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Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (57)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (28)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (25)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (4)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (2)
- 1.4 Prozessanalytik (1)
- 1.5 Proteinanalytik (1)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (1)
- 3.5 Sicherheit von Gasspeichern (1)
- 5 Werkstofftechnik (1)
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Die Pulskompression wird in der Radartechnik eingesetzt, um den Signal-Rausch-Abstand zu erhöhen. Das Ziel ist es die Entdeckungswahrscheinlichkeit eines Nutzsignals bei gleichbleibender Auflösung zu erhöhen. Durch den Einsatz von Barker Codes oder komplementären Golay Codes werden Sendesignale von Luftultraschallanwendungen pulscodiert. Dies ermöglicht in der zerstörungsfreien Prüfung die Inspektion von dickeren Bauteilen, da die Signalenergie durch zeitlich gestreckte Sendesignale bei gleicher Auflösung vergrößert wird.
In dieser Arbeit wird die Pulskompression durch die Einführung von unipolaren Sequenzen zur Pulscodierung für thermoakustische Ultraschallwandler ermöglicht. Der Signal-Rausch-Abstand wird in der Anwendung der Pulscodierung und anschließenden Filterung mit einem signalangepassten Filter in Luftultraschallmessungen mit dem thermoakustischen Wandler und Wandlern aus zellulärem Polypropylen erhöht.
Bei der Betonage von Abdichtbauwerken können Temperaturen bis 110 °C und hohe Drücke bis 5 MPa erreicht werden. Mittels Technikumsversuchen wurde nachgewiesen, dass Mikroakustik- und Ultraschallsensoren zum Einbau in Demonstrationsbauwerke geeignet sind.
Die Untersuchungen wurden bei der BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) in Berlin durchgeführt. Es ist vorgesehen, die Sensoren in Morsleben am Demonstrationsbauwerk im Anhydrit einzusetzen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Die Bandbreite möglicher Defekte und die Menge an Einflussgrößen auf die Schienenprüfung ist sehr groß, aber die Prüfdaten aus dem Feld bilden diese Bandbreite nicht balanciert ab und sind unzureichend gelabelt. Durch Simulationen werden große Mengen detailliert gelabelter Daten für relevante Schienenschädigungen und Artefakte bereitgestellt. Aus diesen Daten werden wiederum virtuellen Prüffahrten erstellt, die für das Training und die Validierung der KI genutzt werden können.
In unserem Poster stellen wir die Simulation dieser Ultraschall- und Wirbelstromprüfdaten vor. Dabei gehen wir im Detail auf die Themen CAD-Modellierung, Modellparameter, Simulationssoftware und Signalverarbeitung ein. Wir stellen ausgewählt die Simulation von Head Checks für Wirbelstromprüfverfahren und Bohrungsanrissen für Ultraschallprüfverfahren dar, da das Erkennen dieser Schädigungstypen bei der Schienenprüfung hohe Priorität innehat.
Für die Verifikation der Simulationsergebnisse verweisen wir auf den ebenfalls eingereichten Vortrag „Verifikation von Ultraschall- und Wirbelstromsimulationen bei der Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Die Nutzung von Sensortechnologien, insbesondere im Bereich der Gasdetektion mit einem Schwerpunkt auf Wasserstoff, spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungsbereichen der Wasserstofftechnologie. Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle gehören zu den prominenten Anwendungsgebieten dieser Sensortechnologien. Ein zentrales Ziel ist die Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die genaue Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und angemessene Maßnahmen zu ergreifen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrags liegt auf der Analytik und der Verwendung zertifizierter Referenzmaterialien in Verbindung mit Metrologie für die Wasserstoffspeicherung. Dies gewährleistet eine präzise und zuverlässige Charakterisierung von Wasserstoff und unterstützt die Entwicklung sicherer Speichertechnologien. Im Rahmen des Euramet-Vorhabens Metrology for Advanced Hydrogen Storage Solutions (MefHySto) wird eine Kurzvorstellung präsentiert.
Der Vortrag stellt zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren zum strukturellen Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) für Wasserstofftechnologien vor. Insbesondere die Fehlstellenerkennung mittels geführter Ultraschallwellen spielt eine bedeutende Rolle bei der Lebensdauerüberwachung von Wasserstoffspeichern. Ein weiterer Aspekt ist die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadensfrüherkennung von Wasserstoffspeichern. Diese zerstörungsfreien Prüfverfahren ermöglichen eine präzise und frühzeitige Identifizierung von Schäden, was die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffspeichersystemen entscheidend verbessert.
