund der mehrdimensionalen Wirkung von dRWB hat sich mit dem Begriff der wassersensiblen Stadtentwicklung ein neues Narrativ und Planungsparadigma entwickelt. Zur Umsetzung von wassersensibler Stadtentwicklung bedarf es einer Implementation von dRWB in allt��gliche kommunale Planungsprozesse. Trotz der bekannten Vorteile der dRWB finden vielerorts solche Implementationsprozesse nicht oder nur sehr begrenzt statt. Mit dem Ziel, Treiber und Hindernisse f��r die Implementation von dRWB in kommunalen Planungsprozessen zu identifizieren, werden daher folgende Forschungsfragen in dieser Arbeit er��rtert: - Warum bedarf es wassersensibler Stadtentwicklung bzw. der Implementation von dRWB in kommunale Planungsprozesse? - Wie erfolgt die Implementation von dRWB in kommunale Planungsprozesse? - Wo (r��umlich, technisch, prozedural) erfolgt die Implementation von dRWB? - Wann (zeitlich, prozedural) erfolgt die Implementation von dRWB? - Wer (Akteure) implementiert dRWB? Als transdisziplin��re Untersuchung im Spannungsfeld von Siedlungswasserwirtschaft und Raumplanung bedient sich diese Arbeit sowohl etablierter Methoden der Wasserwirtschaft als auch solcher der Politik- und Verwaltungswissenschaft. Bewirtschaftungsszenarien f��r ein Bestandsquartier werden modelltechnisch abgebildet. Wasserwirtschaftliche Effekte werden quantifiziert und mit planerischen Bedingungen in einen Kontext gesetzt. ��ber eine Policyanalyse wird dargestellt, welche Elemente der wassersensiblen Stadtentwicklung bereits in existierenden wasserwirtschaftlichen und raumplanerischen Handlungsprogrammen enthalten sind. Anhand einer politikfeldbezogenen Verwaltungsanalyse werden dar��ber hinaus mit der ���Zukunftsvereinbarung Regenwasser��� und der Zukunftsinitiative ���Wasser in der Stadt von morgen��� zwei explizit wassersensible Handlungsprogramme analysiert. Es wird eine gro��e Bandbreite an Einflussfaktoren in den Bereichen der Regularien, Anreiz- und Finanzierungssysteme, Verwaltungsstrukturen und Prozessorganisation identifiziert. Hierbei wird fortlaufend die Bedeutung individueller Interessen und Motivationen ersichtlich. Die Analyse m��ndet in einer Zusammenfassung besonders relevanter Treiber und Hemmnisse aus den Bereichen der Normung, der Leitbilder, der Prozessorganisation und des Akteursverhaltens. Abschlie��end werden Handlungsempfehlungen ausgesprochen. Die Arbeit skizziert einen transdisziplin��ren Forschungsansatz der geeignet ist, tiefergehende und kommunenspezifische Implementationstreiber und -hemmnisse zu identifizieren. Eine Anwendung der Methode in Reallaboren wird empfohlen, um die herausgearbeiteten Einflussfaktoren ortsspezifisch zu konkretisieren und zu erg��nzen., Transformation processes such as global warming and demographic shifts result in urban climate, urban quality, and water-related deficits. These deficits are influenced by the method and manner of rainwater management. The decentralized management of rainwater with infiltration, evaporation, retention and restricted discharge enables natural circulation. Vegetation and waterbodies created by sustainable urban drainage systems (SUDS) have significant potential to improve urban development. Against the backdrop of SUDS���s multidimensional effect, a new narrative and planning paradigm has developed with the concept of water-sensitive urban design. The implementation of water-sensitive urban design requires the implementation of SUDS in day-to-day planning processes at the municipal level. Despite the known advantages of SUDS, such implementation processes have been used sparingly, if at all. With the aim of identifying drivers and obstacles for the implementation of SUDS in municipal planning processes, the following research questions are discussed in this thesis: - Why is there a need for water-sensitive urban design and the implementation of SUDS in municipal planning processes? - How is SUDS implemented in municipal planning processes? - Where (spatially, technically, procedurally) is SUDS implemented? - When (chronologically, procedurally) is SUDS implemented? - Who (agents) implements SUDS? As a transdisciplinary study between urban water management and spatial planning, this work utilises