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This work is devoted to the problem of liquidity that draws a lot of attention after the global financial crisis. We consider an optimization problem for a portfolio with an illiquid, a risky and a riskless liquid asset. We work in Merton’s optimal consumption framework with continuous time. The liquid part of the investment is described by a standard Black-Scholes market. The illiquid asset is sold at an exogenous random moment with prescribed distribution and generates additional liquid wealth dependent on its paper value. We show that one can consider a problem with infinite time horizon and special weight function that is characterized by the probability distribution of the liquidation time instead of a problem with an exogenous random liquidation time. Using the viscosity solution techniques, developed for the problem of optimization in presence of a random income, we prove the existence and uniqueness of the solution for the considered problem with logarithmic utility and modest restrictions on the liquidation time distribution. We find asymptotic bounds for the value function when liquidation time has exponential or Weibull distribution. We find optimal policies in a feedback form and illustrate how they differ from classical Merton’s policies. Through a Lie group analysis we find the admitted Lie algebra for a problem with general liquidation time distribution in cases of HARA and log utility functions and formulate corresponding theorems for all these cases. Using these Lie algebras we obtain reduced equations of the lower dimension for the studied three dimensional partial differential equations. Several of similar substitutions were used in other works before, whereas others are new to our knowledge. The applied method of Lie group analysis gives us the possibility to provide a complete set of non-equivalent substitutions and reduced equations that was not provided for the problem of such type so far. Further research of these equations with numerical and quantitative methods is expected to benefit from such analysis.
The German government has set ambitious targets for wind energy expansion and has implemented policy schemes aimed at facilitating market deployment of wind-generated electricity. Data on German wind energy market has shown that, wind energy generating capacity is increasing correspondingly towards the targeted values. Germany is the largest wind energy market in the EU (wind energy accounting for about 10% of the total electricity consumption in Germany) with an installed capacity of about 38.2 GW onshore by the close of 2014. The success of these policies has prompted other countries globally to adopt similar support schemes for renewable energies. However, the rapid growth of wind energy generation in Germany equally faces numerous challenges. Some of these problems are inherent to the wind energy technology while others are caused by the very policies instruments used to support wind energy expansion, such as limited availability of designated areas for wind energy development, non-uniform regulations, and rising prices. The objective of this research, therefore, is to assess the impact of the German energy and environmental policies on onshore wind energy development and to explore implementation options of the German model in Cameroon.
This research has examined the German onshore wind energy sector from a policy perspective based on existing literature, semi-structured interviews with major stakeholders, a case study of Brandenburg and a survey, with the aim of investigating the acceptance of wind energy and challenges the developers are facing.
Based on the study results, it can be affirmed that the future growth of the German onshore market will come from flexible government policies, which may offer fewer incentives to investors. Indeed, the cost of electricity from renewable energy technologies in Germany is in some cases already below retail rates. There is the need, therefore, to pursue strategic programmes that enhances market integration of wind energy. Furthermore, the study results equally shows that the German feed-in tariff based support scheme in its current form, cannot be implemented in Cameroon. This is because, the purchasing power of the Cameroonian population and the economic constraints of the government, makes it difficult or even impossible to adopt the current EEG model in Cameroon where often, basic needs are subsidized.
The Electric power crisis is one of the major problems in Bangladesh, the gap between demand and generation is increasing day by day. Moreover, most of the power plants are gas based which will be phased out in future. An alternate electric supply is an essential part for electrifying the developing countries, in this context an innovative approach of rural electrification including DC microgrid, mini-grid and nanogrid would be technically and economically feasible. The thesis draws also attention on the development of technology which enables community owned power system to emerge in the rural areas based on distributed SHS and demand of that community.
Firstly, the electric status and renewable potential in Bangladesh are studied and considered those data into the software based simulation to analysis the technical feasibility to implement DC microgrid by Homer pro tools. The distributed RES (Renewable Energy sources) considered solar PV and biomass. The booming of a large number of individual SHS (Solar Home System) in Bangladesh, bottom-up energy sharing concept would have studied to configure the optimal design of microgrid system and different configuration including grid connected and DC and AC system studied.
Secondly, The PV module is highly dependent on cell temperature and solar irradiance, the ambient temperature, and solar irradiance mathematical equation have been considered to model and simulate in MATLAB/SIMULINK based environment. Similarly charge controller, battery operation, and performance analysis with respect to the PV model. In the distributed energy sources are mainly SHS including large size and regular also model and simulate in MATLAB/SIMULINK software. For instance, the thesis mainly focuses on an optimal design, planning, sizing of DC hybrid microgrid, the SHS, and biomass-based power system with the goal of maximizing the efficiency and reliability. Homer Pro tool used in the work for design an optimal configuration and sizing for technical feasibility.
Finally, a model of DC microgrid compresses with micro sources like SHS systems, µ-CHP, the household loads model in MATLAB/SIMULINK. Decentralized SHS control strategies (droop control) and operation also design and model in MATLAB/SIMULINK environment, where DC – DC converter needs to couple SHS and DC microgrid.
With the introduction of the Internet at the end of the last century the modern society was fundamentally changed. Computer systems became an element of nearly all parts of our daily live. Due to the interconnection of these systems local borders are mostly vanished, so that information is accessible and exchangeable anywhere and at anytime. But this increased connectivity causes that physical fences are no longer an adequate protection for computer systems. Whereas the security of commodity computer systems was improved continuously and similarly with their increased connectivity, deeply embedded systems were then and now mostly protected by physical fences. But the ubiquitous availability of embedded systems in personal and commercial environments makes these systems likewise accessible and moves them strongly into the focus of security investigations.
Deeply embedded systems are usually equipped with tiny scale micro controllers, which are limited in their available resources and do not feature secure mechanisms to isolate system resources. Hence, a single error in a local software component is not limited to the component itself, instead the complete system may be influenced. The lack of resource isolation makes tiny scale systems prone for accidental errors but in particular vulnerable for a broad variety of malicious software. For a safe and secure operation of computer systems it is strongly recommended that software components are isolated in such a manner that they have access only to those resources, which are assigned to them. Even though a substantial number of approaches in the context of embedded system’s safety were investigated during the last fifteen years, security was mostly neglected.
This thesis is focused on security aspects where malicious software wittingly tries to bypass available protection mechanisms. The thesis introduces a security platform for tiny scale systems that enforces an isolation of software components considering security aspects. Due to the limited resources of tiny scale systems the proposed solution is based on a co-design process that takes the static and predefined nature of deeply embedded systems into account and includes hardware, compile-time, and run-time partitions to reduce the number of additional run-time components, to avoid performance drawbacks, and to minimize the memory as well as the components footprint overhead. To prove the applicability of the presented platform it was applied and evaluated with two real applications. In addition, an investigation of technologies of commodity computer systems that are suitable to build secure systems is presented. The thesis analyzes their enforcement based on the features provided by the introduced security platform. The contributions of this thesis include an enforcement of a security isolation of system resources on tiny scale systems and enable the development of a broad variety of secure tiny scale system applications.
On the applicability of short key asymmetric cryptography in low power wireless sensor networks
(2016)
The growing popularity of Wireless Sensor Networks (WSN) makes the spectrum of their applications very wide. A great number of the application areas like health monitoring or military applications require a high level of security and dependability from the wireless sensor network. Solving these issues can be supported by providing cryptographic solutions into WSN applications. Since the WSNs mainly consist of low power devices, cryptographic solutions ideal for WSNs should provide computationally lightweight security mechanisms producing small data packets and ensuring confidentiality. Cryptographic mechanisms that have both these features are considered in this thesis, which main objective is the analysis of the applicability of the short key elliptic curve cryptography in WSN environments. Reduced key lengths require modification of the standard ECC security algorithms to provide authentication and also a novel solution for a cryptographic secure pseudo-random number generator. The proposed solution is based on the standard ECC, but it differs in several aspects. The main difference is that the parameters of the used elliptic curve have to be kept secret. This is due to the fact that solving the Discreet Logarithm Problem (DLP) for such short parameters can be done in short time. Additionally, using shorter parameters for the underlying elliptic curves excludes also the use of standard hash functions, what mainly influences the mechanisms for generating the digital signature. Hash functions require large input values and produce relatively large output data that is inapplicable in the shortECC environment. Thus, within this thesis a modified version of standard Elliptic Curves Digital Signature Algorithm is proposed, which does not require any hash function. The shortECC needs pseudo-random numbers in the encryption and the digital signature protocols, but since it operates on numbers that are significantly shorter than the ones used by other cryptographic approaches, pseudo-random number generators for standard approaches are not suitable for shortECC. Thus, the new pseudo-random number generator not involving any additional hardware besides the modules available on the used test platform and operating on 32-bit long integers, is proposed. The randomness of the numbers generated by the proposed algorithm and their applicability for cryptographic purposes was evaluated using the NIST test suites. The shortECC approach was also subjected to cryptanalysis in order to proof its security and determine the circumstances and constraints for its application.
Drahtlose eingebettete Systeme haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, sei es im Internet der Dinge oder in Sensornetzen. Diese Systeme sollen dabei ohne Eingriff von außen eine hohe Laufzeit erreichen. Die Energieversorgung und der Verbrauch spielen dabei entscheidende Rollen, sind jedoch Varianzen unterworfen. Sollen Wartungsintervalle oder Lebenszeitziele erreicht werden, ist deshalb ein dynamisches Energiemanagement unabdingbar.
In dieser Doktorarbeit wird ein solcher Ansatz vorgestellt, umgesetzt und evaluiert. Im Gegensatz zu existierenden Ansätzen werden Varianzen auf allen drei Ebenen des Managements (Energieversorgung, Energieverbrauch und Energieverwaltung) adressiert. Für die Energieversorgung wird eine Batterieüberwachung vorgestellt, welche eine Steuerung des Verbrauchs ohne komplexe Berechnung des Ladezustands ermöglicht. Der Verbrauch des Systems wird durch einen Software-basierten Ansatz feingranular ermittelt und bezieht Varianzen durch Änderungen der Spannung und der Effizienz von Spannungswandlern ein. Die Verwaltung und Zuordnung der Energie zu Anwendungszielen erfolgt mittels dynamischer Energiebudgets und bietet verschiedene Strategien, um auf Änderungen des Bedarfs adäquat reagieren zu können.
MARCIE manual
(2016)
This manual gives an overview on MARCIE – Model Checking And Reachability analysis done effiCIEntly. MARCIE was originally developed as a symbolic model checker for stochastic Petri nets, building on its predecessor – IDDMC – Interval Decision Diagram based Model Checking – which has been previously developed for the qualitative analysis of bounded Place/Transition nets extended by special arcs. Over the last years the tool has been enriched to allow also quantitative analysis of extended stochastic Petri nets. We concentrate here on the user viewpoint. For a detailed introduction to the relevant formalisms, formal definitions and algorithms we refer to related literature.
Auch 75 Jahre nach einem ersten dokumentierten Schadensfall stellt die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ein aktuelles Problem dar. International werden derartige Schäden durch diese chemische Reaktion durch die Verwendung von mineralischen Betonzusatzstoffen im Beton maßgeblich vermindert. Einen besonderen Einfluss hat dabei das gelöste Aluminium aus den Zusatzstoffen, deren Wirkungsweise aber noch nicht ausreichend geklärt ist.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung und dem Vergleich der Wirkungsweise aluminiumhaltiger Betonzusatzstoffe unterschiedlicher Art und Herkunft und deren Wechselwirkungen sowohl mit der Porenlösung als auch der Zementsteinmatrix. Die Spannweite der untersuchten Zusatzstoffe (ZS) reicht dabei von rein siliciumhaltigen ZS, wie Microsilica, über aluminium-/siliciumhaltige (z.B. Metakaolin) bis hin zu rein aluminiumhaltigen ZS.
Als Ausgangspunkt wurden Betonproben mit einer alkalireaktiven Gesteinskörnung (GK) untersucht, bei denen ein teilweiser Austausch des Zementes durch die ZS mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten erfolgte. Anhand der Dehnungen der Betonbalken, gelagert bei 40°C (Nebelkammer), konnten erste deutliche Unterschiede hinsichtlich der dehnungsreduzierenden Wirkung der ZS in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer unter konstanten Bedingungen gezeigt werden.
In einem zweiten Schritt galt es, dass Löseverhalten der ZS in alkalischer Lösung unterschiedlicher Konzentrationen (1M bzw. 0,1M KOH-Lösung) sowohl bei 40°C als auch bei 80°C und mit unterschiedlichen Feststoff/Laugenverhältnissen zu untersuchen. Es konnte nachgewiesen werden, dass sowohl Silicium als auch Aluminium in ausreichender Konzentration aus dem ZS gelöst werden müssen, wobei das Si/Al-Verhältnis entscheidend für eine dauerhafte AKR-vermeidende Wirkung im Beton ist.
Untersuchungen an Zement/ZS-Mischungen sollten neue Erkenntnisse über die stofflichen Veränderungen sowohl am erhärteten Zementstein als auch in der ausgepressten Porenlösung liefern, die wesentlich durch die ZS beeinflusst werden. Der Vergleich mit den Dehnungen des Betonversuchs zeigte, dass die ZS, die neben Al auch Si in ausreichender Konzentration lösen, im Wesentlichen sowohl durch die Absenkung der Hydroxid- und Alkaliionenkonzentration als auch durch die Bildung zusätzlicher C-S-H- und/oder C-A-S-H-Phasen eine Dehnungsreduzierung bewirken.
