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The thermal management-induced drag of conventional ram-air cooling systems for low-temperature fuel-cell propulsion can account for roughly 20% to 25% of total drag in fuel-cell aircraft concepts, while its mass and power impact at the overall aircraft level are far less significant. This drag penalty can severely reduce efficiency, especially when additional parallel power sources for takeoff such as gas turbine engines are undesirable. To address this, we propose augmenting low- and medium-temperature fuel-cell cooling with an auxiliary water-evaporation system. This mechanism is used only when needed, primarily during takeoff in hot ambient conditions, while the ram-air system can be downsized to meet cruise requirements. Water evaporation can achieve coefficients of performance of 50 to 100, while reducing the required mass flow by two orders of magnitude. It provides a heat-rejection energy density of approximately 670 Wh/kg, far exceeding that of state-of-the-art high-power-density batteries. Furthermore, the resulting vapor can be vented overboard, and the system is expected to outperform batteries in reliability, durability, and environmental impact. The paper introduces several architectures for integrating water-evaporation cooling into aircraft systems and discusses their respective advantages, limitations, and implications for overall aircraft performance. Initial results indicate that enabling evaporative cooling can significantly reduce the required ram-air channel size and drag, offering a promising pathway to more efficient fuel-cell-powered aircraft. In the EU project TheMa4HERA, aircraft-level design trades and scaled experimental validation for aviation applications of water evaporation are planned in 2026.

The »Volta-German Shared Colonial Heritage Project« focuses on the archaeology and ›shared heritage‹ of German colonialism in the former Togo/Togoland colony. Following up on initial (field) research in 2022 and 2023, the Ghanaian and German project partners successfully ran an extended field season at Kpando in early 2024. Four lines of investigation were developed. The first involved detailed building archaeological studies of the Palace of the Paramount Chief as well as the so-called Sisters Convent in preparation for rehabilitation planning. The second study expanded research into the urban fabric of Kpando. Historic buildings were described and mapped with the aim of gaining a better understanding of the evolution of the town during the German colonial period. Intercultural building practices were of particular interest. A third line of research supplemented the above studies with investigations of historical sources as well as the documentation of local knowledge of the history of Kpando in the form of personal and family histories. As family histories are manifested in the built fabric of the town, this study adds an important local perspective to our investigations of building cultures during the late 19th and early 20th centuries. The fourth study initiated systematic research on colonial-period soundscapes in the Volta Region and beyond. Numerous church bells were documented, adding a new facet to the study of the ›shared heritage‹ of German colonialism in Africa.

Die vorliegende Dissertation erörtert das Potenzial der photoakustischen Spektroskopie (PAS) für die Detektion von Methan und Ethan in der Umgebungsluft. Der theoretische Teil widmet sich zunächst ausführlich den Grundlagen der Absorptionsspektroskopie und insbesondere der PAS. Zusätzlich werden für diese Arbeit relevante Messmethoden wie die Absorptionsspektroskopie nach Lambert-Beer, Cavity ring-down Spektroskopie (CRDS) und Wellenlängen-modulierte Spektroskopie (WMS) vorgestellt und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile erörtert. Im Theoriekapitel wird zusätzlich die photoakustische Signalgenerierung, einschließlich der Signalverstärkung durch akustische Resonanzverstärkung, detailliert hergeleitet. Besonderes Augenmerk liegt auf der Diskussion des Einflusses der nicht-strahlenden Relaxation auf das photoakustische Signal, wobei die zwei dominanten Formen der stoßbasierten Energieübergänge, Schwingungs-Translation (VT) Relaxation und Schwingungs-Schwingungs (VV) Relaxation, intensiv betrachtet und diskutiert werden. Eine Literaturzusammenfassung rundet den theoretischen Teil ab, wobei der Fokus auf dem Einfluss der Relaxation auf das photoakustische Signal für verschiedene Analyten liegt. Neben der Charakterisierung der Laserquellen hinsichtlich der Emissionswellenzahl wird ein in die photoakustische Messzelle integriertes System (Acoustic Resonance Monitoring System - ARMS) präsentiert, welches eine schnelle Quantifizierung akustischer Parameter, wie Resonanzfrequenz und Q-Faktor ermöglicht. Im Ergebnisteil wird der photoakustische Methansensor auf Quereinflüsse gegenüber Sauerstoff, Luftfeuchte, Kohlenstoffdioxid sowie Messzellentemperatur und -druck hin evaluiert. Dabei wurden akustische und relaxationsbedingte Effekte als dominierende Einflussgrößen identifiziert. Die Abhängigkeit der photoakustischen Amplitude und Phase von der Effizienz der nicht-strahlenden Relaxation lässt sich mithilfe des entwickelten Algorithmus CoNRad berechnen und kompensieren, wodurch die Zuverlässigkeit der Sensoren gesteigert wird. Das Konzept des digitalen Zwillings kombiniert theoretische Berechnungen, ARMS-Messungen und die emittierte optische Laserleistung, um ein vollst¨andig theoretisch zu erwartendes photoakustisches Signal zu berechnen und gemessene Rohwerte für sämtliche Quereinflüsse zu kompensieren. Dieser Ansatz wurde in einer mehrtägigen Messreihe mit einem Referenzgerät zum atmosphärischen Methanmonitoring evaluiert. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial der PAS zur Spurengasdetektion in der Umgebungsluft, unterstreichen aber auch die Notwendigkeit des digitalen Zwillings zur Quereinflusskompensation. Messungen mit einem quartz-enhanced PAS Sensor zeigten ebenfalls relaxationsbedingte Signalveränderungen, die mithilfe der etablierten statistischen Methode der Partial Least Squares Regression (PLSR) und dem digitalen Zwilling kompensiert wurden. Mit beiden Ansätzen konnten vergleichbar gute Ergebnisse erzielt werden und den mittleren relativen Fehler der vorhergesagten Analytkonzentration auf den einstelligen Prozentbereich verringert werden. Darüber hinaus wurde eine Methode entwickelt, um spektrale Quereinflüsse in der Wellenlängen-modulierten PAS zu berechnen. Der Einfluss von spektralen Überlappungen auf das Messsignal wurde zusätzlich für Amplitudenmodulation untersucht. Zusammenfassend befasst sich diese Dissertation vorrangig mit der detaillierte Analyse von relaxationsbedingten, akustischen und spektralen Einflüssen auf das photoakustische Signal. Hierbei werden verschiedene innovative Ansätze zur Quantifizierung und Kompensation dieser Einflüsse präsentiert, mit dem übergeordneten Ziel, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit photoakustischer Sensoren in langfristigen Feldanwendungen signifikant zu erhöhen. Die Erkenntnisse dieser Arbeit unterstreichen nicht nur das Potenzial der photoakustischen Spektroskopie zur präzisen Detektion von Spurengasen in der Umgebungsluft, sondern betonen auch die Notwendigkeit von Kompensationsmechanismen. Insgesamt trägt diese Arbeit entscheidend dazu bei, dass photoakustische Sensoren in kontinuierlichen Feldanwendungen eingesetzt werden können. This dissertation discusses the potential of photoacoustic spectroscopy (PAS) for the detection of methane and ethane in ambient air. The theoretical section is dedicated to the fundamentals of absorption spectroscopy and PAS in particular. Additionally, spectroscopic measurement methods relevant to this work such as Beer-Lambert absorption spectroscopy, cavity ring-down spectroscopy (CRDS) and wavelength modulated spectroscopy (WMS) are presented and their respective advantages and disadvantages are discussed. The theory chapter also provides a detailed derivation of photoacoustic signal generation, including signal amplification by acoustic resonance amplification. Particular attention is given to the discussion of the influence of non-radiative relaxation on the photoacoustic signal, whereby the two dominant forms of collision-based energy transfer, vibrational-translation (VT) relaxation and vibrational-vibrational (VV) relaxation, are reviewed and discussed. A literature review completes the theoretical part, focusing on the influence of relaxation on the photoacoustic signal for different analytes. Besides the characterization of the laser sources with respect to the emission wavenumber, an integrated system (Acoustic Resonance Monitoring System - ARMS) is presented, which allows fast quantification of acoustic parameters such as resonance frequency and Q-factor. The photoacoustic methane sensor is evaluated in the results chapter regarding cross-sensitivities towards oxygen, humidity, carbon dioxide as well as photoacoustic cell temperature and pressure. Acoustic and relaxation-related effects were identified as the dominant parameters. The dependence of the photoacoustic amplitude and phase on the efficiency of the non-radiative relaxation can be calculated and compensated for using the developed algorithm CoNRad, which increases the reliability of the sensor. The concept of the digital twin combines theoretical calculations, ARMS measurements and the emitted optical laser power to calculate a fully theoretically expected photoacoustic signal and to compensate measured raw data for all cross influences. This approach was evaluated in a series of measurements over several days with a reference device for atmospheric methane monitoring. The results illustrate the potential of PAS for trace gas detection in the ambient air, but also emphasize the necessity of the digital twin for signal compensation. Measurements with a quartz-enhanced PAS sensor also revealed relaxation-related signal distortions, which were compensated using an established statistical method of partial least squares regression (PLSR) and the digital twin. Both approaches achieved equally good results and reduced the mean relative error of the predicted analyte concentration to the single-digit percentage range. Furthermore, a method for calculating spectral influences in terms of wavelength-modulated PAS was developed. Spectral influences on the measurement signal were also investigated for amplitude modulation. In summary, this thesis is primarily dedicated to an in-depth analysis of relaxation-related, acoustic and spectral influences on the photoacoustic signal. Various novel approaches to quantify and compensate for these influences are presented, with the objective of significantly increasing the accuracy and reliability of photoacoustic sensors in long-term field applications. The findings of this work not only demonstrate the capability of photoacoustic spectroscopy for the precise detection of trace gases in ambient air, but also emphasize the need for compensation techniques. Overall, this work provides a valuable contribution towards the application of photoacoustic sensors in continuous and long-term field applications.