established methods of water management and those of political and administrative science. Best-practise scenarios for an existing city district are illustrated through models. Water management effects are quantified and put into context with planning conditions. A policy analysis shows which elements of water-sensitive urban design already exist in water management and spatial planning programs. On the basis of an administrative analysis related to the policy field, two explicitly water-sensitive programs of action are also analysed: the ���Zukunftsvereinbarung Regenwasser��� and ���Wasser in der Stadt von morgen��� initiatives. A wide range of influencing factors in the areas of regulations, incentive and financing systems, administrative structures and process organization are identified. The importance of individual interests and motivations is con��tinuously evident. The analysis leads to a summarizing presentation of particularly relevant drivers and obstacles from the areas of standardization, mission statements, process organization and agent behaviour. Finally, recommendations for action are made. The work outlines a transdisciplinary research approach that will assist in the identification deeper and community-specific implementation drivers and barriers. An application of these methods through research by design is recommended in order to concretize and supplement the influencing factors elucidated here on a site-specific basis.

This dissertation treats a recently introduced modern random access protocol known as unsourced random access (U-RA). This protocol belongs to the family of grant-free random access protocols which, in contrast to the established grant-based protocols of current mobile communication standards, do not rely on an initial access phase, in which the active devices identify themselves and await the grant of dedicated transmission resources (e.g. time-frequency blocks) from the base station (BS). When messages are short and the number of active devices is large, which is a central specification of upcoming massive machine-type-communication (mMTC) scenarios, such a grant-based procedure is overly wasteful and may increase the delay to an unacceptable level. In a grant-free scenario the active devices transmit their payload right away without awaiting the grant of dedicated resources. A commonly discussed approach is to assign devices unique fixed identification sequences (called pilots in the following). Active devices then transmit their pilot followed directly by their message. The idea of unsourced random access is to go one step further and, ideally, abolish the identification step, such that active devices directly transmit a message from a common predefined message set. Information-theoretically such a behavior is captured by letting each user employ the same codebook, as opposed to the classical information-theoretic treatment of the multiple access problem where each user is assigned an individual codebook. The assumption of a common codebook allows to treat the random access problem in a way that captures the effect of short messages while still taking into account the physical properties of the channel. In this work I build on a previously introduced coding scheme for the U-RA problem on the AWGN channel termed coded compressed sensing (CCS). I introduce a novel decoding algorithm for the CCS scheme based on approximate message passing (AMP) and give an asymptotic analysis. The analysis shows that it is possible, under optimal decoding, to achieve the fundamental communication limit on the AWGN channel even when arbitrary many users communicate without any coordination. Furthermore, I show that the low-complexity AMP algorithm cannot achieve this limit with a uniform power allocation. Instead, an optimized non-uniform power allocation is necessary to improve the performance of the AMP algorithm beyond a certain limit. I use the developed analysis to derive a method to find such power allocation. Numerical evaluation show that the proposed scheme is efficient and the analysis is precise. In the second part of the work I present an extension of the U-RA idea to a block-fading AWGN channel with a massive