Darüber hinaus zeigte sich, dass die Mischung eines silicium- mit einem aluminiumreichen ZS in gleichen Anteilen zwar ermöglicht, die Wirkungen eines nachweislich AKR-vermeidenden ZS auf die Porenlösung und die Zementsteinmatrix annähernd nachzustellen, die langfristige Dehnungsreduzierung mit dieser Mischung im Beton jedoch nicht erreicht werden konnte. Folglich gibt es neben den nachgewiesenen Wechselwirkungen zwischen ZS und alkalischer Lösung bzw. Zementsteinmatrix weitere Reaktionen insbesondere auch mit der GK, die entscheidend für die dauerhafte Vermeidung einer AKR im Beton durch die Zugabe von ZS sind.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden ethische Dilemmata als inter- und intrapersonelle Konfliktsituationen innerhalb des Bankensektors untersucht. Den thematischen Untersuchungsrahmen und Analysekontext bildet dabei die vergangene Weltfinanzkrise der Jahre 2007 und 2008, die insbesondere Fragen nach der Verhältnisbestimmung von Ethik und Ökonomik aufwirft.
Hierzu erfolgt zunächst eine systematische Analyse einer grundsätzlich sinnvollen Verortung und Berechtigung von Ethik und Moral in die ökonomischen Prozesse und Realitäten des Bankensektors. Zu diesem Zweck wird ein Kanon ethischer Begrifflichkeiten konzipiert, der spezifisch auf den Bankensektor zur Bestimmung und Analyse ethisch relevanter Aspekte angewendet wird. Als theoretische Leitplanken und Vergleichstheorien dieser Arbeit fungieren im Untersuchungsverlauf die disjunkten wirtschaftsethischen Konzepte der „Ökonomischen Ethik“ und der „Integrativen Wirtschaftsethik“.
Hiernach erfolgt die Untersuchung des Modells des Homo Oeconomicus als bislang bedeutendstem Modell zur Abbildung und Analyse von Anreizmechanismen und Vorteilserwartungen wirtschaftlicher Akteure im Kontext intrapersoneller Konfliktsituationen. Im Ergebnis zeigt sich, dass dieses Modell zwar zur Offenlegung von systematisch bedingten Fehlanreizen und Defekten auf der wirtschaftlichen Rahmenordnung beitragen kann, jedoch gewisse Unschärfen aufgrund der Vernachlässigung kommunikativer und interaktions-spezifischer Aspekte beinhaltet. Die Analyse des Gefangenen-Dilemmas sowie der Principal-Agent-Theorie im Bereich interpersoneller Konfliktsituationen offenbart dann den systematischen und strukturellen Problemaufriss für ökonomische Aspekte in Form der jeweils vorzufindenden Ausbeutungsbefürchtungen und -anreize bei den beteiligten Akteuren, die im Ergebnis stets suboptimale Ergebniskonstellationen herbeiführen.
Die Übertragung der aus den genannten Modellen erarbeiteten Erkenntnisse führt dann anhand von drei spezifisch beleuchteten Bankgeschäften (Kredit-, Wertpapier- und Einlagengeschäft) zu dem Ergebnis, dass ethische Dilemmasituationen und Konfliktpotenziale in realen Bankprozessen vorzufinden sind, was über Praxisbeispiele der genannten Geschäftsarten nachgebildet und validiert wird.
Abschließend zeigt die Untersuchung auf, dass zur notwendigen Implementierung von moralfördernden Anreiz- und bestandsfesten Sanktionsmechanismen innerhalb ökonomischer Prozesse die größtmögliche Realisierungswahrscheinlichkeit auf der Makro-Ebene vermutet werden muß. Eine Verortung auf die Mikro- und die Meso-Ebene zeigt hingegen, dass aufgrund der unverhältnismäßigen Moralanforderungen an die einzelwirtschaftlichen Akteure und der Gefahr, tendenziell amoralisches Verhalten in den relevanten Märkten zu befördern, diese beiden Handlungsebenen als systematische Orte für Moral in einem ökonomischen Kontext ausscheiden.
Stochastic modelling of biochemical reaction networks is getting more and more popular. Throughout the past decades typical biological models increased in their size and complexity, because of advances in systems and molecular biology, in particular through the high-throughput omic technologies. Here biochemical networks of different levels of detail are modelled, starting with simple chemical reactions and signal transduction networks, up to individual cells and entire organisms. This increases the demand for efficient analysis methods.
A Petri net is a mathematical modelling language for the description of concurrent behaviour of distributed systems. Its advantage is the ease of scalability of the models, which relates to the network’s state space, as well as the structure of the network itself.
In this work, we recall several stochastic simulation algorithms, e.g., exact as well as approximate methods. Furthermore, we introduce an approach to improve the efficiency of stochastic simulation for large and dense networks by a new approximate stochastic simulation algorithm called discrete-time leap method. We depict the wide range of simulative analyses of complex stochastic systems ranging from trace generation to the computation of transient solutions and steady state distributions. We set forth advanced analysis of stochastic models by means of simulative model checking. For the use of simulative model checking, we integrate the continuous stochastic (reward) logic (CS(R)L) and the probabilistic linear-time temporal logic with constraints (PLTLc). Simulative model checking has some limitations compared to the numerical methods, e.g., in principle it is possible to consider nested probabilistic formulas in CS(R)L, but not practical, since the calculation is not feasible in a reasonable period of time. In addition to the transient analysis, the steady state analysis is often of interest; therefore we have implemented two on-the-fly steady state detection methods. The first one is based on a “sample batch means” algorithm and is used in the linear-time temporal logic. The second approximates the steady state distribution and checks for convergence. We apply the aforementioned techniques to several case studies from systems biology and technical systems.
The main contributions of this thesis to scientific knowledge are the development of the discrete-time leap method for the simulation of stochastic models, the approximations of transient solutions and steady state distributions by use of stochastic simulation for stochastic models and Markov reward models, the development of an infinite time horizon model checking algorithm exploiting the steady state property for PLTLc and CSL, and the first simulative model checking algorithm for CSRL incorporating state and impulse rewards. All presented algorithms and methods are implemented in the advanced analysis tool MARCIE.
Vortrag “ICESP XIV. International Conference on Electrostatic Precipitation 2016”, Wroclaw, Polen, 19.-23.09.2016
Back corona and dust resistivity are well known topics in electrostatic precipitation. Back corona results from high dust resistivity and occurs when the field strength in the dust layer surpasses a critical value E crit, which is typically found to be in the order of 15 to 30 kV/cm. Besides the resistivity ρ, the current density is the main parameter: E = i ρ < E crit. Hence, possible actions against back corona include a reduction of ρ by dust conditioning, or a reduction of i, for example by pulsed corona operation.
Much work has been devoted to study the dependence of ρ on dust composition, temperature, humidity, adsorption layers and dust layer porosity, and a variety of different set-ups for dust resistivity measurements has been proposed. Even though some authors report a dependence of ρ on current density or field strength resp., dust resistivity is mostly seen as a material property.
However, in measurements on product dusts in the upper resistivity range, we found that dusts show extremely non-ohmic properties:
Most strikingly, resistivity may vary by several orders of magnitude with time.
Also, the experimental arrangement can change the resistivity results by orders of magnitude: When resistivity is measured with the dust layer exposed to a corona discharge (imitating the situation in a real ESP), ρ depends strongly on the layer thickness. Meanwhile the same dust does not show the strong layer thickness dependence when electrodes are placed on both sides of the dust layer, and also time effects are much less prominent.
Additional findings include that dusts that have been exposed to resistivity measurements show a high level of electrostatic charging afterwards.
An interpretation of these results may be found from the theory of semiconductors and electret materials. Accordingly, highly resistive dust layers do not contain mobile electrons. Current transport occurs only after charge carriers (free electrons or holes) have been injected from the electrodes or from a gas discharge adjacent to the surface.
When the injection process is non-symmetric (e.g. with corona discharge), the current transport through the dust layer can be dominated by charge carriers of one polarity, depending on the polarity of the corona. Some of the effects observed in experiment, namely the layer thickness effect and the current density influence, can indeed be ascribed to unipolar injection and space charge limited conduction.
The time effects can mainly be ascribed to the “deep trapping” of the charge carriers, leading to a high level of immobile space charge. As overall space charge is limited, this reduces the level of mobile space charge available for current transport. The space charge also leads to a deformation of the electric field inside the dust layer, and hence influences injection via the Schottky (thermionic field emission) mechanism.
By integrating the mechanisms of charge transport in dielectrics (injection, drift, immobilization, recombination) into the OpenFOAM® simulation package, rather realistic simulations of time-dependent resistivity are possible. The simulations also are helpful to identify the mechanisms responsible for certain types of resistivity behavior.
Chalkopyrite gelten aufgrund ihrer direkten Bandlücke sowie der hohen Absorptions-koeffizienten als vielversprechende Materialien für Absorber in der Dünnschichtsolarzellentechnik. Speziell CuGaSe2 (CGS) mit einer für Kupfer-Chalkopyrite großen Bandlücke von 1.68 eV ist ein für die Photovoltaik interessantes Material in Hinblick auf Tandemsolarzellen mit CuInSe2. Das Grundverständnis der Eigenschaften des CGS-Materialsystems ist daher von entscheidender Bedeutung für effizienzsteigernde Optimierungen für Solarzellen auf Chalkopyrit-Basis.
Mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie wurden einkristalline CGS-Schichten unterschiedlicher Stöchiometrie auf GaAs-Substraten abgeschieden. Die Oberflächenzusammensetzung sowie die Valenzbandstruktur wurden mit Hilfe der Photoelektronen-Spektroskopie bestimmt. Zusätzlich erlaubten die einkristallinen Schichten eine Bestimmung der Periodizität der Oberfläche durch niederenergetische Elektronenstreuung. Dabei konnte eine (4x2) Rekonstruktion der Zinkblende-Ordnung der (001) Fläche für kupferreiche CGS-Schichten nachgewiesen werden. Für kupferarme bis nahstöchiometrische Präparationsbedingungen wurde eine (4x1) Rekonstruktion erhalten. Die (112) Fläche hingegen zeigte für kupferarme Stöchiometrien eine bisher noch nicht nachgewiesene (3x1) Rekonstruktion der Chalkopyrit-Ordnung mit zwei Rotationsdomänen, welche für höhere Cu/Ga Verhältnisse in eine (1x1) Struktur überging. Weiterhin gelang es die bereits für Kupfer-Chalkopyrite bekannte
Cu2-xSe Sekundärphase, welche unter kupferreichen Präparationsbedingungen auftritt, durch einen nachträglichen Heizschritt auf Wachstumstemperatur deutlich abzuschwächen bzw. zu entfernen.
Für die Effizienz der Solarzelle sind die Grenzflächen von Absorber zu Puffer- und Puffer- zu Fensterschicht von besonderer Bedeutung. Die Untersuchung des Heterokontakts von CGS zu ZnO stellt einen weiteren Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit dar. Hierbei stand die Bandanpassung von Chalkopyrit zu ZnO im Vordergrund. Für das Wachstum von ZnO konnte mit Hilfe der Metall-Organischen-MBE auf CuGaSe2 das Auftreten einer dünnen
(1-2 nm) ZnSe-Zwischenschicht nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu CuInSe2 wurde jedoch anstatt eines „Spikes“ in der Leitungsbandanpassung von CGS zu ZnO ein für die Solarzelleneffizienz ungünstiges „Cliff“ gefunden. Letzteres trat unabhängig von der CGS Substratorientierung auf. Mit Hilfe von niederenergetischer Elektronenstreuung gelang für das Wachstum von ZnO auf der (112) CGS Fläche trotz der großen Gitterfehlanpassung von ZnO zu CGS der Nachweis von geordnetem Wachstum. Für das Wachstum von ZnO auf CGS (001) wurde polykristallines Wachstum beobachtet.
Aufgrund der nicht optimalen Bandanpassung zum CGS scheint ZnO zusammen mit ZnSe als Pufferschicht kein geeignetes Fenstermaterial für dieses Kupfer-Chalkopyrit zu sein. Damit ist eine mögliche Erklärung für den, im Vergleich zu CuInSe2 basierten Zellen, geringen Wirkungsgrad von CGS Solarzellen gefunden.
In der vorliegenden Bachelorarbeit werden die Wirkungen von Crystal Meth auf konsumierende Mütter und ihre Kinder umfassend dargestellt. Dazu wurden u.a. aktuelle Publikationen aus Fachzeitschriften, Studien und der Drogen- und Suchtbericht der Bundesregierung 2015 verwendet. Exemplarisch wird ein persönliches Interview mit einer ehemals konsumierenden Mutter geführt.
Das Ziel der Arbeit ist es die Auswirkungen auf die Kindererziehung ausführlich zu erläutern, um den besonderen Unterstützungsbedarf dieser Konsumgruppe zu erfassen und mit geeigneten Methoden professionell darauf zu reagieren.
Die Autorin wählt als Intervention der Sozialen Arbeit die Sozialpädagogische Familienhilfe (SPFH), die unmittelbar und intensiv mit der Familie arbeitet. Dazu erläutert die Autorin das Schirmprojekt in Halle, welches sich mit der SPFH auf diese Drogenproblematik spezialisiert hat und im Sucht-und Drogenbericht der Bundesregierung 2015 als Bundesmodellprojekt Anerkennung fand. Durch ein qualitatives persönliches Interview mit dem dort tätigen Familienhelfer wird der Praxisbezug abgerundet.
