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Organisationseinheit der BAM
Hydrogen represents an important alternative to fossil fuels. Hydrogen storage is possible as a gas, at room temperature (RT) at about 20 MPa pressure, and in a liquefied form, at cryogenic temperatures of about 20 K. The latter form is particularly attractive due to the possibility of stocking a large quantity of hydrogen within a small volume. In moving parts (e.g. of transport vehicles) cryogenic temperature and the presence of hydrogen strongly enhance wear processes and subsequently component failure.
The present work deals with the deformation behaviour and the microstructural deterioration of austenitic CrNi- and CrMn high nitrogen-steels during friction in liquid hydrogen at 20 K. The modified microstructure within the wear scar is studied by scanning electron microscopy and X-ray diffraction methods. Diffraction studies of wear scars reveal the importance of twinning during deformation at 20 K. This increase of twinning can be attributed to a hydrogen-induced reduction of stacking fault energy (SFE) in the austenitic steels. Interactions between twin boundaries and planar dislocation structures along with locally increased stresses led to the formation of extensive crack networks. The amount of hydrogen-induced surface cracks depends on the alloy composition and is not necessarily correlated to the wear resistance of the austenitic steels.
Straßenverkehr stellt in Deutschland die stärkste Quelle für Lärmbelastungen dar. In 2014 wurde durch den Forschungsverbund Leiser Verkehr ein Bericht zur Situation der Lärmwirkungsforschung in Deutschland veröffentlicht, der den aktuellen Wissensstand zum Einfluss des Verkehrslärms auf die Lebensqualität und die Gesundheit der Bevölkerung dokumentiert. Verschiedene Studien belegen, dass Dauerbelastungen über 65 dB(A) die Betroffenen stark beeinträchtigen. So mindern die hohen Lärmbelastungen nicht nur die Lebensqualität, sondern sie können auch Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Schlafstörungen, kognitive Leistungseinschränkungen und Tinnitus verursachen. Gerade wegen des stetig wachsenden Verkehrsaufkommens sind deshalb Strategien zu entwickeln, die die Bevölkerung noch wirksamer vor Straßenverkehrslärm schützen.
Aus dem Verkehrsforschungsprogramm der Bundesregierung wurden seit 2001 die Verbundprojekte Leiser Straßenverkehr gefördert. In 2014 wurde das dritte und letzte Verbundprojekt erfolgreich abgeschlossen.
Das Verbundprojekt Leiser Straßenverkehr 3 (LeiStra3) hatte sich als zentrales Ziel gesetzt, Maßnahmen zur Minderung des Straßenverkehrslärms in Ballungsräumen zu entwickeln, die dort aufgrund der hohen Bevölkerungsdichte besonders wirkungsvoll sind. Es wurden verschiedene Forschungsansätze verfolgt, die die Geräuschemission an der Lärmquelle nachhaltig reduzieren. Da die Geräuschemission des fließenden Verkehrs maßgeblich durch Wechselwirkungen an der Kontaktstelle von rollendem Reifen und Fahrbahn bestimmt wird, standen die Reifen-Fahrbahn-Geräusche im Fokus der Untersuchungen.
Ein Schlüsselelement in LeiStra3 war die Erweiterung des Simulationsmodells SPERoN zur quantitativen Analyse und Vorhersage der Reifen-Fahrbahn-Geräusche. Systematische Analysen von experimentell aufgenommenen Geräuschspektren mit dem Modell zeigten in LeiStra3, dass neben der Anregung von Reifenschwingungen aerodynamische Effekte im Reifen-Fahrbahn-Kontakt maßgeblich an der Geräuschentstehung beteiligt sein müssen. Um diese aerodynamischen Effekte eingehend charakterisieren und kritische Größen identifizieren zu können, mussten auf einem angemieteten Testgelände Modelloberflächen mit speziellen Texturmustern hergestellt werden, die die Entstehungsmechanismen des Rollgeräusches weitgehend getrennt und unabhängig voneinander anregen. Diese Projektstudien bildeten die Grundlage für die Entwicklung eines tragfähigen physikalischen Modells zur Beschreibung der aerodynamischen Effekte.
Im Ergebnis von LeiStra3 lassen sich mit SPERoN 2020 nun reale Fahrbahnoberflächen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Reifen-Fahrbahn-Geräusche quantitativ analysieren und Designs für neuartige geräuschmindernde Fahrbahnbeläge zuverlässig synthetisieren. Darüber hinaus stellt das Modell ein leistungsfähiges Modul zur Reifenoptimierung zur Verfügung, mit dem der Einfluss der Profilierung und des Reifenaufbaus auf die Schallabstrahlung und den Rollwiderstand untersucht werden kann. Im Fokus stand dabei die Auswahl und Anwendung geeigneter numerischer Verfahren zur Verkürzung der Rechenzeiten, um ein praxistaugliches Optimierungstool bereit zu stellen. Dies ermöglicht eine effiziente Bestimmung von Schallabstrahlung und Rollwiderstand ohne aufwendigen Prototypenbau.