MIMO receiver. I introduce and study a modified CCS scheme that uses a covariance based decoding algorithm. The analysis shows that the sum-spectral-efficiency of such a U-RA system can grow as O(L/ log L), where L is the length of a coherence block. In the course of the analysis I show that the self Khatri-Rao product of random spherical matrices satisfies the so called restricted isometry property, which is a result of independent interest and find applications in e.g. the analysis of the limits of direction-of-arrival estimation. Remarkably, the CCS scheme shows to work very well even in a high mobility scenario with short coherence block length L ≈ 100 and hundreds of concurrent active users. In such a fast fading scenario pilot based random access would completely fail for this number of users. On the other hand, if the coherence block length is large enough, I show that a more conventional scheme based on randomly chosen pilots and maximum-ratio-combining can efficiently implement the U-RA idea in a massive MU-MIMO setting. Finally, I show that the CCS scheme can be deployed in an distributed setting, where multiple BSs can decode the messages of many active users with minimal corporation between the BSs and no required cell management ("cell-free"). Furthermore, I present a novel iterative scheme that allows to jointly detect the activity and the geographic positions of the active users. The practical performance of all the proposed schemes is evaluated by numerical simulations., In dieser Arbeit behandle ich ein kürzlich vorgestelltes Random-Access Verfahren zur drahtlosen Kommunikation das unter dem Namen "Unsourced Random Access" (U-RA) bekannt wurde. Das Verfahren gehört zur Klasse der zuweisungsfreien Random-Access Protokolle, die, im Gegensatz zu den etablierten zuweisungsbasierten Protokollen aktueller mobiler Kommunikationsstandards, nicht auf eine erste Kennenlernphase angewiesen sind, während der die Benutzer sich identifizieren and auf die Zuweisung von festen Kommunikationsresourcen (z.B. Zeit-Frequenzblöcken) durch die Basisstation (BS) warten müssen. So ein zuweisungsbasiertes Protokoll ist besonders ineffizient, wenn die Zahl der Benutzer sehr groß ist, sie aber nur selten aktiv sind und nur kurze Nachrichten zu übermitteln haben. Das ist z.B. bei typischen Szenarien zukünftiger Maschinenkommunikation der Fall, in denen eine Vielzahl von Sensoren in unregelmäßigen Abständen ihren Messungen übermitteln. Die Zuweisungsphase würde in so einem Szenario die Verzögerungen zwischen Sender und Empfänger deutlich erhöhen. In einem zuweisungsfreien Protokoll hingegen senden Benuzter ihre Daten direkt, ohne auf die Zustimmung der BS zu warten. Ein gerne verwendeter Ansatz zur zuweisungsfreien Kommunikation besteht darin, jedem Benutzer eine eindeutige Signatur zuzuweisen. Ein aktiver Benutzer sendet dann erst seine Signatur, direkt gefolgt von der eigentlichen Nachricht. So ein Ansatz ist nicht komplett zuweisungsfrei, da erst jedem Benutzer eine Signatur zugewiesen werden muss. Im U-RA Ansatz werden hingegen alle Benutzer von Anfang an als ununterscheidbar behandelt. In dem Fall muss der Empfänger nur eine Liste der gesendeten Nachrichten rekonstruieren, wobei es prinzipiell nicht möglich ist eine bestimmte Nachricht einem bestimmten Benutzer zuzuordnen. Informationstheoretisch spiegelt sich dieser Ansatz in der Annahme, dass alle Benutzer dasselbe Codebuch haben. Das erlaubt es das Problem auf eine weise zu behandeln die es ermöglicht die kurze Länge der Nachrichten und gleichzeitig die Art des Kanals mit einzubeziehen. In dieser Arbeit baue ich auf einer bestehenden Methode auf, für U-RA zu kodieren, die als coded-compressed-sensing (CCS) bekannt ist. Ich stelle einen verbesserten Dekodieren für CCS vor, basieren auf dem approximate message passing (AMP) Algorithmus, und analysiere diesen Dekoder. Die Analyse zeigt, dass es unter optimaler Dekodierung möglich ist die fundamentalen Grenzen der Mehrbenutzerkommunikation auf dem realen AWGN Kanal zu erreichen, selbst wenn unendlich Benutzer ohne jede Kooperation senden. Außerdem kann ich zeigen, unter welchen Bedingungen diese Grenzen auch unter sub-optimaler AMP Dekodierung