Im Rahmen des Seminars "Angewandte Forschungsthemen (SAFT)" am Institut für Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel werden verschiedene geophysikalische Methoden vorgestellt, die bei der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen zum Einsatz kommen. Neben einem Überblick der Arbeiten an der BAM im Allgemeinen und dem Fachbereich im Besonderen geht es vor allem um den Einsatz von Ultraschallmethoden. Drei wesentliche Schwerpunkte werden dabei beleuchtet:
1) (Geophysikalische) Antworten auf Herausforderungen bei Ultraschall-Anwendungen
2) Material research and multi-sensory monitoring for concrete sealing structures in rock salt unterground repositories (Projekt SealWasteSafe)
und 3) Untersuchung von Spritzbeton-Probekörpern unter Tage mit Ultraschall zur Qualitätssicherung von Verschlussbauwerken.
Insgesamt werden diverse Möglichkeiten für die Geophysik für Forschung und Studierende im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen aufgezeigt.
Akustische Bestimmung der Werkstoffparameter faserverstärkter Kunststoffe mittels geführter Wellen
(2021)
Akustische Verfahren eignen sich hervorragend zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften. Die Verfügbarkeit derartiger Verfahren ist vor allem für Kunststoffe wichtig, da deren Eigenschaften stark abhängig vom jeweiligen Herstellungsprozess und vom Alterungszustand sind. Exakte und vollständige Werte sind daher in Datenbanken oder von Herstellern nur begrenzt zu finden. Insbesondere die Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung faserverstärkter Kunststoffe (FKV) ist nach wie vor Gegenstand der Forschung. Hier müssen anisotropiebedingt mehrere Kennwerte bestimmt werden. Da FKV zumeist als dünnwandige Bauteile zum Einsatz kommen, können die Werkstoffparameter aus den Dispersionseigenschaften der Lamb-Wellen, die sich in diesen Strukturen ausbreiten, abgeleitet werden. Dazu ist eine räumliche Abtastung des sich ausbreitenden Schallfelds erforderlich.
In der vorliegenden Untersuchung wird dieser Ansatz für die relativ neue Werkstoffklasse der faserverstärkten Thermoplaste angewendet. Diese zeichnet ein ausgeprägtes Dämpfungsverhalten und eine Anisotropie der Materialparameter aus. Dazu wurde das Schallfeld im Ultraschallbereich mit einem Laser-Doppler-Vibrometers vermessen. Rechnerisch bestimmte Dispersionskurven wurden dann an die gemessenen Werte angepasst, womit die richtungsabhängigen Materialparameter bestimmt werden konnten.
Im Vortrag wird das Messverfahren vorgestellt und auf spezielle Probleme, die sich z.B. aus dem Dämpfungsverhalten des Werkstoffs ergeben, eingegangen. Ausgewählte gemessene Werte werden mit den Ergebnissen von Referenzverfahren verglichen.
Akustische Verfahren eignen sich hervorragend zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften. Die Verfügbarkeit derartiger Verfahren ist vor allem für Kunststoffe wichtig, da deren Eigenschaften stark abhängig vom jeweiligen Herstellungsprozess und vom Alterungszustand sind. Exakte und vollständige Werte sind daher in Datenbanken oder von Herstellern nur begrenzt zu finden. Insbesondere die Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung faserverstärkter Kunststoffe (FKV) ist nach wie vor Gegenstand der Forschung. Hier müssen anisotropiebedingt mehrere Kennwerte bestimmt werden. Da FKV zumeist als dünnwandige Bauteile zum Einsatz kommen, können die Werkstoffparameter aus den Dispersionseigenschaften der Lamb-Wellen, die sich in diesen Strukturen ausbreiten, abgeleitet werden. Dazu ist eine räumliche Abtastung des sich ausbreitenden Schallfelds erforderlich.
In der vorliegenden Untersuchung wird dieser Ansatz für die relativ neue Werkstoffklasse der faserverstärkten Thermoplaste angewendet. Diese zeichnet ein ausgeprägtes Dämpfungsverhalten und eine Anisotropie der Materialparameter aus. Dazu wurde das Schallfeld im Ultraschallbereich mit einem Laser-Doppler-Vibrometers vermessen. Rechnerisch bestimmte Dispersionskurven wurden dann an die gemessenen Werte angepasst, womit die richtungsabhängigen Materialparameter bestimmt werden konnten.
Im Vortrag wird das Messverfahren vorgestellt und auf spezielle Probleme, die sich z.B. aus dem Dämpfungsverhalten des Werkstoffs ergeben, eingegangen. Ausgewählte gemessene Werte werden mit den Ergebnissen von Referenzverfahren verglichen.