Die Auswirkungen haben sowohl kurz-, wie auch langfristige Folgen für das elterliche Verhalten und können sich auf die kindliche Entwicklung auswirken. Um diese Defizite festzustellen, wird zunächst thematisiert, was Kinder brauchen, um gesund aufwachsen zu können. Dazu werden Basisfaktoren für die Einschätzung der Situation von drogenabhängigen Eltern erläutert und kindliche Grundbedürfnisse nach Maslow erklärt. Im Anschluss werden Hypothesen zur Erfüllung dieser Kriterien und Bedürfnisse von Crystal Meth konsumierenden Müttern aufgezeigt und mögliche Folgen für die Entwicklung des Kindes skizziert. Diesen Defiziten werden ausgewählte Angebote der Sozialen Arbeit gegenübergestellt. Letztere sollen präventiv wirken, Folgen für Mutter und Kind verringern bzw. vermeiden und im Fokus des Kindeswohls agieren.
Konsumierende Mütter mit Kindern befinden sich als Zielgruppe, sowohl im Kinder- und Jugendhilfesystem, als auch im Suchthilfesystem. Für die professionelle Soziale Arbeit ist demnach eine Kooperation zwischen den genannten Systemen und weiteren Netzwerkpartnern unerlässlich. Vorteile und Nachteile dieser Zusammenarbeit für die Klienten werden reflektiert. Diese Arbeit schließt mit Handlungsempfehlungen für den Familienhelfer und einem Ausblick für die zukünftige Soziale Arbeit im Kontext von Crystal Meth ab.
Sie eignet sich für Sozialarbeiter, die in der Kinder- und Jugendhilfe und/oder Suchthilfe tätig sind, und für alle, die sich über die Droge Crystal Meth informieren möchten. Zudem wird die Verbreitung der Substanz in Brandenburg und Deutschland dargelegt, und ihre Relevanz für die Praxis erörtert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Transport von CO₂ aus energietechnischen Anlagen untersucht. Zunächst werden die physikalischen und technischen Randbedingungen erläutert, welche ein Transportsystem beeinflussen und beschränken, insbesondere werden die Einflüsse der thermo-dynamischen Fluideigenschaften von CO₂ und CO₂-Gemischen auf die Transportprozesse analysiert. Des Weiteren erörtert die Arbeit die Besonderheiten, die bei der Auslegung und dem Betrieb von CO₂-Pipelines (im Gegensatz beispielsweise zu Erdgaspipelines) auftreten.
Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Modellierung und Simulation zweier potentieller Pipeline-transportsysteme, welche CO₂ vom Kraftwerksstandort Jänschwalde in der Lausitz a) zu einem CO₂-Hub im Hafen von Rotterdam und b) zu einem Offshore-Aquifer unter der Nordsee transportieren. Anhand dieser konkreten Fallbeispiele werden die Auslegung des Transportsystems dargestellt und die statischen und die dynamischen Betriebskennlinien der Pipelines und des Injektionsbrunnens aufgenommen und hinsichtlich der Auswirkungen auf den Betrieb unter flexiblen Lastbedingungen untersucht.
Die Modellierung der Pipelines wird mithilfe der Modellierungs- und Simulationssoftware OLGA Dynamic Multiphase Flow Simulator von Schlumberger umgesetzt. Die Validierung der genutzten Submodelle der Software erfolgt über die Simulation historischer Lastfälle der Canyon-Reef-Carrier-Pipeline in Texas und der CO₂-Injektionspilotanlage Ketzin westlich von Potsdam.
Die Hauptmodelle umfassen a) die Pipeline vom Kraftwerkszaun bis zum Übergabepunkt am CO₂-Hub in Rotterdam bzw. b) die Pipeline vom Kraftwerkszaun bis zum Meeresgrund sowie den Injektionsbrunnen und ein Modell des Aquiferspeichers. Es ist mit den Modellen möglich, die thermo-fluiddynamischen Prozesse des CO₂ in der Rohrleitung sowie im Injektionsbrunnen bis zum Speicher nachzubilden. Es wurden insgesamt 66 Szenarien simuliert und ausgewertet.
Die simulierten Szenarien umfassen statische Kennlinien bei konstanter Last, definierte Lastzyklen mit Sprüngen konstanter Höhe, reale Lastgänge auf Basis historischer Kraftwerksmessdaten sowie typische Betriebsabläufe wie An- und Abfahren der Pipeline, Absperrung einzelner Abschnitte der Pipeline bis hin zu den Auswirkungen eines Risses in der Pipelinewand.
Zu den wesentlichen Ergebnissen der Simulationen zählen die auftretenden Druckverläufe, Wärme-übergangs- und Wärmespeichervorgänge sowie das dynamische Verhalten bei wechselnden Lastbedingungen.
Ausgehend von den Simulationsergebnissen werden die Pipelinesysteme charakterisiert und die dynamischen Prozesse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Betriebsabläufe und Auslegungskriterien untersucht.
Es kann gezeigt werden, dass Pipelines für die gestellte Transportaufgabe geeignet sind und mit einem gewissen Maß an Prozessüberwachung und -regelung auch dauerhaft sicher betrieben werden können. Problematische Prozessverläufe werden eingehend diskutiert und Regelstrategien aufgezeigt, welche einen Betrieb der Pipelines sicherstellen können.
Die zeitliche Variabilität des Niederschlages auf Skalen von Jahren bis hin zu Ereignissen ist von wesentlicher Bedeutung für die Untersuchung hydrologischer Prozesse. Langjährige Reihen von Niederschlagsdaten mit einer hohen zeitlichen Auflösung stehen nur selten zur Verfügung. Eine Möglichkeit, die Einflüsse der Variabilität von Niederschlägen auf die hydrologischen Prozesse dennoch zu quantifizieren, ist es, stochastisch generierte Reihen als Eingangsdaten für hydrologische Modelle zu nutzen. In dieser Arbeit wurde ein stochastischer Niederschlagsgenerator der aus zwei Stufen besteht, entwickelt. Zunächst erfolgt die Generierung von Niederschlagsereignissen durch ein Poisson-Rectangular-Pulse (PRP) Modell, anschließend werden diese Ereignisse durch eine mikrokanonische multiplikative Zufallskaskade disaggregiert. Die Methodik wurde in die frei zugängliche Software R implementiert.
Energy demand of continents, countries, communities and individuals will continue to increase in the phase of increasing population and improvement in the living standards of people. The attempt to meet this ever increasing demand and at the same time protect the environment has resulted in the fast growth of power generation from renewable sources of energy especially from wind through wind power plants and solar through photovoltaic power plants. This growth has been facilitated by various support schemes such as feed-in-tariff scheme, feed-in-premium and quota scheme. Further growth is expected in the future. This is because of the existing support schemes and the expectation of the emergence of improved technologies for harvesting renewable energy.
This development of power generation from renewable sources of energy although positive lead to some distinctive negative effects on the existing electrical network to which they are connected. These negative effects are known and well documented. The fluctuating nature of wind and solar radiation at any given location over a given period of observation is seen to translate into the power they feed into the power network. This fluctuating infeed requires more active management of the network by system operators so as to ensure continuous reliable power generation and delivery. Sometimes the management process lead to non-utilization of power produced by the renewables sources. Secondly, expansion and reinforcement of some existing networks are needed in other to accommodate renewable power generators. These come at a cost. Many studies and researches have been dedicated to finding solutions to these issues.
This work agrees with the use of storage systems as means of solving these issues but the question that remains unanswered is what the optimal way is. There is also a further push given to the view of installing renewable energy plants together with storage systems as a unit in this work. The main task presented in this work, however, is a concept of sizing renewable energy plant and storage systems as a unit. The resulting renewable energy plant-storage unit has the objective of supporting the electrical network to which it will be connected. Firstly the support should be by reducing the fluctuating effect from renewable production. Secondly by helping improve the load hosting capacity of the electrical network. This will be by supplying the part of the load demand leading to the reduction of the overall power drawn by connected loads from the electrical power network.
Historic data of renewable resource and also the load demand at the point or bus of connection are the drivers of this concept. With the earlier mentioned objectives and random or stochastic nature of data involved, particle swarm optimization method is employed in implementing the concept of sizing to arrive at an optimal solution of required sizes of the renewable energy plant-storage system.
The concept of sizing is based on proposing an ideal load demand that can be supplied by a utility under normal operating condition at all time. It follows that any extra demand should be supplied by the optimally sized renewable energy plant-storage unit. In this work sizing results of three scenarios presented. A single node network with three different types of the load was used in testing the effect of optimally sized renewable energy plant-storage system on an electrical network. The outcome of this test showed that the optimally sized renewable energy storage-system improved the ability of the test electrical network to support additional load hence load hosting capacity of test network was improved. The process required modelling and simulation all of which were carried out using MATLAB Simulink software.
Schriftquellen des 11. und 12. Jahrhunderts belegen den Beginn der Bautätigkeiten an der Kathedrale von Santiago de Compostela im letzten Drittel des 11. Jahrhunderts. Gegen Mitte des 12. Jahrhunderts könnte das Bauwerk eine erste Fertigstellung erfahren haben, um spätestens ab 1168 mit der vertraglichen Bindung Meister Mateos in einer weiteren Baukampagne fortgeführt zu werden, aus der u.a. der Pórtico de la Gloria hervorging. Die Schlussweihe im Jahr 1211 steht gemeinhin für die mittelalterliche Vollendung der Kathedrale.
Die Regelmäßigkeit der Konstruktion prägt die Kathedrale in besonderem Maße. Die klare Gliederung des Innenraumes und die konsequente Anwendung typisierter Baudetails täuschen über die sich im Mauerwerk abzeichnenden Bauabschnitte und Planungsänderungen hinweg, die das Bauwerk im Verlauf seiner Entstehung durchlief. Der anscheinend perfekt gefügte Bau zeigt bei näherer Betrachtung deutliche Baufugen, Nahtstellen und Brüche, deren bauarchäologische Erforschung stratigraphische Hinweise auf Bauunterbrechungen, konzeptionelle Korrekturen und tiefgreifende Umplanungen während seiner Errichtung zu geben vermag.
Die Westkrypta verzichtet nahezu vollständig auf die Übernahme des Bausystems und folgt eigenen Bauprinzipien. Ihre Untersuchung ermöglicht es, die Errichtung der Krypta in Beziehung zur Kathedralbaustelle und dem Langhaus zu setzen. Baufugen und Baunähte geben dabei Aufschluss über Etappen des Bauprozesses in Verbindung mit Veränderungen der ursprünglichen Planungen.
Der skulpturale Reichtum des Narthex unterscheidet sich vom schlicht gehaltenen Kirchenraum. Auch hier zeigen sich im Mauerwerk Spuren, die eindeutige Indizien für den Bauprozess liefern. Gemäß der Inschrift auf dem Sturz des Tympanons geht der Bau des Pórtico de la Gloria auf Meister Mateo zurück. Ob jener in der zweiten Hälfte des 2. Jahrhunderts eine im Westen unvollendet gebliebene Bausituation vorfand und damit die Kathedrale fertigstellte, folglich den Westbau, von den Fundamenten an, gemeinsam mit den Türmen errichtete oder das schon vorher vollendete Bauwerk lediglich um den Pórtico de la Gloria bereicherte, gehört dabei zu den umstritten Fragen der neueren kunsthistorischen Forschung. Je nach Auslegung wird der Westbau in der Folge zur Synthese des künstlerischen Schaffens des Meisters – die wegbereitend für die Kirchenbaukunst und Bauplastik des Mittelalters wurde – oder sein Wirken erhält eine bautechnisch geprägte Konnotation, die sich insbesondere im Versatz des monolithischen Sturzes des Tympanons in ein zuvor schon vollendetes Bauwerk manifestiert.
Die Analyse des Baubefundes liefert dezidierte Erkenntnisse über Planung und Bauablauf der Errichtung des Westbaus, zu Kontinuität bzw. Brüchen im Bauprozess sowie Planungsänderungen, die zur Aufgabe des ursprünglichen Bauvorhabens führten. Diese Erkenntnisse werden unter Einbeziehung der bisher vor allem kunstgeschichtlich geprägten Forschung und der kritischen Revision der historischen Quellen, so weit möglich, in ein chronologisches Entwicklungsmodell der Kathedrale eingepasst. In diesem Kontext ist es das Ziel der Bauforschung, neue Anhaltspunkte für die Interpretation der historischen Quellen, aber auch für die kunsthistorische Forschung zu gewinnen und zu einem besseren Verständnis des Bauwerks und seiner Konstruktions- und Entwicklungsgeschichte beizutragen. In diesem Sinne rückt der methodische Ansatz der vorliegenden Arbeit, der seinen Ausgangspunkt in der bauarchäologischen Dokumentation des Westbaus findet, das Bauwerk in das Zentrum der Untersuchungen. Im Ergebnis dieser Forschungen ist auch die Bedeutung Meister Mateos für die Geschichte der Kathedrale nunmehr besser zu fassen und kann zukünftig aus kunstgeschichtlicher Sicht neu bewertet werden.