erreichbar sind. Simulationen zeigen, dass der vorgestellte Dekodierer effizient ist und die theoretische Analyse gute Vorhersagen liefert. Im zweiten Teil der Arbeit stelle ich vor, wie das U-RA Konzept auf einen AWGN Kanal mit Block-Fading und mehreren Empfangsantennen anwendbar ist. Ich stelle eine Modifikation des CCS Schemas vor, die mit einem Kovarianz-basierten Algorithmus dekodiert werden kann. Die Analyse zeigt, dass die gesamte spektrale Effizienz eines solchen Systems in der Größenordnung O(L/ log L) wachsen kann, wobei L die Länge eines Koheränzblocks ist. Im Rahmen dieser Analyses habe ich gezeigt, dass sogenannte selbst Khatri-Rao product einer zufälligen sphärischen Matrix die restricted isometry property hat. Das ist ein Resultat das von unabhängigem Interesse ist und in Bereichen wie der Bestimmung von Einfallswinkeln in Radaranwendungen benutzt werden kann. Das CCS Verfahren funktioniert sehr gut und erlaubt es selbst in Szenarien mit hoher Mobilität und kurzen Koheränzblocklängen von etwa L ≈ 100 noch zuverlässige Kommunikations von einigen hundert Benutzern. Bei solchen kurzen Koheränzblöcken und Benutzerzahlen würden klassische Verfahren komplett versagen. Andererseits, für lange Koheränzblöcke stelle ich ein alternatives Verfahren vor, das auf der zufälligen Wahl von Signaturen aus einer vorgegebenen Menge basiert und maximum-ratio-combining benutzt um die Nachrichten unterschiedlicher Benutzer zu trennen. Im letzten Teil der Arbeit untersuche ich, wie der U-RA Ansatz mit verteilten Empfangsstationen funktionieren kann. Ich zeige, dass es trotz minimaler Kooperation unter den Empfangsstationen und ohne Zellenmanagement, möglich ist das U-RA Konzept effizient zu implementieren. Außerdem stelle ich einen neuen Algorithmus vor der es den Empfangsstationen erlaubt gleichzeitig die Aktivität der Benutzer und ihre Position zu bestimmen. Die möglichen Leistungen aller vorgestellen Algorithmen werden mit Simulationen belegt.

Aerosole verbreiten sich aufgrund von Konvektion in Innenräumen. In der aktuellen Untersuchung wird der Einfluss der freien (thermischer Auftrieb) und der erzwungenen (mechanische Belüftung) Konvektion gegenüber gestellt. Die durch den thermischen Auftrieb bewegte Luftmenge ist bereits in geringem Abstand über der Wärmequelle höher als die Luftmenge, die von der Lüftungsanlage im selben Abstand bewegt wird., Because of convection aerosols will be dispersed in internal spaces. In this investigation the influence of free (thermal buoyancy) and forced (mechanical ventilation) convection has been compared. The air flow, which has been moved by the thermal bouyancy is even after a short distance above the heat source higher than the air flow caused by the mechamical ventilation system.

Context. The Love number h2 describes the radial tidal displacements of Mercury’s surface and allows constraints to be set on the inner core size when combined with the potential Love number k2. Knowledge of Mercury’s inner core size is fundamental to gaining insights into the planet’s thermal evolution and dynamo working principle. The BepiColombo Laser Altimeter (BELA) is currently cruising to Mercury as part of the BepiColombo mission and once it is in orbit around Mercury, it will acquire precise measurements of the planet’s surface topography, potentially including variability that is due to tidal deformation. Aims. We use synthetic measurements acquired using BELA to assess how accurately Mercury’s tidal Love number h2 can be determined by laser altimetry. Methods. We generated realistic, synthetic BELA measurements, including instrument performance, orbit determination, as well as uncertainties in spacecraft attitude and Mercury’s libration. We then retrieved Mercury’s h2 and global topography from the synthetic data through a joint inversion. Results. Our results suggest that h2 can be determined with an absolute accuracy of ± 0.012, enabling a determination of Mercury’s inner core size to ± 150 km given the inner core is sufficiently large (>800 km). We also show that the uncertainty of h2 depends strongly on the assumed scaling behavior of the topography at small scales and on the periodic misalignment of the instrument.