Für die sichere Endlagerung nuklearer Abfälle sind im Salzgestein Verschlussbauwerke aus Salzbeton als geotechnischen Barrieren vorgesehen. Um die Integrität der Bauwerke im Rahmen einer Qualitätssicherung nachzuweisen, eignet sich eine zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mit Ultraschall-Verfahren. Potenziell auftretende Risse oder Ablösungen sowie Einbauteile können detektiert werden. Um die Möglichkeiten und Grenzen der Ultraschall-Echo-Messungen sowie der Auswertemethoden zu untersuchen, wurden in einem aus Spritzbeton hergestellten Testbauwerk in der Grube Teutschenthal (bei Halle, Deutschland) verschiedene Störkörper während der Betonage eingebettet. Die Störkörper (Breite 3 cm bis ~8 cm) liegen in Tiefen von etwa 30 cm bis 80 cm und repräsentieren Hohlräume, Risse oder Inhomogenitäten des Betons. Von der Oberfläche führten wir Ultraschall-Echo-Messungen auf einer Fläche von etwa 100x150 cm² in einem 3D Modus durch. Die Auswertung erfolgte zunächst mithilfe der in der ZfP etablierten Synthetic-Aperture-Focusing Technique (SAFT), die der Kirchhoff Migration ähnelt. Insgesamt wird eine Vielzahl von Reflektoren im Bauwerk abgebildet, die jedoch nur in wenigen Fällen den eingebauten Störkörpern zugeordnet werden konnten, so dass auch die Grenzen des Verfahrens bei dieser Bauweise deutlich werden. Allerdings konnte eine ungeplante großflächige (>30 cm) Ablösung nachgewiesen und durch anschließende Bohrungen verifiziert werden. Um das strukturelle Abbild des Bauwerksinneren trotz des stark streuenden Spritzbetons zu verbessern, wenden wir fokussierende Migrationsverfahren an. Erste Ergebnisse zeigen, dass eine klarere Abbildung einzelner Reflektoren erreicht werden kann. Dies erleichtert die Detektion einzelner Objekte. Das hier präsentierte Experiment mit bekannten Reflektoren unter realen Bedingungen mit Spritzbeton unter Tage bietet hervorragende Möglichkeiten zur Überprüfung von methodischen Weiterentwicklungen im Bereich der Ultraschallanalyse. Durch die Verbesserung der Auswertemethodik und der darauf basierenden ultraschallbasierten Qualitätssicherungskonzepte werden insgesamt sicherere Verschlussbauwerke für nukleare Endlager ermöglicht.
Verschlussbauwerke sind für die untertägige Endlagerung im Salzgestein als eine wichtige technische Barriere vorgesehen. Diese Bauwerke müssen hohen Anforderungen an Sicherheit und Integrität genügen, weshalb im Projekt SealWasteSafe Werkstofftechnik, Prüfverfahren und Überwachungsmethoden für sichere Verschlussbauwerke verbessert werden. Dabei zeigen die untersuchten alkaliaktivierten Materialien (AAM) langsamere Reaktionskinetik bei der Erhärtung im Vergleich zu Salzbeton, was potenziell geringere Rissbildung erwarten lässt. Die Erhärtung wird an Probekörpern (100-300 l) multisensorisch über einen Zeitraum von mindestens 28 Tagen überwacht. Die Parameter Temperatur und Feuchtigkeit werden einerseits kabelgebunden, andererseits mittels drahtloser Radio Frequency Identification (RFID)-Technik aufgezeichnet. Zusätzlich kommen Schallemissionsmessungen sowie Dehnungsmessungen mittels verteilter faseroptischer Sensorik (FOS) zum Einsatz. Die Überwachung zeigt verschiedene Charakteristika beim Erhärten der Materialien mit geringerer Temperaturentwicklung des AAM. Zusätzlich werden Ultraschallmessungen genutzt, um Einbauteile und Störstellen wie Risse und Delaminationen im Rahmen der Qualitätssicherung am Probekörper und am Verschlussbauwerk zu detektieren. Dafür werden sowohl ein Ultraschallmesssystem mit großer Apertur (LAUS) als auch eine Ultraschall-Bohrlochsonde eingesetzt. Durch Erhöhung des Schalldrucks und Schallfeldbündelung im Beton wird die Aussagekraft der von der Bohrlochsonde aufgezeichneten Messsignale verbessert, was in Modellierungen und ersten Labortests gezeigt werden kann. Die Auswertung der Ultraschallmessungen zeigt das große Potenzial der Methode mit Eindringtiefen bis zu 9 m, wobei anspruchsvolle Abbildungsverfahren zu einer verbesserten Abbildung der internen Strukturen führen. Insgesamt verbessern die im Projekt SealWasteSafe entwickelten Materialien und Methoden die Möglichkeiten für sichere Verschlussbauwerke nuklearer Endlager. Obwohl die Konzepte speziell für Bauwerke im Salzgestein entwickelt werden, sind sie partiell gut auf andere Wirtsgesteine übertragbar.