In this study, the aims were to investigate the die-off levels of pathogens attainable under conventional biotreatments, introduce alternative hygienization options and study their performance at eliminating pathogens from biowaste. In addition, the study investigated feasibility of biotreatment of potato peels waste (PPW) as management option for the peels waste generated in Dar es Salaam city. Pathogens inactivation studies using simulated biowaste (moisture ˃77%w/w) composed of PPW spiked with Escherichia coli and Salmonella senftenbergensis at laboratory-scale resulted into low temperature-time patterns of the aerobic In-vessel composting system and turned the process anaerobic thus demonstrated inefficiency at eliminating the spiked bacteria. Likewise, two-phase anaerobic digestion at continuous stirred tank reactor confirmed incapable at effecting complete inactivation of the bacteria unless substrate residence is prolonged above 72hrs. These distasteful confirmations inevitably advocate the importance of applying either pre- and/or post-biotreatment hygienization processes on biowaste for safer biotreatments. Existing hygienization options including acid/lime conditioning and batch pasteurization were applied, their hygienization efficacy investigated and the latter validated. Acetic acid treatment of biowaste at pH value 4 for 5days or lime treatment at pH value 11-12 for 1day brought complete die-off in E. coli and S. senftenbergensis. Temperature-time combination at 65°C for 30min was sufficient at effecting ˃1log cycle die-off of the spiked enteropathogens with z-Value of 11˚C for S. senftenbergensis hence validates the temperature-time regime of 70˚C for 30min and 70˚C for 60min set by U.S-EPA/625/R-92/013 and Regulations (EC) No. 208/2006 respectively. In addition, alternative hygienization options namely UV radiation and passive solar heating (PSH) were proposed, applied and evaluated. Modes of application and achievable bacteria die-off for all hygienization options are given in Chapter 2 to 6 of this document. Owing to its small investment capital (mostly do yourself construction), independence from fuel supplies and low running costs, the study highly recommend PSH as environmental friendly and economic viable pre- and post- biotreatment hygienization option especially for tropical climates and developing countries with adequate sunshine. In vessel co-composting of PPW with yard-waste at 6:1 ratio gave microbiologically safe and good quality compost. Endowed with higher CO2 removal, mesophilic/thermophilic two-phase anaerobic processing of PPW showed comparable results to biogasification from other biowaste. Biogas productivity from PPW was 2.3lNbiogas/l.day with an average CH4 yield of 0.13-0.35m3/kgoTS input having 58% CH4. The digestion resulted into H2S removal from above LoQ to less than 230ppm with 81% VS removal at substrate OLR of 2.4kgoTS/m3.day input without sign of inhibition. It is estimated that 1.0m3biogas with 5hrs burning potential and equivalent to 3.5kg firewood can be produced from 10.2kg of PPW anaerobic digested. The resulting biogas production would complement household energy need thus conserve forest resources which are subjected to high deforestation rate estimated at 4.1kilotons of wood per day as fuelwood. Digestate resulting from the anaerobic reactors would make valuable fertilizer to urban agriculture thus enhance soil fertility and productivity.
Handbuch Phyto-See-Index - Verfahrensbeschreibung für die Bewertung von Seen mittels Phytoplankton
(2016)
Die vorliegende Verfahrensbeschreibung enthält alle Änderungen, die mit dem LAWA-Expertenkreis für Seen bis Dezember 2016 abgestimmt wurden und folgende Überarbeitungsbereiche betreffen:
1) Es erfolgte eine erhebliche Verfahrenserweiterung für Seen im Mittelgebirge sowie für künstliche und stark veränderte Seen (AWB und HMWB), worunter unter anderem die Talsperren und die Baggerseen fallen. Nach einem ersten Verfahrensentwurf (Hoehn et al. 2009) wurden die Bewertungsgrenzen sowie die Seetypologie nach den Ergebnissen eines Praxistestes der Bundesländer stark überarbeitet (Riedmüller & Hoehn 2011).
2a) Es wurden die Grenzwerte für die Kenngröße "Biomasse" an die Grenzwerte für die Trophiestufen des neuen Trophie-Index nach LAWA (2014) angepasst.
2b) Wie im Trophie-Index nach LAWA wurden alle Saisonmittel im PSI auf ein direktes Mittel aus den Termindaten umgestellt und nicht mehr wie bisher über den Umweg von Monatsmitteln. Dies betrifft auch den PTSI-Jahreswert.
3) Für die Tieflandseen wurden alle Bewertungsroutinen umfassend überarbeitet, die auf Kenngrößen der Algenklassen basieren. Dies erfolgte nach Überprüfung mit einem seit 2006 stark erweiterten Datensatz.
5) Für den Sondertyp der sauren Tagebauseen wurde ein Biodiversitäts-Index (Leßmann & Nixdorf 2009) als neue Kenngröße im Phyto-See-Index aufgenommen.
6) In dem neu entwickelten PhytoLoss-Verfahren werden automatisiert Indices für die Grazing-Effektstärke aus den gleichzeitig zum Phytoplankton ermittelten Zooplankton-Daten errechnet, wodurch eine erweiterte Interpretation des Phyto-See-Index und des Nahrungsnetzes erfolgt und Hinweise auf Handlungsoptionen für die Maßnahmenplanung gegeben werden.
7) Zur Qualitätssicherung des Untersuchungsverfahrens "Phytoplankton zur Bestimmung des Phyto-See-Index" wurde ein QS-Handbuch erarbeitet (Mischke 2015)
8) Die vormals zusammengefassten Seetypen 1, 2 und 3 der Alpen und Voralpen wurden als unabhängige Gewässertypen mit jeweils eigener Referenztrophie unterschieden (LAWA O 7.16). Es wurde eine Dokumentation erstellt, die die Gleichwertigkeit des überarbeiteten Phyto-See-Index zu den Ergebnissen der Europäischen Interkalibrierung darstellt (LAWA Projekt O 2.15; Riedmüller et al. 2016).
Die Integration von E-Learning-Angeboten gestaltet sich nach dem individuellen Wunsch der Hochschule, welche Funktionen E-Learning-Elemente im Bereich der Lehre einnehmen sollen, das heißt, ob sie der Anreicherung, Kombination oder dem Ersatz von Präsenzlehre dienen. In diesem Zusammenhang rückt der Begriff Blended Learning immer weiter in den Fokus, der dafür steht, dass traditionelle Lehr-/Lernmethoden mit E-Learning-Elementen kombiniert werden. Dabei stellt sich zunehmend die Frage nach der optimalen Kombination aus Präsenz- und Onlinemodulen für die einzelnen Hochschulen unter Berücksichtigung der Akzeptanz seitens der Nutzenden. Im Rahmen der Arbeit ergeben sich daher folgende Forschungsfragen, die mittels empirischer Analyse untersucht wurden: Ist eine reine E-Learning-Methode sinnvoll und welche Rolle spielt dabei die Akzeptanz der Studierenden? Inwieweit sollte auf andere Lernformen, wie die Methode des Blended Learning zurückgegriffen werden? Das Ziel ist es einerseits, definierte Einflussfaktoren der Akzeptanz in Bezug auf die Akzeptanz von E-Learning auf Gültigkeit zu überprüfen, um daraus mögliche Ansätze zur Einwirkung auf die Akzeptanz von E-Learning seitens der Studierenden abzuleiten. Andererseits soll die Bewertung aktueller Lehr-/Lernangebote der BTU Cottbus-Senftenberg durch die Studierenden Aufschluss über Optionen der zukünftigen Gestaltung dieser Angebote geben.
Die Integration von E-Learning-Angeboten gestaltet sich nach dem individuellen Wunsch der Hochschule, welche Funktionen E-Learning-Elemente im Bereich der Lehre einnehmen sollen, das heißt, ob sie der Anreicherung, Kombination oder dem Ersatz von Präsenzlehre dienen. In diesem Zusammenhang rückt der Begriff Blended Learning immer weiter in den Fokus, der dafür steht, dass traditionelle Lehr-/Lernmethoden mit E-Learning-Elementen kombiniert werden. Dabei stellt sich zunehmend die Frage nach der optimalen Kombination aus Präsenz- und Onlinemodulen für die einzelnen Hochschulen unter Berücksichtigung der Akzeptanz seitens der Nutzenden. Im Rahmen der Arbeit ergeben sich daher folgende Forschungsfragen, die mittels empirischer Analyse untersucht wurden: Ist eine reine E-Learning-Methode sinnvoll und welche Rolle spielt dabei die Akzeptanz der Studierenden? Inwieweit sollte auf andere Lernformen, wie die Methode des Blended Learning zurückgegriffen werden? Das Ziel ist es einerseits, definierte Einflussfaktoren der Akzeptanz in Bezug auf die Akzeptanz von E-Learning auf Gültigkeit zu überprüfen, um daraus mögliche Ansätze zur Einwirkung auf die Akzeptanz von E-Learning seitens der Studierenden abzuleiten. Andererseits soll die Bewertung aktueller Lehr-/Lernangebote der BTU Cottbus-Senftenberg durch die Studierenden Aufschluss über Optionen der zukünftigen Gestaltung dieser Angebote geben.
Nach jahrelangem Rückgang des Hanfanbaus in Deutschland konnte in den letzten Jahren wieder eine Zunahme des Hanfanbaus verzeichnet werden. Das bei der Fasergewinnung mit bis zu 70 Masse-% anfallende Nebenprodukt Schäben-Faser-Gemisch muss für eine weitere Verarbeitung und den Einsatz in höherwertigen Anwendungen aufbereitet werden. Ziel war es, dieses für einen wirtschaftlichen Anlagenbetrieb wichtige Nebenprodukt in seine Hauptbestandteile Schäben und Fasern zu separieren und den darin enthaltenen Staub zu entfernen. Das Separieren und damit Reinigen des Gemischs erfolgte nach einem neuartigen und patentierten Prinzip auf Basis einer Paddelschnecke und einer dazu abgestimmten Siebfläche. In verschiedenen Modellen konnten wesentliche Zusammenhänge zwischen Konstruktions-und Betriebsparametern einer Paddelschnecke und dem Abscheideverhalten von Schäben über einem Sieb aufgezeigt werden. Die Ergebnisse der Modellierung zum Massestrom und dem Trennverhalten wurden anhand einer Versuchsmaschine zur Reinigung von Schäben-Faser-Gemischen in einem Aussiebungsverlauf validiert und daraus Konstruktionsvorgaben für einen Prototypen getroffen. Mit der im Ergebnis vorgestellten Konstruktion steht für die hanfverarbeitende Industrie eine Reinigungsmaschine mit minimalem technischem Aufwand, bestehend aus nur einer Prozessstufe und damit verbundene geringe Anschaffungs- sowie Betriebskosten für den Anlagenbetreiber, zur Verfügung.
In der vorliegenden Arbeit wird die Verwendung von endlichen Transduktoren zur bidirektionalen Übersetzung zwischen der syntaktischen und semantischen Ebene eines natürlichsprachlichen Dialogsystems untersucht. Zur Bedeutungsrepräsentation werden Merkmal-Werte-Relationen verwendet. Solche beschrifteten partiellen Ordnungen ermöglichen eine hierarchische Strukturierung von semantischen Begriffen und können durch gerichtete azyklische Graphen dargestellt werden.
Auf Grundlage eines bedeutungsorientierten Sprachmodells wird eine mögliche Vorgehensweise zur Modellierung von Äußerungs-Bedeutungs-Transduktoren vorgestellt. Voraussetzung dafür ist eine Sprachdatensammlung, welche zum Beispiel mit Hilfe von Wizard-of-Oz Experimenten erstellt werden kann.
Für die eigenen Untersuchungen wurden Transduktoren zu Sprachäußerungen der deutschen Lautsprache und der Deutschen Gebärdensprache konstruiert. Diese semantischen Grammatiken werden sowohl für die Interpretation als auch für die Artikulation eingesetzt. Auf der Perzeptionsseite ist somit die automatische Generierung von semantischen Zeichenketten zu einem gegebenen Worthypothesegraphen realisierbar. Durch die Klammerstruktur der semantischen Zeichenketten kann die dazugehörige Merkmal-Werte-Relation erzeugt werden. Diese Bedeutungsrepräsentation wird in der Beispielanwendung unter Verwendung des inversen Äußerungs-Bedeutungs-Transduktors direkt wieder artikuliert. Zuvor ist jedoch eine Linearisierung der Merkmal-Werte-Relation notwendig. Als Ergebnis dieser beiden Übersetzungsprozesse erhält man eine sinngemäße Wiedergabe zu der gegebenen Sprachzeichenfolge. Durch die Verwendung sprachabhängiger semantischer Grammatiken ist zudem auch eine bedeutungsorientierte Übersetzung des erkannten sprachlichen Ausdrucks realisierbar.
Zusätzlich wurde auch ein aktuelles Verfahren zur semantischen Dekodierung mit endlichen Transduktoren umgesetzt, welches ein konzeptuelles stochastisches Sprachmodell nutzt. Damit ist eine vergleichende Bewertung dieser beiden Vorgehensweisen zur semantischen Interpretation möglich.
Molekulares Rechnen etabliert sich als interdisziplinär geprägtes Wissensgebiet mit hohem Anwendungspotential. Es beschäftigt sich mit Prinzipien biologischer Informationsverarbeitung. Moleküle bzw. molekulare Systeme übernehmen die Rolle eines Datenträgers, auf dem biochemische Prozesse oder physische Wechselwirkungen operieren. Facetten sind unter anderem DNA-Computing, chemisches Rechnen, Membrane Computing und ameisenbasiertes Computing. Vier studentische Beiträge stellen diese Forschungsrichtungen anhand eingängiger Beispiele anschaulich vor.