Die produzierende Industrie strebt im Rahmen der vierten industriellen Revolution, Industrie 4.0, die Optimierung der klassischen Zielgrößen Qualität, Kosten und Zeit sowie Ressourceneffizienz, Flexibilität, Wandlungsfähigkeit und Resilienz in globalen, volatilen Märkten an. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung von Smart Factories, in denen sich relevante Objekte, Produktions-, Logistik- und Informationssysteme sowie der Mensch vernetzen. Cyber-physische Systeme (CPS) tragen als sensorisierte und aktorisierte, resiliente und intelligente Gesamtsysteme dazu bei, Produktionsprozesse und -maschinen sowie die Produktqualität zu kontrollieren. Vordergründig wird die technische Komplexität von Produktionssystemen und damit auch zugehöriger Instandhaltungsprozesse durch die Anforderungen an deren Wandlungsfähigkeit und den zunehmenden Automatisierungsgrad ansteigen. Heraus-forderungen bei der Entwicklung und Implementierung von CPS liegen in fehlenden Interoperabilitäts- und Referenzarchitekturkonzepten sowie der unzureichend definierten Interaktion von Mensch und CPS begründet. Sozio-cyber-physische Systeme (Sozio-CPS) fokussieren die bidirektionale Interaktion von Mensch und CPS und adressieren diese Problemstellung. Gegenstand und Zielstellung dieser Dissertationsschrift ist die Definition von Sozio-CPS in der Domäne der Zustands- und Prozessüberwachung von Smart Factories. Untersucht werden dabei Nutzungsszenarien von Sozio-CPS, die ganzheitliche Formulierung von Systemarchitekturen sowie die Validierung der entwickelten Lösungsansätze in industriellen Anwendungsszenarien. Eine erfolgreiche Umsetzung von Sozio-CPS in drei heterogenen Validierungsszenarien beweist die Korrektheit und Anwendbarkeit der Lösungsansätze., Within the scope of the fourth industrial revolution, Industry 4.0, the manufacturing industry is trying to optimize the traditional target figures of quality, costs and time as well as resource efficiency, flexibility, adaptability and resilience in volatile global markets. The focus is on the development of smart factories, in which relevant objects and humans are interconnected . Cyber-physical systems (CPS) are used as sensorized and actuatorized, resilient and intelligent overall systems to control production processes, machines and product quality . The technical complexity of production systems and their associated maintenance processes are rising due to the demands on their adaptability and the increasing automation. Challenges in the development and implementation of CPS include the lack of interoperability and reference architecture concepts as well as the insufficiently defined interaction of people and CPS. Socio-cyber-physical systems (Socio-CPS) focus on bidirectional interaction of humans and CPS to address this problem. The scope and objective of this dissertation is to define Socio-CPS in the condition and process monitoring of smart factories. This dissertation utilizes scenarios of Socio-CPS, holistically defines system architectures and validates the solutions developed in industrial applications. The successful implementation of Socio-CPS in three heterogeneous validation scenarios proves the correctness and applicability of the solutions., FAU Studien aus dem Maschinenbau, 335

Wireless communication has become an important part of our daily lives. In the past decades, the phenomenal increasing demand for mobile wireless data services has been pushing both industry and academia to move to millimeter wave (mmWave) frequencies (30-300GHz) for the next generation (5G) mobile communication. The main motivation for mmWave communication is the unprecedented massive bandwidth (multi-GHz) which can offer multi-Gbps data rates for each mobile devices. However, mmWave signals experience high path loss, directivity and blockages, which severely limits the network performance. The goal of this thesis is to clearly incorporate all the new features at mmWave frequencies, on top of which to provide new state of the art schemes regarding different communication phases. Specifically, this thesis contains four main contributions. First, we propose an efficient beam alignment (BA) scheme for mmWave OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) systems. Second, we further explore single-carrier (SC) operation mode at mmWave frequencies and propose a new BA scheme for mmWave SC systems. Third, we define two HDA antenna architectures which can be regarded as two ``extreme'' cases, i.e., the fully-connected (FC) architecture and the one-stream-per-subarray (OSPS) architecture. We propose a joint performance evaluation of the initial BA, the consequent data communication as well as the hardware impairments. Fourth, we extend our work to relay networking to further increase the communication range at mmWave frequencies., Drahtlose Kommunikation ist zu einem wichtigen Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden. Die Nachfrage nach mobilen Datendiensten ist in den letzten Jahren massiv gestiegen. Dies hat sowohl die Industrie als auch die Wissenschaft dazu veranlasst, für die Mobilkommunikation der nächsten Generation (5G) auf Frequenzen im Bereich der Millimeterwellen (mmWave, 30-300GHz) umzusteigen. Die Hauptmotivation für die mmWave-Kommunikation ist die Verfügbarkeit einer enormen Bandbreite (mehrere GHz). Diese ermöglicht Datenraten von mehreren Gbps für mehrere Mobilfunkendgeräte. Bei mmWave-Signalen treten jedoch hohe Pfadverluste, sehr spezifische Richtcharakteristiken und Blockierungen auf, was die Netzwerkleistung stark einschränkt. Ziel dieser Arbeit ist es, alle neuen Eigenschaften bei mmWave-Frequenzen klar einzubeziehen und darüber hinaus neue hochmoderne Algorithmen für verschiedene Phasen der Kommunikation bereitzustellen. Insbesondere enthält diese Arbeit vier Hauptbeiträge. Zunächst stellen wir einen effizienten Algorithmus für die initiale Ausrichtung von Antennencharakteristiken (im Englischen beam alignment - BA) für mmWave orthogonal frequency division multiplexing-Systeme (OFDM-Systeme) vor. Zweitens untersuchen wir den Einträger-Betriebsmodus (single carrier - SC) bei mmWave-Frequenzen. Drittens definieren wir zwei spezifische Strukturen der HDA-Architektur, die als zwei Extremfälle angesehen werden können. Diese sind die vollständig verbundene (fully connected - FC) Architektur und die Ein-Signalpfad-pro-Subarray-Architektur (one stream per subarray - OSPS). Wir betrachten zusammenhängend die Leistung des initialen BA, der daraus resultierenden Datenkommunikation sowie der Hardware-Beeinträchtigungen. Viertens erweitern wir unsere Arbeit auf Relay-Netzwerke, um die Reichweite bei mmWave-Frequenzen weiter zu vergrößern.

The world population is projected to reach 9.7 billion in 2050, which means that the Food and Feed industry is supposed to keep improving its productivity in order to provide all these people with enough food at the same pace. The current trend of regulatory authorities toward application of new process analytical technology tools to improve process understanding as well as reliability and ensure product quality during the production, has awakened the need of investing in novel analytics, especially in (bio)pharmaceutical industries, but is being extended to other fields. Moreover, the increasing acceptance of industrial companies that relevant concentration gradients affecting process performance as well as product quality appear in production vessels, is turning the scale down representation of conditions of the large scale in the lab indispensable. Furthermore, the actual digitalization transformation experienced in everyone´s life is becoming more and more relevant in industrial manufacturing, with the current tendency to develop a so-called digital twin, which simulates the (bio)process running in the plant in silico, thus minimizing out-of-specification batches and allowing near future personnel as well as materials/consumables planning. In this work, (i) electrooptical measurements of cell polarizability as well as size, (ii) single- and multicompartment scale down strategies and (iii) mechanistic modeling of macroscopic variables as well as population heterogeneity were applied to Streptococcus thermophilus fermentations for the first time. Firstly, the at-line determination of bacterial polarizability (i.e. orientation under the application of an electrical field) allowed the elucidation of different