Im Jahre 2011 wurde in Deutschland nach 50 Jahren der Ausstieg aus der kommerziellen Kernenergie beschlossen. Fünf Jahre später war Deutschland mit 80.000 GWh immer noch unter den zehn größten Atomstromproduzenten. Im darauffolgenden Jahr wurden weltweit 2.500.000 GWh Atomstrom produziert. Durch die Atomstromproduktion fallen große Mengen an radioaktiven Reststoffen an, die bis zu mehrere tausend Jahre für einen vollständigen Abbau benötigen. Aus dieser Problematik geht die Debatte über den Verbleib der Reststoffe hervor. Die Endlagerung in tiefen Gesteinsschichten ist eine Lösung für das Problem. Voraussetzung ist hierbei allerdings die Gewährleistung eines dauerhaften Schutzes vor ionisierender Strahlung, die durch Verschlüsse der tiefen Gesteinsschichten in Form von Verschlussbauwerken erzielt werden sollen. Es gilt die bauliche Integrität sowie die Dichtwirkung der Verschlussbauwerke dauerhaft zu überwachen und zu prüfen, um eine langfristige Verzögerung der Radionuklidfreisetzung zu gewährleisten.
In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Nanomaterialien auf ihre Bindungsfähigkeit zu Proteinen untersucht. Zu Beginn standen dabei die Herstellung stabiler Dispersionen der einzelnen Nanopartikel und die Stabilität der gebildeten Konjugate im Vordergrund. Der Nachweis einer erfolgreichen Konjugatbildung, sprich der Beschichtung von Nanopartikel mit Proteinen, wurde sowohl qualitativ mittels DLS-Messungen als auch über quantitative Protein-Bestimmungen erbracht. Für die Quantifizierung konnten verschiedene Methoden eingesetzt werden. Neben der klassischen Vorgehensweise, welche indirekt über die Quantifizierung von ungebundenem Protein im Überstand erfolgt, konnten ihm Rahmen dieser Arbeit verschiedene direkte Bestimmungsmethoden entwickelt werden. So wurden mittels kolorimetrischer Tests, wie dem BCA-Assay und dem Bradford-Assay, Nanodiamantdispersionen mit Hilfe einer Korrekturwellenlänge vermessen und quantifiziert. Ebenso zum Einsatz kam die Methode der Aminosäureanalytik, welche aufgrund ihrer guten Rückführbarkeit auf Aminosäurestandards Ergebnisse mit hoher Richtigkeit generieren kann und ebenso die Detektion kleiner Proteinmengen möglich macht.
Nach den erfolgten quantitativen Betrachtungen wurden die Protein-beschichteten Nanopartikel auf ihre Anwendbarkeit als Analoga von Virus-like Particles (VLP) bei einer Immunisierung zur Gewinnung von polyklonalen Antikörpern gegen humanes Ceruloplasmin in Kaninchen überprüft. Es konnte mittels ELISA gezeigt werden, dass die Konjugate erfolgreich für die Herstellung von Antikörpern eingesetzt werden können und im zeitlichen Verlauf einer Immunisierung eine Steigerung des Antikörper-Titers zu erreichen ist.
Die BAM wird kurz mit ihren Eckdaten als Ganzes vorgestellt und dann der Einstieg in die besonderen Möglichkeiten der Versuchsplattform "Wasserstofftankstelle" erläutert. Nach kurzen Vorstellung der Struktur der Tankstelle wird erläutert, wie drei Methoden der ZfP für das Structural Health Monitoring in Verbindung mit KI zur Anwendung kommen werden.