Im Regionalverkehr treten vielfach Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge auf, zudem werden häufig enge Kurven durchfahren. Um die nötige Traktion zu gewährleisten, müssen die Antriebsachsreifen Profile mit einem hohen Anteil an Querrillen aufweisen. Diese Blockprofile neigen zu einer starken Schwingungsanregung auf der Fahrbahn und damit zu einer höheren Geräuschemission. In LeiStra3 wurden technologische Ansätze erarbeitet, um Rollgeräusche blockprofilierter Lkw-Reifen über die gesetzlichen Grenzwerte hinaus zu reduzieren. Im Straßenversuch hat eine Entwicklungsvariante einen Schalldruckpegel von 74,4 dB(A) erreicht. Gegenüber den aktuellen Produkten wurde damit eine Geräuschreduzierung von etwa 4 bis 5 dB(A) erzielt. Diese Variante wurde etwa ein Jahr nach Projektabschluss auf dem Markt eingeführt.
Darüber hinaus wurden in LeiStra3 schallabsorbierende Unterbodenverkleidungen realisiert, die das Rollgeräusch effizient absorbieren und damit den Vorbeifahrtpegel um bis zu 3 dB(A) mindern können. Mit Blick auf Elektrofahrzeuge wurden grundlegende Untersuchungen zur Reifen-Fahrbahn-Wechselwirkung unter Antriebsmoment und zur psychoakustischen Charakterisierung durchgeführt.
Einen weiteren Schwerpunkt in LeiStra3 stellte die Entwicklung leiserer Fahrbahnoberflächen dar. Modellrechnungen belegen, dass die Oberflächengestalt einen starken Einfluss auf die Schwingungsanregung des Reifens und die aerodynamischen Vorgänge in der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn hat. Aus akustischer Sicht ist es günstig, wenn alle Profilspitzen auf einer Ebene liegen und sich plateauartige Texturen mit schluchtenförmigen Vertiefungen ausbilden.
Die lärmtechnisch optimierte Asphaltdeckschicht AC D LOA stellte zu Projektbeginn eine neue Entwicklung in der Straßenbautechnik dar und greift diesen Ansatz auf. Die Deckschicht wurde auf Basis einer dichten Asphaltzusammensetzung konzipiert und zeichnet sich durch eine Korngrößenverteilung aus, die auf eine lärmtechnisch wirksame Oberflächentextur abgestimmt ist. Der erste Einbau von AC D LOA erfolgte 2007 in Düsseldorf im Bereich der kommunalen Straßen. In LeiStra3 wurde daran gearbeitet, die Verdichtungswilligkeit des Asphaltmischgutes zu verbessern. Auf diese Weise lassen sich die Dauerhaftigkeit der Deckschicht und damit ihr lärmtechnischer Nutzen erhöhen. Die Erkenntnisse flossen in die neuen „Empfehlungen für die Planung und Ausführung von lärmtechnisch optimierten Asphaltdeckschichten“ ein, die in 2015 von der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen herausgegeben wurden.
Der Gussasphalt mit offenporiger Oberfläche (engl.: Porous Mastic Asphalt, PMA) zeigt ebenfalls lärmmindernde Effekte. Im Vergleich zum herkömmlichen Gussasphalt enthält der PMA einen wesentlich höheren Anteil grober Gesteinskörnung. Es entsteht eine Deckschicht, die im unteren Bereich dicht und im oberen Bereich offenporig strukturiert ist. Die akustische Wirksamkeit ergibt sich aus der günstigen Oberflächentextur und einem hohen Hohlraumgehalt. In 2009 wurden erste Erprobungsstrecken gebaut, bei denen Schallpegelmessungen nach der Statistischen Vorbeifahrtmethode eine Lärmminderungen von bis zu 3 dB(A) gegenüber dem Referenzwert zeigten.
Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden in LeiStra3 weiterführende Untersuchungen durchgeführt, um die Ausführungssicherheit des PMA zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurde die Mischgutzusammensetzung optimiert und Laborverfahren zur Herstellung von praxisnahen Probekörpern für die Mischgutkonzeption entwickelt. Auf den Bundesautobahnen A 553 bei Brühl, A 3 bei Lohmar und A 5 bei Friedberg konnten Erprobungsstrecken mit verschiedenen PMA-Varianten hergestellt werden. Diese wurden hinsichtlich der Mischgut- und Einbauparameter untersucht.
Außerdem wurde in LeiStra3 untersucht, inwieweit der Herstellungsprozess von Elektroofenschlacke (EOS) verbessert werden kann, um bestimmte Kornformen und Korngrößen gezielt zu erzeugen und damit einen hochwertigen Ausgangswerkstoff für den Asphaltstraßenbau zu gewinnen. Im ersten Schritt wurden dazu EOS-Körnungen hinsichtlich ihrer bautechnischen Eignung geprüft und darauf aufbauend das Potenzial verschiedener Prozessrouten bewertet. Mit einer ausgewählten EOSKörnung (EloMinit®) konnten zwei Asphaltdeckschichtvarianten konzipiert und im Mai 2014 auf einem Testfeld eingebaut werden.