growth phases and resulted to be an early indicator of nutrient imbalance as well as growth cessation. Moreover, the analysis of the mean cell size without sample preparation with the same device also allowed the monitoring of qualitative morphological changes during growth. These were verified with parallel flow cytometric analyses, which revealed calibration issues in the equipment preparation, which should be addressed in future experiments. Secondly, pH shifts in the range from 5.5 until pH 8.0 (i.e. pH = +2.0;-0.5) were induced in singlecompartment reactor cultivations leading to a 48.5 % biomass productivity loss in the worst case scenario, while repeated pH pulses in a similar region were performed through ammonia addition in the plug-flow reactor of multi-compartment reactor experiments which yielded a 20 % less cell concentration at the end. Importantly, relevant morphologic changes under the different cultivation conditions were detected: increased chain length under alkali conditions and more homogenous cocci chain length distribution with shorter chains at low pH values. Nevertheless, computational fluid dynamic studies of a 700 L pilot scale fermenter revealed that those scale down conditions were exaggerated in terms of pH-gradients induced: only pH pulses up to 6.3 were monitored throughout a S. thermophilus fermentation under optimal growth conditions, while the pH never dropped below 5.8 far away from the base addition zone. However, extended mixing times and limited power input in the industrial scale may lead to higher pH, so that their effect on process performance and product quality was further assessed. Thirdly, a population balance model based on a mechanistic description of typical growth metabolites (namely biomass, lactose, lactic acid and galactose concentrations) was developed, being able to predict the evolution of certain populations (namely 1-coccus, 2-, 3-, 4- and 5 or more cocci chains) during S. thermophilus cultivation under optimal growth conditions and variable pH-gradients.The application of the first device (EloTrace, EloSystems GmbH, Berlin, Germany) in lactic acid bacteria large scale production would change the current quality by testing mindset to a quality by design/control approach, where the polarizability could be defined as a new critical quality attribute to be maintained inside a certain window by changing critical process parameters during the fermentation. The different scale down concepts applied in this study improved current process understanding of the industrial partner and should encourage the consideration of such lab scale simulators in early process development of new products or in optimization of existing bioprocesses. Finally, the hydrodynamic as well as population balance models developed in this work, if coupled to in situ microscopy technologies to determine cell size distribution in real-time, would enable the implementation of a model-based soft sensor strategy, where population heterogeneity could be minimized by changing critical process parameters, like the tip speed or base addition point., Die prognostizierte Weltbevölkerung im Jahr 2050 beträgt 9,7 Milliarden, was bedeutet, dass die Lebens- und Futtermittelindustrien ihre Produktivität weiter erhöhen müssen, um der gesamten Bevölkerung genügend Lebensmittel zur Verfügung stellen zu können. Regulierungsbehörden tendieren immer mehr zur Anwendung neuer Werkzeuge der Prozessanalysetechnologie, um das Prozessverständnis sowie die Zuverlässigkeit zu verbessern und die Produktqualität während der Produktion sicherzustellen. Dies geht einher mit der Notwendigkeit in neuartige Analytik zu investieren, insbesondere in der (bio-) pharmazeutischen Industrie, aber auch in anderen Gebieten. Außerdem, die zunehmende Anerkennung von Industrieunternehmen, dass relevante Konzentrationsgradienten, die die Prozessleistung sowie die Produktqualität beeinflussen, in Produktionsbehältern auftreten, macht eine Verkleinerung der Darstellung von Bedingungen im großen Maßstab im Labor unverzichtbar. Darüber hinaus gewinnt die Digitalisierung in der industriellen Fertigung immer mehr an Relevanz. Insbesondere die Entwicklung sogenannter digital twins