In contrast to traditional data applications, many real-world scenarios nowadays depend on managing and querying huge volumes of uncertain and incomplete data. This new type of applications emerge, for example, when we integrate data from various sources, analyse social/biological/chemical networks or conduct privacy-preserving data mining.
A very promising concept addressing this new kind of probabilistic data applications has been proposed in the form of probabilistic databases. Here, a tuple only belongs to its table or query answer with a specific likelihood. That probability expresses the uncertainty about the given data or the confidence in the answer. The most challenging task for probabilistic databases is query evaluation. In fact, there are even simple relational queries for which determining the occurrence probability of a single answer tuple is hard for #P.
Lineage formulas constitute the central concept under investigation in this work. In short, the mechanism behind lineage formulas facilitates the representation and evaluation of events of the probability space, which is defined by a probabilistic database. On the basis of lineage formulas, we devise a framework that is designed as a combination of a relational database layer and an additional probabilistic query engine.
In particular, the following three aspects are studied:
(i) an efficient construction of lineage formulas,
(ii) an orthogonal combination of lineage optimization techniques, which are performed within the relational database layer and the probabilistic query engine, and
(iii) effective and compact data structures to represent lineage formulas within a probabilistic query engine.
The developed framework provides a novel lineage construction method that is able to construct nested lineage formulas, to avoid large tuple sets within the relational database layer tuples, and to provide full relational algebra support. In addition, the proposed system completely resolves the conflict between the contradicting query plans optimized for the relational database layer and the probabilistic query engine.
Diese Arbeit ist eingebettet in das BMBF-geförderte Projekt NITROLIMIT II, in dem unter anderem ein Nährstoffreduktionskonzept für die Storkower Seenkette entwickelt werden soll. Ziel dieser Bachelorarbeit war es, Nährstofffrachten für Teileinzugsgebiete in der Storkower Seenkette zu ermitteln, welche als Grundlage zur Planung und Verortung von Sanierungsmaßnahmen im Einzugsgebiet dienen sollen. Die berechneten Nährstofffrachten sollten anschließend mit den Ergebnissen einer Messkampagne des Landesamtes für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz Brandenburg aus dem Jahr 2011/12 verglichen werden sowie mögliche Sanierungsmaßnahmen diskutiert werden.
Zur Bestimmung der Nährstofffrachten wurden die Gesamtphosphor- (TP) und Gesamtstickstoff-Konzentrationen (TN) aus Wasserproben von sieben Messstellen des Untersuchungsgebietes analysiert, die von Februar bis Dezember 2015 gesammelt wurden. Die TP-Analysen wurden vom Kandidaten mittels Natrium-Peroxodisulfat-Aufschluss und anschließender photometrischer Messung nach DIN EN ISO 6878 (DIN, 2004) durchgeführt. Die TN-Analyse erfolgte mittels Fließinjektionsanalyse nach DIN EN ISO 13395 (DIN, 1996). Als Basis für die Frachtberechnungen wurden die Daten der Durchflussmessungen aus zwei Studienprojekten verwendet. Für die drei Klärwerke, die Klarwasser im Untersuchungsgebiet in die Vorfluter einleiten, wurden die Ablauffrachten berechnet.
Es zeigte sich, dass besonders die Fließstrecken unterhalb der drei Kläranlagen (Rieploser Fließ (KA Storkow; 22202 EGW) und Kuppengraben I (KA Friedersdorf; 1650 EGW und KA Wolzig; 467 EGW)) stark von Nährstoffen belastet sind und direkten Einfluss auf die Biomasseproduktion der unterhalb liegenden Gewässer nehmen. Vor allem für den davon betroffenen Stahnsdorfer See wird Handlungsbedarf gesehen, um eine Verbesserung gegenüber dem gegenwärtigen, polytrophen Zustand zu erreichen.
Der Vergleich der 2015 ermittelten Daten mit den Ergebnissen der Messkampagne des LUGV aus den Jahren 2011/12 hat gezeigt, dass die im Einzugsgebiet transportierten Nährstoffmengen relativ konstant sind. Trotz der verschiedenen Niederschlags- und somit auch Durchflussmengen in den unterschiedlichen Jahren konnten Nährstofffrachten in sehr ähnlicher Größenordnung berechnet werden.
Vor dem Hintergrund der ermittelten Nährstofffrachten wurden die geplanten Sanierungsmaßnahmen im Bereich des Rieploser Fließes betrachtet. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der geplanten Umleitung des Rieploser Fließes. Eine mögliche Variante sieht vor, das Fließ vor seiner Mündung in den Stahnsdorfer See durch ein Wehrbauwerk abzutrennen und das Wasser in ein künstliches Feuchtgebiet südlich des Sees zu leiten. Der dort befindliche ehemalige Torfstich könnte zu einem Schilfpolder umgestaltet werden und so als Retentionsfläche dienen. Diese Maßnahme könnte eine Nährstoffentlastung um ca. 30% für den Stahnsdorfer See bringen. Außerdem wurde durch diese Arbeit nachgewiesen, dass der Kuppengraben I im Vergleich zu anderen Messstellen bis zu 10fach höhere TP-Jahresmittel bzw. 4fach höhere TN-Jahresmittelwerte aufweist. Daher sollten auch für diesen Klärwerksableiter oder an den einleitenden Klärwerken Sanierungsmaßnahmen durchgeführt werden.
Im ersten Teil untersuchen wir den phononischen Wärmetransport in nanoskaligen, heterogenen Strukturen. Mit Hilfe des Nichtgleichgewicht-Green-Funktionen-Formalismus leiten wir eine Entwicklung der phononischen Stromtransmission für kleine Frequenzen her. Diese besitzt Gültigkeit für eine beliebige Oszillatorkette, welche eine typische Kontakt-Device-Kontakt-Struktur aufweist. Wir nutzen die gefundene Entwicklung in der Landauer Darstellung der Wärmeleitfähigkeit, wodurch wir eine systematische Tieftemperaturentwicklung bestimmen können. Betrachtet man diese Entwicklung bis zur zweiten Ordnung, erscheint die quantisierte Wärmeleitfähigkeit als ein konstantes Plateau, in der Darstellung der Wärmeleitfähigkeit geteilt durch die Temperatur. Dies gilt für die von uns untersuchten Kontakt-Device-Kontakt-Systeme, welche vollständig heterogen sein können, insofern das Produkt aus Kopplungskonstante und Oszillatormasse in beiden Kontakten identisch ist. Dabei ist das Ergebnis vollkommen unabhängig vom Streugebiet. Im Anschluss an das Plateau gewinnen die höheren Ordnungen der Tieftemperaturentwicklung an Bedeutung und führen zu endlichen Temperaturkorrekturen, die einem kubischen Potenzgesetz gehorchen. Dieses Verhalten hängt von den strukturellen Details des Streugebiets ab und ist in Übereinstimmung mit dem Experiment und numerischen Berechnungen. Als Anwendung unserer allgemeinen Ergebnisse betrachten wir eine „Double Junction“-Kette und finden als erstes Phänomen nach unserer Tieftemperaturentwicklung ein zweites Plateau. Dieses Plateau steht in Verbindung mit einer phasengemittelten Phononentransmission, welche für steigende Temperaturen zu einer Unabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von der Device-Länge führt. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit werden diese Ergebnisse auf quasi-eindimensionale 3DSysteme in der Kontakt-Device-Kontakt-Struktur verallgemeinert. Dazu werden exemplarisch geeignete Kristallstrukturen identifiziert und anschließend für langwellige Phononen mathematisch analysiert. Für Temperaturen unterhalb eines kritischen Wertes TK sind die Ergebnisse des eindimensionalen Falls auf jede der akustischen Moden übertragbar. Daraus resultiert eine analoge Beschreibung und Diskussion des Tieftemperaturverhaltens der Wärmeleitung, wie wir sie im strikt eindimensionalen Fall vorfinden. Im zweiten Teil betrachten wir ein thermisches Modell integrierter Schaltkreise, unter Berücksichtigung der zugehörigen Chip-Umgebung. Als die einfachste Wahl, behandeln wir die aktive Schicht („Front End Of Line“) als ein Feld, bestehend aus identischen Quantenbauelementen mit der gleichen, von der Zeit abhängigen mittleren Temperatur. Um die Chip-Umgebung zu modellieren, setzen wir voraus, dass sich die aktive Schicht zwischen zwei planparallelen Wärmereservoirs befindet. Das obere Reservoir stellt dabei die Verdrahtungsschicht des Chips dar („Back End Of Line“). Die Temperatur dieser Schicht ist weitestgehend durch die in den Leitern dissipierte joulesche Wärme bestimmt und ist typischerweise in der Größenordnung von hundert Grad Celsius. Das untere Reservoir verkörpert die Kühleinheit, die sich ungefähr auf Raumtemperatur befindet. Wir lösen die gekoppelten Gleichungen, die auf der einen Seite den Wärmetransport zwischen der aktiven Schicht und den umgebenden Wärmereservoirs und auf der anderen Seite den elektrischen Transport im Quantenbauelement beschreiben. Daraus ergeben sich die Arbeitstemperaturen der betrachteten Quantenbauelemente, welche Lösungen eines Fixpunktproblems sind. Diese Temperaturen hängen von der Position der aktiven Schicht zwischen den beiden Wärmereservoirs ab. Die Stabilität der Fixpunkte lässt sich aus einer geeigneten Linearisierung der zeitabhängigen Gesamtlösung ableiten. Für ausgewählte Parameter und eine aktive Schicht aus identischen Nanotransistoren werden numerische Lösungen präsentiert.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob die Nutzung von Algorithmen im Rahmen von Big Data das Personalwesen in Großunternehmen verbessern kann.
Um die beschriebene Problemstellung sowie die ersten Erkenntnisse mit Praxisbeispielen zu belegen, werden Experteninterviews aus drei Unternehmen geführt.
Zunächst werden die Unternehmen sowie die ExpertInnen charakterisiert und verglichen. Dies bildet die Grundlage für eine anschließende Auswertung der Aussagen, da Unterschiede und Gemeinsamkeiten betrachtet werden können. Ziel der empirischen Forschung ist die Beurteilung der Effizienz des Personalwesens durch die Nutzung von Big Data.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob die Nutzung von Algorithmen im Rahmen von Big Data das Personalwesen in Großunternehmen verbessern kann.
Um die beschriebene Problemstellung sowie die ersten Erkenntnisse mit Praxisbeispielen zu belegen, werden Experteninterviews aus drei Unternehmen geführt.
Zunächst werden die Unternehmen sowie die ExpertInnen charakterisiert und verglichen. Dies bildet die Grundlage für eine anschließende Auswertung der Aussagen, da Unterschiede und Gemeinsamkeiten betrachtet werden können. Ziel der empirischen Forschung ist die Beurteilung der Effizienz des Personalwesens durch die Nutzung von Big Data.
Resonance phenomena are ubiquitous in Nature. Resonance means that a system can accumulate large amounts of kinetic energy. In rotating flows inertial waves provide a mechanism for resonance by redistributing momentum, kinetic energy and helicity.
In order to investigate inertial waves a Taylor-Couette system was investigated which consists of a homogeneous liquid confined between two coaxial cylinders and two rigid lids. The inner cylinder is slightly conical (frustum) to break the vertical mirror symmetry. Inertial waves were excited by two different forcing configurations: the frustum in libration and the lids together with the outer cylinder in libration. Libration means that the rotation rate of the wall is modulated with a fixed amplitude and frequency of the order of the mean rotation rate. Direct numerical simulations (DNS) were conducted with a numerical solver in terrain-following coordinates.
DNS results reveal that inertial wave excitation is localised at the edges of the confinement, which is in very good agreement with recent laboratory measurements of Seelig (2014, PhD thesis, BTU Cottbus - Senftenberg). A model of the wave excitation mechanism was developed with the aid of boundary layer theory. The model suggests that a difference in the boundary layer mass flux (Ekman flux) excites the waves by driving an excess Ekman pumping velocity at the edges. The DNS results exhibit this flux difference, and the simulated kinetic energy spectra of the waves exhibit the frequency dependency predicted by the model.
However, DNS results also exhibit helical vortices at the edges which are not part of the model. Conservation properties suggest that these vortices are merely a compensating phenomenon which tends to stabilise the boundary layer flow. The details of this flow, however, appear less important for the wave excitation.
Response spectra of the kinetic energy, the dissipation rate, the helicity, and the quality factor were computed in order to assess resonance conditions. Simulated resonance peaks have a width of only 1/20th of the mean rotation rate. At these peaks, the kinetic energy was found to increase by a factor 10-50 even though viscous forces were still rather large (Ekman number of the order 1/100,000 with the length scale given by the mean radial gap width).
The flow patterns found at those resonances were investigated and found to be in very good agreement with the spatial patterns obtained by laboratory measurements and geometric ray tracing. The DNS results suggest that there are two types of resonance in rotating flows: modes and wave attractors. In contrast to a mode, a wave attractor exhibits net focusing of wave energy and occupies a finite frequency band. DNS results show that the wave attractor resonance frequency adjusts within the frequency band which suggests that wave attractor resonances complement 'classical' mode resonances and may, thus, be relevant in various applications.