Die Nachgiebigkeit bestimmt neben der Oberflächentextur und der Offenporigkeit die akustischen Eigenschaften eines Fahrbahnbelags. Ein Ziel in LeiStra3 war es, Asphaltkonstruktionen durch die Nutzung der schwingungsdämpfenden Eigenschaften des Straßenoberbaus geräuschmindernd zu gestalten. Dabei wurden verschiedene Ansätze wie die Integration einer elastischen Dämpfungsschicht oder die Konzeption eines Asphaltmischgutes mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften verfolgt.
Im Bereich Betonbauweisen stand die Herstellung einer Betondecke mit offenporiger Oberfläche (COPS) im Vordergrund. Die Grundidee des Systems COPS greift die im Asphaltstraßenbau bereits erfolgreich eingesetzte Mischgutkonzipierung mit hohem Grobkornanteil und einer feinkörnigen standfesten Bindemittel-/Mörtelphase auf. Während des Einbauvorganges sinkt der feinkörnige Mörtel nach unten ab, so dass innerhalb der oberen 10 mm der Deckschicht eine offenporige Oberfläche entsteht. In Laborversuchen wurde die Betonrezeptur so eingestellt, dass ein kontrolliertes Absetzverhalten des Zementleimes erreicht wird. Die Betonrezeptur muss möglichst stabil gegenüber Einflüssen von Witterung und Einbau sein, um die vorteilhaften akustischen Eigenschaften der fertigen Betondeckschicht sicherzustellen.
Im Verbundprojekt LeiStra3 haben Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft in einer interdisziplinär angelegten Forschungsarbeit gemeinsam Lösungen erarbeitet, mit denen das Lärmminderungspotenzial von Reifen, Fahrzeug und Fahrbahn weiter ausgeschöpft werden kann. In allen Arbeitspaketen wurden zahlreiche Ergebnisse und Erkenntnisse gewonnen, die dazu beigetragen haben, die bestehende Technik zu verbessern, die Impulse zur Entwicklung neuer Technologien gesetzt haben und auf deren Basis das Technische Regelwerk fortgeschrieben wurde.
Self-assembling biomolecules provide attractive templates for the preparation of metallic nanostructures. However, the intuitive transfer of the “outer shape” of the assembled macromolecules to the final metallic particle depends on the intermolecular forces among the biomolecules which compete with interactions between template molecules and the metal during metallization. The shape of the bio-template may thus be more dynamic than generally assumed. Here, we have studied the metallization of phospholipid nanodiscs which are discoidal particles of ~10 nm diameter containing a lipid bilayer ~5 nm thick. Using negatively charged lipids, electrostatic adsorption of amine-coated Au nanoparticles was achieved and followed by electroless gold deposition. Whereas Au nanoparticle adsorption preserves the shape of the bio-template, metallization proceeds via invasion of Au into the hydrophobic core of the nanodisc. Thereby, the lipidic phase induces a lateral growth that increases the diameter but not the original thickness of the template. Infrared spectroscopy reveals lipid expansion and suggests the existence of internal gaps in the metallized nanodiscs, which is confirmed by surface-enhanced Raman scattering from the encapsulated lipids. Interference of metallic growth with non-covalent interactions can thus become itself a shape-determining factor in the metallization of particularly soft and structurally anisotropic biomaterials.
Mass Spectrometry (MS) and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) are valuable analytical and quality control methods for most industrial chemical processes as they provide information on the concentrations of individual compounds and by-products. These processes are traditionally carried out manually and by a specialist, which takes a substantial amount of time and prevents their utilization for real-time closed-loop process control. This paper presents recent advances from two projects that use Artificial Neural Networks (ANNs) to address the challenges of automation and performance-efficient realizations of MS and NMR. In the first part, a complete toolchain has been realized to develop simulated spectra and train ANNs to identify compounds in MS. In the second part, a limited number of experimental NMR spectra have been augmented by simulated spectra, to train an ANN with better prediction performance and speed than state-of-the-art analysis. These results suggest that, in the context of the digital transformation of the process industry, we are now on the threshold of a strongly simplified use of MS and MRS and the accompanying data evaluation by machine-supported procedures, and can utilize both methods much wider for reaction and process monitoring or quality control.
Überschnittene Bohrpfahlwände sind eine bewährte
Konstruktionsmethode zur Herstellung tragender, hydraulisch dichter, tiefreichender
Wände im Spezialtiefbau. Anders als bei Einzelpfählen gibt es bisher für die
zerstörungsfreie Prüfung von Pfahlwänden keine etablierte Vorgehensweise. Erste
Versuche an Baustellen und Modellkörpern zeigten das Potential der
Ultraschallmethode (cross-hole sonic logging) zur Prüfung der Fugen über mehrere
Pfähle hinweg. An der Schleusenbaustelle Dörverden ergab sich die Möglichkeit,
das Verfahren unter Realbedingungen einzusetzen und die Ergebnisse visuell durch
Kernbohrungen und nach Aushub zu evaluieren. Dabei wurden die meisten der
prognostizierten Fehlstellen bestätigt. Die Resultate wurden in einer Neuauflage der
entsprechenden Regelwerke berücksichtigt.