ermöglicht, den (Bio-) Prozess zu simulieren und die Anlage in silico ablaufen zu lassen. Dies minimiert die Anzahl der Chargen, die außerhalb der Spezifikation liegen, und ermöglicht eine zeitnahe Personal- und Materialplanung. In dieser Arbeit wurden (i) elektrooptische Messungen der Zellpolarisierbarkeit sowie der Größe, (ii) Einzel- und Multikompartiment- scale down Strategien und (iii) mechanistische Modellierung makroskopischer Variablen sowie der Populationsheterogenität während Streptococcus thermophilus Fermentationen zum ersten Mal angewandt. Erstens ermöglichte die Bestimmung der bakteriellen Polarisierbarkeit (d. h. Zellorientierung unter Einfluss eines elektrischen Feldes) die Aufklärung verschiedener Wachstumsphasen und war damit ein früher Indikator für ein Nährstoffungleichgewicht sowie eine Wachstumsverzögerung. Darüber hinaus ermöglichte die Analyse der durchschnittlichen Zellgröße ohne Probenvorbereitung mit demselben Gerät auch die Überwachung qualitativer morphologischer Veränderungen während des Wachstums. Diese wurden mit parallel durchgeführten durchflusszytometrischen Analysen verifiziert, welche Kalibrierungsprobleme bei der Gerätvorbereitung offenbarten, die in zukünftigen Experimenten behoben werden sollten. Zweitens wurden pH-Verschiebungen im Bereich von 5.5 bis 8.0 (d. h. pH = +2.0; -0.5) in EinzelkompartimentReaktorkultivierungen induziert, was im schlechtesten Fall zu einem Biomasse-Produktivitätsverlust von 48.5 % führte. Wiederholte pH-Pulse in einem ähnlichen pH-Bereich durch Ammoniakzugabe in den Pfropfenströmungsreaktor während Mehrerekompartiment-Reaktorexperimenten ergaben am Ende eine 20 % geringere Zellkonzentration. Bemerkenswerterweise wurden relevante morphologische Veränderungen unter den verschiedenen Kultivierungsbedingungen festgestellt: längere Kettenlänge unter alkalischen Bedingungen und homogenere Verteilung der Kokkenkettenlänge mit kürzeren Ketten bei niedrigen pH-Werten. Dennoch ergaben fluiddynamische Betrachtungen eines 700 L-Fermenters im Pilotmaßstab, dass die Laborbedingungen in Bezug auf die induzierten pH-Gradienten übertrieben waren: während einer S. thermophilus Fermentation unter optimalen Wachstumsbedingungen wurden nur pH-Pulse bis zu 6.3 festgestellt während der pH-Wert weit entfernt von der Basenzugabezone nie unter 5.8 fiel. Verlängerte Mischzeiten und eine begrenzte Leistungsaufnahme im industriellen Maßstab können jedoch zu einem höheren pH führen, sodass der Einfluss auf die Prozessleistung und die Produktqualität weiter untersucht wurde. Drittens wurde ein Populationsmodell entwickelt, das auf einer mechanistischen Beschreibung typischer Wachstumsmetaboliten (Biomasse-, Laktose-, Milchsäure- und Galaktosekonzentration) basierte und die Entwicklung bestimmter Populationen (1-Coccus, 2-, 3-, 4 und 5 oder mehr Kokkenketten) während S. thermophilus Kultivierungen sowohl unter optimalen Wachstumsbedingungen als auch unter variablen pH-Gradienten vorhersagen konnte. Die Anwendung des ersten Geräts (EloTrace, EloSystems GmbH, Berlin, Deutschland) in der industrielle Produktion von Milchsäurebakterien würde die aktuelle quality by testing Denkweise auf einen quality by design/control Ansatz ändern. Hierbei könnte die Polarisierbarkeit als neues kritisches Qualitätsattribut definiert werden, das innerhalb eines bestimmten Rahmens gehalten werden soll, indem kritische Prozessparameter während der Fermentation angepasst werden. Die in dieser Studie angewandten unterschiedlichen scale down-Konzepte verbesserten das aktuelle Prozessverständnis des Industriepartners und sollten die Berücksichtigung solcher Laborsimulatoren bei der frühen Prozessentwicklung neuer Produkte oder bei der Optimierung bestehender Bioprozesse fördern. Schließlich könnten die in dieser Arbeit entwickelten hydrodynamischen- und Populationsmodelle, in Verbindung mit in situ Mikroskopietechnologien zur Bestimmung der Zellgrößenverteilung in Echtzeit, die Implementierung einer modellbasierten Soft-Sensor-Strategie ermöglichen. Schlussendlich könnte damit eine minimale Populationsheterogenität durch die Änderung kritischer Prozessparameter (z.B. der Rührgeschwindigkeit oder des Basenzugabepunkts) sichergestellt werden.