With the integration of smart objects into the Internet users should gain new possibilities to directly interact with their physical environment. This vision is called Internet of Things (IoT) and is enabled by the development of micro Internet Protocol (IP) stacks that allow one to directly connect smart objects to the Internet. IP alone cannot ensure a seamless integration because advanced services (e.g., service discovery, identity management) can only be provided at the application layer. The current development of application protocols for the IoT focuses on the Machine-to-Machine (M2M) communication and introduces specialized protocol gateways, smart object-specific code or data representations that hinder a seamless integration. This thesis deals with the seamless integration, discovery, and employment of smart objects into the current Internet infrastructure under Human-to-Machine (H2M) communication aspects by using and adapting already established protocols that have been standardized by the Internet Engineering Task Force (IETF), such as the Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP), Multicast DNS (mDNS), and DNS Service Discovery (DNS-SD). The proposed approach is called Chatty Things. So smart objects may become a natural part of the network making the IoT readily usable for (non-technical) users and network administrators providing them with the same level of usability that is predominant in the current Internet infrastructure.
The applicability of XMPP and mDNS/DNS-SD for smart objects has been evaluated with implementations of minimized, modular, and extensible software stacks for the IoT operating system Contiki. This includes a readily usable Application Programming Interface (API), an essential set of XMPP extension protocols, a proposal for lightweight and user-friendly event notification, a standardized bootstrapping, and a seamless fallback mechanism for ad hoc use cases when infrastructure services are failing for XMPP-driven smart objects. Furthermore, this thesis presents optimizations for the used protocols to reduce the network traffic in low data rate smart object networks (e.g., sensor-specific groups, enhanced message compression mechanisms). To sum up, this thesis shows how XMPP and mDNS/DNS-SD can be used economically on smart objects for the seamless integration with low effort into the current Internet infrastructure to enable a transparent (H2M) interaction and service discovery for the IoT.
A front-tracking algorithm for large-eddy simulation (LES) is developed to untangle the numerical and physical contributions to entrainment in stratocumulus-topped boundary layers. The front-tracking algorithm is based on the level set method. Instead of resolving the cloud-top inversion, it is represented as a discontinuous interface separating the boundary layer from the free atmosphere. The location of the interface is represented as an isosurface of an evolving marker function the evolution of which is governed by an additional transport equation. The algorithm has been implemented in an existing LES code based on the anelastic approximation of the Navier-Stokes equations.
The original LES algorithm is verified against direct-numerical simulation (DNS) data of an idealized two-dimensional cloud-top mixing layer. For this, the subgrid-scale model of the LES code was replaced by a constant molecular viscosity in order to focus on numerical errors only. A grid convergence study confirmed the anticipated global second-order rate of convergence and the convergence to the DNS solution. The slower convergence of the LES code as compared to the higher-order DNS yielded leading-order errors in the mixing layer growth at the coarsest resolutions, which were finer still than typical LES resolutions.
The front-tracking algorithm is verified by LESs of two different convective atmospheric boundary layers: the smoke cloud, a solely radiatively driven boundary layer, and a stratocumulus-topped boundary layer based on data from the DYCOMS II field study. Specifying zero entrainment, it was shown that entrainment in LES can be controlled effectively by the front-tracking algorithm. The algorithm drastically reduces entrainment errors and reduces dependencies of the solution to numerical parameters such as the choice of flux-limiters and grid resolution.
Pflanzenbasierte Roh- und Wertstoffe erlangen auf allen Gebieten des menschlichen Denkens und Handelns zunehmend an Bedeutung. So werden Wirksubstanzen natürlichen Ursprungs in kosmetischen und pharmakologischen Anwendungen, sowie in der Nahrungsmittelmittelindustrie als beispielsweise Nahrungsergänzung verstärkt gegenüber synthetischen Produkten bevorzugt. Diese Entwicklung beruht auf dem zunehmenden Verständnis für nachhaltige Entwicklungen in Wirtschafts- und Naturkreisläufen einerseits und dem breiten, hocheffektiven Wirkspektrum bei akzeptablen Nebenwirkungsprofilen biologisch aktiver Substanzen andererseits.
Grundvoraussetzung zur Nutzung dieses Potentials ist eine Technologiekaskade, welche die primäre Gewinnung und die darauf aufbauende Aufbereitung und Veredlung bis hin zur vollständigen Isolierung dieser Naturstoffe erlaubt. Die vorliegende Arbeit leistet in Bezug auf die stoffschonende Auslegung von Einzelprozessen und die anschließende effiziente Kombination der entwickelten Verfahrensschritte zu einem Gesamtprozess einen wesentlichen Beitrag.
Ausgehend von der effektiven Gewinnung flüchtiger Stoffe und Stoffgruppen aus ausgewählten ätherischen Ölpflanzen konnten wertbestimmende Substanzen als L-Fenchon (Foeniculum vulgare) aus dem Bitteren Fenchel und Bisaboloide, sowie Chamazulen aus der Echten Kamille (Matricaria chamomilla) identifiziert und nutzbare Aufreinigungs- und Separationsverfahren abgeleitet werden.
Eine erste effiziente Anreicherung der Wirkstoffe erfolgte mithilfe der neu entwickelten Methode als separierende Trägerdampf-Destillation, wobei durch die gezielte Druckanpassung und Variation der Trägerdampfzusammensetzung eine Prozesstemperaturabsenkung mit positiven Effekten auf die Trennleistung und Wertstoffausbringung erreicht wurde.
Die anschließende vollständige Isolierung ist durch flüssigchromatographische Verfahrensabfolgen realisiert worden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die kontinuierliche Prozessführung als quasikontinuierliches Verfahren sowie der bewegte Gegenstrom als Simulated Moving Bed (SMB) einer diskontinuierlichen Batch-Chromatographie in Bezug auf Stoff- und Ressourcenschonung in den betrachteten Anwendungsfällen deutlich überlegen ist.
Die abschließende verbrauchsrelevante und darauf aufbauend wirtschaftliche Bewertung des entwickelten kombinierten Verfahrens wies die umgesetzte Methodenkopplung als effiziente Alternative zu den im Vergleich ressourcenaufwendigen und bisher hauptsächlich ausgelegten Single-Unit-Operations aus.
Application of ODT to turbulent combustion problems in incompressible and compressible regimes
(2016)
The one-dimensional turbulence (ODT) model is applied to a reactant - to - product counterflow configuration as well as to a shock tube configuration in non-reactive flow and in deflagration and detonation regimes. The model employed herein solves conservation equations for momentum, energy, and species on a one dimensional (1D) domain corresponding to the line spanning the domain between nozzle orifice centers in the counterflow configuration and corresponding to the tube length in the shock tube configuration. The effects of turbulent mixing are modeled via a stochastic process, while the Kolmogorov and reactive length and time scales are explicitly resolved.
In the counterflow configuration, comparisons between model and DNS results for spatial mean and root-mean-square (RMS) velocity, temperature, and major and minor species profiles are shown. The ODT approach shows qualitatively and quantitatively reasonable agreement with the DNS data. Scatter plots and statistics conditioned on temperature are also compared for heat release rate and all species. ODT is able to capture the range of results depicted by DNS. However, conditional statistics show signs of underignition.
To carry out the shock tube simulations, the ODT methodology is extended to include an efficient compressible implementation and a model for capturing shock-induced turbulence is presented. The necessary algorithmic changes to include compressibility effects are highlighted and the model for capturing shock-turbulence interaction is presented. To validate the compressible solver, results for Sod’s shock tube problem are compared against a finite volume Riemann solver. To validate the model for shock-turbulence interaction, comparisons for a non-reactive and a reactive case are presented. First, results of a shock traveling from light (air) to heavy (SF6) with reshock have been simulated to match mixing width growth data of experiments and turbulent kinetic energy results from LES. Then, for one-step chemistry calibrated to represent an acetylene/air mixture, the interaction of a shock wave with an expanding flame front is simulated, and results with 2D simulation (2D-sim) data for flame brush formation and ensuing deflagration-to-detonation transitions (DDT) are compared. Results for the Sod shock tube comparison show that the shock speed and profile are captured accurately. Results for the nonreactive shock-reshock problem show that interface growth at all simulated Mach numbers is captured accurately and that the turbulent kinetic energy agrees in order of magnitude with LES data. The reactive shock tube results show that the flame brush thickness compares well to 2D-sim data and that the approximate location and timing of the DDT can be captured. The known sensitivity of DDT characteristics to details of individual Wow realizations, seen also in ODT, implies that model agreement can be quantified only by comparing Wow ensembles, which are presently unavailable other than in an ODT run-to-run sensitivity study that is reported herein.
Es konnte gezeigt werden, dass die direkte Methanisierung des Kohlenstoffanteils aus Rauchgas auf Grundlage der Sabatier-Reaktion im Rahmen des Power-to-Gas Ansatzes unter realen Bedingungen im Technikumsmaßstab möglich ist. Es wurde ein Durchsatz von knapp 235 kg/d CO2 bei einer Gesamtraumgeschwindigkeit der Eduktgase von ca. 1500 h-1, was einem Durchfluss von 45 Nm³/h bei einem Reaktorvolumen von 30 dm³ entspricht, erreicht. Dabei wurde das Kohlenstoffdioxid direkt, ohne weitere Aufarbeitung des Rauchgases, mit mindestens 60% Umsatz katalytisch zu Methan reduziert. Dafür wurde ein Katalysator auf Nickelbasis verwendet. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass für eine autotherme Betriebsweise der Methanisierung von Rauchgas der Sauerstoffanteil im Rauchgas eine notwendige Voraussetzung darstellt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass das vorliegende Intervall von 4 - 6 Vol % Sauerstoffanteil im Rauchgas aus konventionellen Braunkohlekraftwerken genau in dem notwendigen Bereich liegt, der für eine ausgeglichene Wärmebilanz sorgt. Die bei der Wasserstoff-Sauerstoffreaktion zusätzlich frei werdende Wärme gleicht den kühlenden Effekt des mitgetragenen Stickstoffes genau aus, wodurch die für die Sabatier-Reaktion benötigte Temperatur von mindestens 300 °C aufrechterhalten werden kann. Ohne den Sauerstoff könnte die Methanisierung nicht autotherm betrieben werden.
Zudem ist die Reaktion selbstregulierend, die Reaktionstemperatur läuft auf einen oberen Grenzwert von etwa 600 °C hinaus, wodurch Umsätze von 60% nicht unterschritten werden. Bei niedrigeren Temperaturen von ca. 400 °C konnten auch Ergebnisse von über 90% CO2 Umsatz im Rauchgas erreicht werden.
Diese Ergebnisse konnten sowohl unter Laborbedingungen, d.h. mit aus technischen Gasen synthetisch hergestelltem Rauchgas, gemessen werden, als auch mit realem Rauchgas direkt am Kraftwerk vor Ort reproduziert werden.
Das bei der Rauchgasmethanisierung entstehende Produktgas weist eine Energiedichte von ca. 5 MJ/Nm³ auf, womit es zu den Schwachgasen gezählt wird. Hier konnte der Nachweis erbracht werden, dass eine Nutzung des Produktgases in einem Rückverstromungskonzept mittels eines dezentralen Blockheizkraftwerkes, welches mit einem herkömmlichen Wankelmotor betrieben wird, möglich ist.
Das "Proof of Principle" für einen geschlossenen CO2 Kreislauf unter realen Bedingungen mittels der Sabatier Reaktion wurde somit erbracht und lädt dazu ein, diesen Weg weiter zu verfolgen.
Guided waves hold great potential for applications in the field of ultrasonic nondestructive testing. Examples of possible applications are the ultrasonic testing and structural health monitoring of wheelset-axles as used in trains. Depending on the particular type, these axles can be described as either thick cylindrical rods or thick walled hollow cylinders with varying thickness.
Wheelset-axles are safety relevant components that have to be inspected on a regular basis. The use of guided waves would allow a full inspection while accessing only the front faces of the axle, thus potentially speeding up the inspection procedure. In order to develop such an inspection technique, however, detailed knowledge of wave propagation through the axle is required.
Established mesh-based procedures, like the finite element method, could be used to simulate guided wave propagation in such structures. However, due to the size of the axle itself and the comparatively fine mesh that is dictated by the wavelengths usually applied in ultrasonic testing, these mesh-based procedures would be very expensive in terms of computation times. The multimodal approach seems to be a very promising alternative that can be expected to provide results significantly faster.
The multimodal method uses the guided wave modes of a corresponding waveguide with a constant cross-section as basis in which the local sound field at any given position in a waveguide with varying thickness can be expressed. Thereby the numerical effort is reduced to solving the one dimensional differential equations that govern the evolution of the coefficients in the mode spectrum along the waveguide. Once the sound field has been calculated, a time dependence can easily be included, which allows the simulation of pulse propagation through the waveguide.
In this thesis, the multimodal approach, as described for the calculation of Lamb-waves in plates with non-constant thickness, is extended to other types of elastic waveguides such as cylindrical rods and thick walled hollow cylinders. For the sake of simplicity, investigations are restricted to axially symmetric wave modes. The results obtained with the multimodal approach are validated against FEM-simulations. It is shown that the multimodal method potentially holds a great advantage in terms of computation time over commercially available software based on the finite element method. Finally, the multimodal method is evaluated with respect to possible future applications on wheelset-axles.
„Das gute Leben ist lokal – Das Konzept des »Guten Lebens in Harmonie« und die Sorben/Wenden“ lautete der Titel der Tagung an der BTU Cottbus-Senftenberg im Dezember 2015, welche diesem Band zu Grunde liegt. Diese Tagung steht in einer Reihe von durch die Herausgeber organisierten Veranstaltungen am Lehrstuhl für Sozialwissenschaftliche Umweltfragen, die sich mit aktuellen gesellschaftspolitischen Diskursen und den Perspektiven für die Minderheit der Sorben und Wenden in der Lausitz auseinandersetzt. In diesem Band sind zwei Beiträge versammelt, die im Zusammenhang mit der Tagung entstanden sind.