Zerstörungsfreie Prüfmethoden für Verschlussbauwerke nuklearer Endlager im Projekt SealWasteSafe
(2022)
Für die sichere Einlagerung von radioaktiven oder toxischen Abfällen kommen im Salzgestein technische Barrieren in Form von untertägigen Verschlussbauwerken zum Einsatz. Aufgrund der hohen Anforderungen an Sicherheit und Integrität dieser Verschlussbauwerke werden umfangreiche zerstörungsfreie Prüfmethoden zur Überwachung und Qualitätssicherung verwendet. Im BAM-Projekt SealWasteSafe werden Werkstofftechnik, Prüfverfahren und Überwachungsmethoden für sichere Verschlussbauwerke in Endlagern verbessert. Dabei wird der bisherige Salzbeton mit dem innovativen alkaliaktivierten Material (AAM) mit langsamerer Reaktionskinetik bei der Erhärtung und somit potenziell geringerer Rissbildung verglichen. Im Labormaßstab werden Probekörper mit Volumina von 100-300 l multisensorisch ausgestattet und somit die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit der Sensoren gegenüber der hochalkalischen Umgebung nachgewiesen. Durch das Monitoring wird der Abbindevorgang des Betons überwacht und die Materialien über einen Zeitraum von mehreren Wochen charakterisiert. Dabei werden die Parameter Temperatur und Feuchtigkeit einerseits verkabelt als auch mittels drahtloser Radio Frequency Identification (RFID)-Technik aufgezeichnet. Zusätzlich kommen Schallemissionsmessungen sowie Dehnungsmessung mittels verteilter faseroptischer Sensorik (FOS) zum Einsatz. Das multisensorische Überwachungssystem wird durch aktive Ultraschallmessungen ergänzt, die durch die Detektion von Rissen, Delaminationen oder anderen Störstellen eine Qualitätssicherung der Verschlussbauwerke ermöglichen. Dafür werden sowohl ein Ultraschallsystem mit großer Apertur (LAUS) als auch eine Ultraschall-Bohrlochsonde eingesetzt. Durch Erhöhung des Schalldrucks und Bündelung der Schallsignale im Beton wird die Aussagekraft der von der Bohrlochsonde aufgezeichneten Messsignale verbessert, was in Modellierungen und ersten Labortests gezeigt werden kann. Die Auswertung der Ultraschallmessungen erfolgt mit auf Diffraktionssummation beruhenden Migrationsverfahren wie Kirchhoff-Tiefenmigration und Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT), die Abbildungen vom Inneren der Probekörper erzeugen. Insgesamt verbessert das Projekt SealWasteSafe mithilfe innovativer Multisensorik und Ultraschallmethodik die Überwachungs- und Qualitätssicherungskonzepte für sichere Verschlussbauwerke nuklearer Endlager.
Durch die Internationalisierung in der Standardisierung wurden die Regelwerke zur „Charakterisierung und Verifizierung der Ultraschall-Prüfausrüstung“, die bisher als europäische Regelwerke der DIN EN 12668 Reihe eingeordnet waren, überarbeitet und in internationale Regelwerke überführt. Die Regelwerke sind seit September 2021 als deutsche Übersetzung eingeführt als DIN EN ISO 22232 und ersetzen somit in Deutschland die bisher geltenden Regelwerke der DIN EN 12668 Reihe. Die drei Teile der Reihe beschäftigen sich in Teil 1 mit den Prüfgeräten, in Teil 2 mit den Prüfköpfen und in Teil 3 mit der Prüfausrüstung, die aus Prüfgerät, Prüfkopf und Kabel besteht. In dem Vortrag möchten wir neben dem historischen Werdegang darlegen, welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede die Regelwerke aufweisen und worauf bei der Umstellung zu achten ist.
Zu jedem Endlager gehört die Entwicklung eines Verschlusskonzept. Im Endlager Morsleben und an anderer Stelle werden in Abhängigkeit vom Wirtsgestein verschiedene Materialien und Bauweisen für Streckenverschlüsse entwickelt und in großem Maßstab erprobt. Hierzu gehören auch Maßnahmen der Qualitätssicherung, die Informationen über Ausführung und Zustand der Versuchsbauwerke liefern. Hierzu werden von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) für verschiedene Forschungsvorhaben und Prüfaufträge Methoden und Geräte getestet, verbessert und vor Ort unter Tage eingesetzt Die hier beschriebenen Verfahren lassen sich auch zu Untersuchungen im Wirtsgestein anwenden.
Zu jedem Endlager gehört die Entwicklung eines Verschlusskonzept. Im Endlager Morsleben und an anderer Stelle werden in Abhängigkeit vom Wirtsgestein verschiedene Materialien und Bauweisen für Streckenverschlüsse entwickelt und in großem Maßstab erprobt. Hierzu gehören auch Maßnahmen der Qualitätssicherung, die Informationen über Ausführung und Zustand der Versuchsbauwerke liefern. Hierzu werden von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) für verschiedene Forschungsvorhaben und Prüfaufträge Methoden und Geräte getestet, verbessert und vor Ort unter Tage eingesetzt. Die hier beschriebenen Verfahren lassen sich auch zu Untersuchungen im Wirtsgestein anwenden.