Zur Beantwortung der Frage, ob Stickstoffreduktion in solchen Gewässern wirtschaftlich vertretbar ist, wurde am Beispiel eines für die Norddeutsche Tiefebene charakteristischen Flusssees, der Berliner Unterhavel, untersucht, mit welchen Kosten und Nutzen das Erreichen des guten ökologischen Zustandes verbunden ist.
Hierfür wurde zunächst der Status quo der Stickstoff- und Phosphoreinträge aus dem Einzugsgebiet (EZG) sowie deren Konzentration in der Berliner Unterhavel ermittelt. Darauf basierend wurde berechnet, in welchem Umfang die Einträge reduziert werden müssen, um die gewässerinterne Konzentration auf einen Wert zu senken, ab dem erwartet wird, dass sich der gute ökologische Zustand einstellt. Zielwerte für Stickstoff- und Phosphorkonzentrationen in unterschiedlichen Gewässertypen wurden in einer vorangegangenen Studie ermittelt (modifiziert nach: NITROLIMIT-Diskussionspapier Band 1, 2013; Dolman et al. 2016). Im nächsten Schritt wurden für das Einzugsgebiet der Berliner Unterhavel kosteneffiziente Stickstoffreduktionsmaßnahmen im urbanen und landwirtschaftlichen Bereich identifiziert. Schließlich wurde für verschiedene Kombinationen ausgewählter Maßnahmen ermittelt, wie hoch die Stickstoffreduktionsleistung und die entsprechenden Kosten wären, wenn sie im Einzugsgebiet der Berliner Unterhavel umgesetzt würden.
Der ökonomische Nutzen wurde anhand der Zahlungsbereitschaft der Berliner und Brandenburger Bevölkerung für das Erreichen des guten ökologischen Zustandes der Berliner Unterhavel ermittelt. Die Zahlungsbereitschaft wurde in einer Umfrage erhoben, bei der auch erfasst wurde, wie häufig Gewässer zur Erholung aufgesucht und welche Aktivitäten dort am liebsten ausgeübt werden. Abschließend wurden die Kosten für Maßnahmen zur Stickstoffreduktion dem Nutzen gegenübergestellt.
In diesem Diskussionspapier werden die wesentlichen Ergebnisse der Studien dargestellt. Eine ausführliche Darstellung aller Ergebnisse und methodischen Details sind im Abschlussbericht von NITROLIMIT I (2014) zu finden (S. 127-186).
Zur Deckung des stetig steigenden Energiebedarfs und unter Berücksichtigung des Umweltschutzes werden unter anderem Solarzellen genutzt. Defekte in Solarzellen können die Effizienz verringern. In dieser Arbeit wird das Defektverständnis von Silizium basierten Solarzellen erweitert.
Neue experimentelle Erkenntnisse konnten zu folgenden Schwerpunkten gewonnen werden:
• Siliziumnitrid- und Siliziumkarbidausscheidungen in multikristallinem Silizium
• Rekombinationsaktivität in dünnen Siliziumschichten
• Charakterisierung der Rekombinationsaktivität von Germanium als Modellmaterial für die Siliziumkristallisation
• Rekombinationsaktivität und Verspannung an Korngrenzen
Um Ergebnisse experimenteller Defektcharakterisierung auf allgemein gültige Parameter der Rekombination wie z.B. Ladungsträgerdiffusionslänge oder Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zurückführen zu können, wurden zu folgenden Phänomenen Modelle entwickelt und Simulationen durchgeführt:
• Getterzonen an Korngrenzen
• Ermittlung von Diffusionslänge und Diffusionskoeffizient in Dünnschichtmaterial
• 3D-Raumladungseffekte
Die Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse über die Rekombinationseigenschaften der Defekte liegt in einer möglicherweise zukünftigen kontrollierten Defektbeeinflussung und somit einer Effizienzverbesserung von Solarzellen.
Obwohl die pleistozänen Vereisungen bereits lange Gegenstand geowissenschaftlicher Forschung sind, wird das jüngste Glazial bezüglich Ausmaß und Chronologie kontrovers diskutiert. Für die spanischen Zentralpyrenäen wird derzeit, wie auch für andere Vergletscherungsgebiete während des Spätpleistozäns, eine zum globalen letzten glazialen Maximum (gLGM) frühere und damit asynchrone Vereisung angenommen. Aufgrund der zeitlichen Differenz von 10 ka bis 30 ka vor dem gLGM ist in den spanischen Zentralpyrenäen eine im Vergleich zu den gLGM-zeitlich geprägten Vergletscherungsgebieten differenzierte Geomorphodynamik und Bodenbildung zu erwarten. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Darstellung der spätquartären Bodenentwicklung und Geomorphodynamik in zwei benachbarten Tälern der spanischen Zentralpyrenäen, die beide von gLGM-asynchronen Gletschervorstößen geprägt wurden. Die Untersuchungen wurden mittels einer Kombination sedimentologischer und bodenkundlicher Methoden durchgeführt, um neben der Identifikation der Sedimentfazies die pedogene Entwicklung darzustellen. Die chronologische Einordnung der Befunde erfolgte mittels 15 optisch stimulierter Lumineszenzdatierungen (OSL-Datierungen) und einer 14C-Datierung.
Die Ergebnisse belegen eine prozessual sehr ähnliche Landschaftsentwicklung wie in den mitteleuropäischen Glazial- und Periglazialgebieten. Zwar konnten in der vorliegenden Arbeit keine rißzeitlichen Sedimente datiert werden, die intensive Lessivierung auf den als rißzeitlich beschriebenen lössbedeckten Terrassen wird aber auf die Entwicklung einer Parabraunerde während des letzten Interglazials zurückgeführt. Mit dem Würm beginnt sowohl im Glazialraum als auch im Extraglazialraum eine Phase aktiver Geomorphodynamik. Für den Periglazialbereich können Lössanwehung um 61 ± 4 ka und Solifluktion um 55 ± 5 ka nachgewiesen werden. Die über glazialen Sedimenten hangenden und von Solifluktion und Lösseintrag geprägten Hauptlagen wurden zwischen 14,4 ± 1,2 ka bis 10,6 ± 0,8 ka gebildet. In den rezent von Lessivierung gekennzeichneten Hauptlagen wurden bei den mikromorphologischen Untersuchungen keine Pedorelikte einer früheren Bodenbildung gefunden. Dies weist unter Berücksichtigung der Altersdifferenz von etwa 20 ka zwischen den hier datierten Hauptlagen und dem bisher angenommenen Alter des letzten Gletschervorstoßes um 35 ka entweder auf eine markante Stabilität der Landschaft ohne jegliche Bodenentwicklung über einen Zeitraum von 20 ka oder auf eine massive Erosion vor 14,4 ka. Aufgrund der methodisch problematischen OSL-Datierungen, auf denen die Asynchronitätstheorie basiert, muss die gLGM-asynchrone Chronologie der spanischen Zentralpyrenäen stark angezweifelt werden. Diese Schlussfolgerung wird untermauert durch die in der jüngsten Literatur mehrfach beschriebenen maximalen Gletschervorstöße in den östlichen Pyrenäen, die zum gLGM-synchrone Alter aufweisen, und in Anbetracht der Befunde aus der vorliegenden Arbeit.
Die nachfolgenden Auswertungen sind Teil des DFG-geförderten Projekts ProSeBiCA an der Universität Bielefeld, das in Kooperation mit der BTU Cottbus erfolgt. Im Rahmen dieses Projekts wird ein umfassender Analyse- und Simulationsrahmen für wissenschaftliche Bibliotheken entwickelt, der auf Basis von Präferenzmessungen (mittels Conjoint-Analyse) eine fundierte Strategieplanung für die gezielte Weiterentwicklung des Dienstleistungsspektrums ermöglicht. Die hier vorgestellte dritte Untersuchung innerhalb des Projekts erfolgte mittels einer Adaptiven Conjoint Analyse (ACA) und einer Choice-Based Conjoint Analyse (CBC) an der BTU Cottbus im Zeitraum vom 03.11.2005 bis 04.01.2006. Dabei handelt es sich um eine Online- Befragung, die vor allem auf der Homepage der IKMZ Cottbus verlinkt war. Insgesamt 1127 Personen haben die Befragung komplett absolviert, 350 davon haben die CBC-Befragung ausgefüllt. Letztgenannte werden hier nicht weiter betrachtet, sondern in einem separaten Arbeitsbericht eingehend analysiert.
In der vorliegenden Arbeit wird die Eignung von Künstlichen Neuronalen Netzen hinsichtlich der Modellierung des komplexen Prozessverhaltens in einer Flachglasschmelzanlage analysiert. Die Identifikation und das Training der neuronalen Prozessmodelle erfolgen mit Messdaten einer Schmelzwanne für Flachglas. Im Vordergrund steht die Evaluation einer geeigneten Netzstruktur und die Parametrierung der Netzparameter. Dabei wird der Einfluss der einzelnen Netzparameter in Bezug auf die Genauigkeit der Netze eingehend untersucht. Anhand von Testdaten wird nachgewiesen, dass die qualitätsbestimmenden Temperaturen und der Glasstand mit Künstlichen Neuronalen Netzen hinreichend genau berechnet werden können.
Auf Basis der entwickelten neuronalen Prozessmodelle wird anschließend eine modellbasierte prädiktive Regelstrategie beschrieben. Neben der Auswahl des Gütekriteriums und des Optimierungsalgorithmus zur Berechnung zukünftiger Stellgrößen werden Richtlinien zur Dimensionierung der verfügbaren Reglerparameter abgeleitet.
This thesis focuses on the investigation and characterization of the surfaces and interfaces of chalcopyrite-based Cu(In,Ga)Se₂ (CIGSe) and organo-metal mixed halide perovskites, specifically CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ thin film solar cell absorbers using various x-ray and electron spectroscopies. In particular, the impact of alkali treatments on the chemical and electronic surface and near-surface structure of CIGSe absorbers is studied. For CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ the compound formation is monitored and the peculiarities of the interface formation of CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ on compact and mesoporous TiO₂ are examined.
Laboratory and synchrotron-based photoelectron spectroscopy are used to gain a depth-dependent picture of the chemical and electronic structure in the surface and near-surface region of CIGSe absorbers, focusing on the influence of NaF and NaF/KF post-deposition treatments (PDT) when compared to alkali-free CIGSe absorbers. The alkali-free and NaF-PDT absorbers show similar chemical properties, having a Cu and Ga poor surface region compared to the nominal bulk and the same chemical environment for indium and selenium. For the NaF/KF-PDT samples a K-In-Se compound is present on top of a Cu-In-Ga-Se compound, with a nanopatterned surface that is almost devoid of Cu and Ga.
Further, for the NaF-PDT sample a near-surface electronic band gap of 1.61[+0.14/-0.51] eV is derived. In contrast, a large and more gradual change towards the surface is obtained for the NaF/KF-PDT absorber exhibiting a significant band gap widening of the surface, which is in agreement with a Cu- and Ga-devoid surface region and the formation of a K-In-Se surface compound.
To in-situ monitor the compound formation of CH₃NH₃PbI(₃-ᵪ)Clᵪ on compact TiO₂ (c-TiO₂) hard x-ray photoelectron spectroscopy is used. During in-situ annealing a drop-casted layer of precursor solution on c-TiO₂ shifts in the perovskite related core levels can be observed upon reach the “transition temperature” of 80-100°C. Further the Cl signal decrease at the onset of annealing and shows a depletion in the surface region for annealing temperatures above 50°C. In addition, the chemical and electronic structure of the interface between perovskite and mesoporous TiO₂ (mp-TiO₂) or c-TiO₂ using different perovskite layer thicknesses are studied.
Die Materialklasse der transparenten leitenden Metalloxide (engl. transparent conducting oxides (TCO)) und amorphen oxidischen Dünnschichtsysteme (engl. amorphous oxidic semiconductors (AOS)) sind überaus faszinierend, da sie gegensätzliche physikalische Eigenschaften, wie Transparenz und hohe Leitfähigkeit in sich vereinen. Die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen sind immer noch unklar und werden in dieser Dissertation beleuchtet. Dazu wurde die resonante Photoelektronenspektroskopie (resPES)gewählt, da sie sich in den letzten Jahren als vielseitiges Werkzeug für die detaillierte Untersuchung der elektronischen Struktur und der Identifikation von Defekten ausgezeichnet hat. Im Rahmen dieser Arbeit ergab sie die einmalige Möglichkeit, sowohl hoch qualitative TCO-Einkristalle (ZnO, Ga2O3, In2O3 und SnO2) als auch amorphe oxidische Dünnschichtsysteme (GIZO und SnOx) photeelektronenspektroskopisch zu untersuchen und zu vergleichen. Somit wird gezeigt, dass die elektronische Struktur der Materialklasse der TCO und ihrer korrespondierenden AOS mehr Gemeinsamkeiten aufweisen, als bisher erwartet wurde.
Es zeigt sich, dass die Bandlücke, im eigentlichen Sinne, in der Materialklasse der TCO und AOS nicht existiert. Lokalisierte Zustände füllen den gesamten Bereich dieser Bandlücke aus und reichen zum Teil in das Valenzband (VB) und Leitungsband (CB) hinein. Dies führt dazu, dass es keine, wie bisher gedacht, scharfen Grenzen zwischen lokalisierten und delokalisierten Zuständen gibt. Um dies zu verdeutlichen wird ein neuartiges Modell eingeführt, das aufzeigt, dass die Wechselwirkung von metallischen d- und s-Niveaus in einer Öffnung der d-Schale resultiert. Durch Charge-Transfer (CT)-Mechanismen und weitere Hybridisierung mit metallischen unbesetzten p-Zuständen folgt eine stärkere Lokalisierung. Die Diskussion wird begonnen mit der Klärung der Elementeverhältnisse der untersuchten Materialsysteme. Darauf folgt die Charakterisierung von intrinsischen Defekten und ihren Beiträgen auf die elektronische Struktur. Abschließend werden die elektronischen Strukturen der AOS mit denen der korrespondierenden TCO verglichen.
Nanotechnologies allow for the production of completely new materials in a wide range of industries and technical fields and are also recognised as one of the most important technological sectors for the future. The growing nanotechnological industry is rapidly generating new forms of materials; however, little is known about the behaviour of these substances, in particular their particle form and their impact on different ecological systems and the life within them. Concerns have been raised about the safety and regulation of nanomaterials, following a number of studies that indicated that some nanomaterials are able to cause adverse effects on living objects. This data, as well as increasing production volumes and commercialisation, the capability of crossing biological barriers and the increased physico-chemical activities of nanoparticles, when compared to their bulk counterparts, have triggered concern (Baró et al., 2001; Kear et al., 2012) about their impacts on health and safety.
In Germany, nanoparticles, nanotechnological products, their production processes and their disposal are generally subject to the prevailing law of the German legal system, especially with respect to the authorization of equipment, permissions regarding chemicals and other product groups, and the protection of employees and the environment. With regard to nanotechnologies, however, the question arises as to whether the present legal regulations are adequate, and/or whether regulative gaps occur because of specific new products, materials or process characteristics. Accordingly, based on the analysis of the relevant state-of-the-art technology and science, and an evaluation of existing, as well as projectable, future national legislation on this matter, this work aims to identify regulative gaps in the relevant standardisation procedures and to point out possible adjustments.
Although nanomaterials are covered by the general scope of many of the existing legislative frameworks, it is often unclear if current regulation is actually applicable for specific questions of nanomaterials and their diverse applications. In particular, there is a lack of sufficient knowledge of the risks, which could lead to imbalanced legal protection against any threats that may arise. However, it is recognised that adjustments are needed, and legal amendments have been repeatedly proposed by expert committees, policymakers, industry members and non-governmental organisations (European Parliament, 2009). Nonetheless, very few revisions have been made to date, so the existing regulations are not considered adequate to deal with all kinds of nanomaterials in both the short and long term. Current legislation needs to be adapted immediately to reflect the challenges posed by current nanomaterials and their applications.
The thesis addresses the design of monolithically integrated radio frequency amplifiers for X-band applications. The focus is on low-voltage low-noise amplifiers and efficient power amplifiers with high output power level. The challenge here is to realize stable amplifiers with remarkable performance metrics at low supply voltages. The general approach for stabilization amplifiers in the above frequency range is the use of a cascode topology which, however, requests higher supply voltages then single transistor operation. By using a special passive frequency-selective feedback, the use of the cascode topology could be avoided, and the amplifiers are stabilized over the entire frequency spectrum. Simultaneously, this feedback is used to neutralize the intrinsic feedback of the transistor at operating frequencies. As a result, a frequency dependent performance degeneration of the transistor can be mitigated.
This work describes the influence of the passive frequency-selective feedback. Its usage as well its limitation are explained using the examples of a realized low noise amplifier and different power amplifiers. Further, the design of radio frequency amplifiers at X-band frequencies that employs silicon-germanium heterojunction bipolar transistors is described. All amplifiers were either incorporated in a 0.25 µm SiGe:C BiCMOS technology or in a 0.35 µm SiGe:C bipolar technology. The main achievements of this work include:
- A 8.7 GHz narrow-band low noise amplifier incorporated in a 0.35 µm SiGe bipolar technology. The noise figure is 2.2 dB and the gain 28 dB at a supply voltage of 3 V. The low noise amplifier was subsequently used for a design of a double-balanced I/Q mixer.
- Two packaged high efficient power amplifiers operating at a center frequency of 12 GHz. They are incorporated in a 0.35 µm SiGe bipolar technology. One amplifier uses a transformer-based output matching network and achieves 30.9 % of power-added efficiency and 23.9 dBm of maximum output power at a supply voltage of 1.8 V. The second amplifier utilizes an LC-balun for impedance matching at the output and a power-added-efficiency of 38 % at 1.8 V is measured. The maximum output power was 23.4 dBm.
- A power amplifier in a 0.35 µm SiGe bipolar technology that uses power combining techniques to achieve 30 dBm (1 W) and 30 % of power-added efficiency at 10 GHz and 2 V supply voltage.
- Two power amplifiers, incorporated in a 0.25 µm SiGe:C BiCMOS technology, demonstrating the capability of a non-advanced SiGe process to be used for radio frequency power applications. Power combining techniques, the use of the passive frequency-selective feedback and layout optimization enables the realization of power amplifiers which exhibit an output power of 30 dBm and a power-added efficiency of 35 % at supply voltages lower as 2.6 V.
Sandwichstrukturen, bestehend aus zwei Decklagen und einem dazwischen liegenden Kernmaterial, stellen den Stand der Technik zur Herstellung von Bauteilen mit niedrigem Gewicht und hoher mechanischer Stabilität dar. Dabei werden im Luftfahrtbereich hauptsächlich Honeycombs aus Nomex®-Papier zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit guten FST-Eigenschaften (Fire Smoke Toxicity) verwendet. Für Anwendungen bei denen die mechanischen Eigenschaften des Kernmaterials nicht im Vordergrund stehen, wie z.B. bei nichttragenden Verkleidungselementen, bieten textile Noppenwaben aufgrund niedriger Herstellungskosten und der Möglichkeit zur Integration verschiedener Funktionalitäten eine interessante Alternative zu Honeycombs.
Textile Noppenwaben bestehen aus einer flächigen, mit Harz imprägnierten Maschenware, welche in einem ersten Schritt zu einer dreidimensionalen Noppenstruktur geformt und anschließend durch Härtung des Harzes stabilisiert wird. Aufgrund zahlreicher Freiheitsgrade, die sich aus der Wahl des Garn- und Matrixmaterials, der Maschenbindung, sowie der Noppengeometrie ergeben, können die Eigenschaften dieses Kernmaterials in einem weiten Bereich variiert und das Kernmaterial für vielfältige Anwendungen gezielt angepasst werden.
Eine wesentliche Hürde für den Einsatz von Noppenwaben besteht bislang in der aufwändigen diskontinuierlichen Herstellung mittels Plattenwerkzeugen in einer beheizbaren Presse. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit liegt der Fokus auf der Entwicklung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung von Noppenwaben. Bei diesem Verfahren wird das harzimprägnierte Textil zwischen zwei beheizten Werkzeugbändern in Form gebracht und anschließend ausgehärtet. Während das diskontinuierliche Verfahren nur die zeitaufwändige Fertigung vergleichsweise kleiner Noppenwabenplatten zulässt, bietet das kontinuierliche Fertigungsverfahren die Möglichkeit, Noppenwaben mit deutlich geringerem Zeitaufwand als Endlosmaterial herzustellen.
Weiterhin wird im Rahmen der Arbeit aus der Analyse der bisher hergestellten einseitigen Noppenwabe eine neue symmetrische Geometrie abgeleitet. Unter anderem werden dazu die Formänderungen der Maschenware bei der Formgebung zur Noppenwabe untersucht und unterschiedliche Geometrien miteinander verglichen.
Symmetrische Noppenwaben werden mit einseitigen Noppenwaben und etablierten luftfahrtzugelassenen Kernmaterialien, wie ausgewählten Schäumen und Honeycombs hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften verglichen, um deren Potential für den Einsatz als leichtes und brandfestes Kernmaterial zu beurteilen. Dafür werden kontinuierlich hergestellte Noppenwaben hinsichtlich Druckfestigkeit, Schubfestigkeit, Biegefestigkeit und Impact-Verhalten ebenso getestet wie die Anbindung an die Decklagen im Trommelschälversuch.
Neben den genannten Untersuchungen, werden weitere, nicht-mechanische Charakteristika wie FST-Verhalten, Drapierbarkeit und die Möglichkeit, zusätzliche Funktionen zu integrieren, betrachtet.
The chemical and electronic structure of chalcopyrite absorbers with different bulk band gap energies, Egbulk, [i.e., low-gap Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe, Egbulk ~ 1.2 eV) and wide-gap CuInS2 (CIS, Egbulk ~ 1.5 eV)] and of buffer/absorber heterointerfaces based on these materials are studied with soft and hard x-ray spectroscopy techniques. Mechanisms that benefit (limit) the performance of low(wide)-gap chalcopyrite-based solar cells are identified. This knowledge is used to develop surface tailoring treatments to optimize buffer/absorber heterointerfaces based on wide-gap chalcopyrites and improve the performance of their solar cells.
Photoemission spectroscopy (PES) characterization of the two absorbers (i.e., CIGSe and CIS) reveal compositional-depth profiles. The changes detected in CIGSe include: a near surface Ga-depletion, a strongly Cu-poor surface and a strong presence of surface Na that (likely) occupies Cu vacancies. A similar Cu-deficiency is found in CIS. The depth-composition changes result in significant widening of the band gap at the surface, Egsurf, (i.e., CIGSe, Egsurf: 1.70 ± 0.2 eV and CIS, Egsurf: 1.88 ± 0.2 eV) as evident by ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) and inverse photoemission spectroscopy (IPES) measurements. Differences in the interaction of the CIGSe and CIS surfaces with deposited buffer materials are identified. PES and modified Auger parameter studies reveal strong intermixing at the CdS/CIGSe and ZnS/CIGSe heterointerfaces. S L2,3 x-ray emission spectroscopy (XES) measurements of CIGSe substrates submitted to CdS chemical bath deposition (CBD-CdS) treatments show the formation of In2S3 and defect-rich/nanostructured CdS at the interface, compounds with higher band gap values than the measured Egsurf for CIGSe. S L2,3 XES spectra of CIGSe substrates submitted to CBD-ZnS treatments reveal the formation of (Zn,In)(S,Se)2 chemical analogs at the interface. PES and XES measurement series show that the CdS/CIS heterointerface is more abrupt, with no detected interface chemical species. Direct measurement of the band alignment of these heterointerfaces reveals: an ideal conduction band offset (CBO) configuration for CdS/CIGSe (i.e., CBO: +0.11 ± 0.25 eV), a spike CBO configuration for ZnS/CIGSe (i.e., CBO: +1.06 ± 0.4 eV), and a highly unfavorable cliff CBO configuration for CdS/CIS (i.e., CBO: -0.42 ± 0.25 eV). The performance of solar cell devices based on these heterointerfaces is correlated to their CBO configuration.
Two surface tailoring approaches intended to correct the CBO configuration of the CdS/CIS heterointerface are presented. One method is based on rapid thermal processing (RTP) selenization treatments of CIS absorbers, aiming to exchange Se for S in treated samples. The idea behind this approach is to modify the surface of a wide-gap chalcopyrite so that it forms a more favorable heterointerface with CdS, such as heterointerfaces within low-gap chalcopyrite devices. X-ray fluorescence analysis and PES measurements of RTP-treated CIS samples show a greater treatment effect at the surface of the sample compared to the bulk (i.e., surface [Se]/[S+Se] range: 0.23 ± 0.05 to 0.83 ± 0.05, compared to bulk [Se]/[S+Se] range: 0.01 ± 0.03 to 0.24 ± 0.03). Tuning of the Cu:In:(S+Se) surface composition from a Cu-poor 1:3:5 to a 1:1:2 stoichiometry is observed in RTP-treated CIS samples with lower to higher surface Se contents, respectively. UPS measurements show a shift in valence band maximum toward the Fermi level in samples with higher surface Se content (i.e., -0.88 ± 0.1 to -0.51 ± 0.1 eV), as expected for a reduction in Egsurf due to exchange of Se for S. Ultraviolet-visible spectrophotometry reveals a reduction in the optical band gap of samples with greater Se incorporation (i.e., from 1.47 ± 0.05 to 1.08 ± 0.05 eV), allowing for a working window for optimization purposes.
The second tailoring method involves surface functionalization of CIS absorbers with dipole-charge-inducing self-assembled monolayers (SAM) of benzoic acid derivatives and thiol molecules. The introduction of dipole charges between a heterointerface can tune the relative alignment of the electronic bands composing its electronic structure; thus, use of a suitable dipole-inducing SAM could correct the CBO misalignment in the CdS/CIS heterointerface. UPS measurements of the secondary electron cut-off region of CIS samples treated with a selected set of SAMs show a work function modulation of CIS (i.e., 4.4 ± 0.2 eV - 5.2 ± 0.2 eV). Small gains in solar cell parameters of solar cells based on SAM-modified heterointerfaces are measured.
An overview of the performance of chalcopyrite(kesterite)-based solar cells in relation to the electronic properties of their corresponding buffer/absorber heterointerface suggests that optimization approaches extending beyond the buffer/absorber heterointerface may be needed for further performance gains in wide-gap chalcopyrite-based solar cell devices.