Zu Beginn der Arbeit werden zunächst die physikalischen Grundlagen betrachtet, welche für die Erstellung des Modells relevant sind. Dabei wird insbesondere auf die thermodynamischen Kreisprozesse von Kältemaschinen und Wärmepumpen eingegangen. Anschließend wird auf den aktuellen Stand der Technik für die Klimatisierung von Schienenfahrzeugen mit besonderem Fokus auf den Einsatz von Wärmepumpen eingegangen. Dabei werden verschiedene Kältemittel diskutiert, die für die Klimatisierung eingesetzt werden können. Ebenfalls werden die normativen Anforderungen für die Klimatisierung von Schienenfahrzeugen dargestellt, welche die Rahmenbedingungen für die anschließend durchgeführte Modellierung bilden. Basierend auf dem bereits bestehenden Modell werden die COP-Kennlinien für die in der Arbeit betrachteten Kältemittel modelliert. Dabei werden zusätzlich die physikalischen Grundlagen und die normativen Anforderungen beachtet. Die modellierten Kennlinien wird anschließend in das bestehenden Simulationsmodell integriert und beeinflussen den simulierten elektrischen Energiebedarf des HVAC-Systems. Um ableiten zu können, wie das HVAC-System in dem simulierten Schienenfahrzeug gestaltet sein muss, werden Simulationen unter verschiedenen Randbedingungen durchgeführt. Dazu gehören die definierten Betriebspunkte, welche unterschiedliche Umgebungsbedingungen aufweisen. Der aus den Simulationen berechnete elektrische Energiebedarf wird für die Analyse der verschiedenen HVAC-Systeme verwendet. Es werden für alle betrachteten Kältemittel und den Widerstandsheizer alle normativen Betriebspunkte für eine Strecke simuliert. Aus dem simulierten elektrischen Energiebedarf an den Betriebspunkten wird der jährliche Energiebedarf in den drei Klimazonen berechnet. Dabei wird zwischen dem Energiebedarf für den Heizbetrieb und für den Kühlbetrieb unterschieden. Zusätzlich wird ein Referenzsystem betrachtet, welches aus einem Widerstandsheizer und einer Wärmepumpe mit dem Kältemittel R134a besteht. Der Energiebedarf des Systems setzt sich aus dem Kühlbedarf des Wärmepumpensystems mit R134a und dem Heizbedarf des Widerstandsheizers. Für die Analyse der Wirtschaftlichkeit wird über die definierten Investitions- und Stromkosten der Verlauf der Kosten für die HVAC-Systeme in den drei Klimazonen dargestellt. Unter Betrachtung des elektrischen Energiebedarfs, der Wirtschaftlichkeit und der Auswirkung auf die Umwelt wurde festgestellt, dass R290 in allen betrachteten Klimazonen die beste Wahl als Ersatzkältemittel für das Referenzsystem ist. R290 hat in Klimazone I einen um etwa 40 % geringeren jährlichen Energiebedarf und um etwa 30 % geringere Gesamtkosten im Vergleich zu dem Referenzsystem. In Klimazone II ist der jährliche Energiebedarf um etwa 62 % geringer und die Gesamtkosten um rund 52 %. In Klimazone ist der jährliche Energiebedarf letztendlich um etwa 65 % geringer und die Gesamtkosten um etwa 57 %. Zusätzlich hat es einen niedrigeren GWP-Wert als das Kältemittel des Referenzsystems und ist PFAS-frei. Somit ist der Einsatz von R290 als Kältemittel in Wärmepumpen für die Klimatisierung von Schienenfahrzeugen in allen Klimazonen energetisch und wirtschaftlich am besten geeignet. In Klimazone III kann ebenfalls R744 eigesetzt werden, wenn Optimierungen an dem Prozess unternommen werden. Der aktuelle jährliche Energiebedarf ist um etwa 22 % höher und die Gesamtkosten um rund 23 % im Vergleich zu dem R290-System.

The Intergovernmental Panel on Climate Change concludes that climate change has already caused substantial damages at the current 1.2°C of global warming and that warming of 1.5°C would elevate risks of a wide-range of climate tipping points. For example, wet-bulb temperatures are already exceeding safe levels, and the melting of the Greenland and West Antartic ice sheets would lead to over ten metres of sea level rise, representing an existential threat to coastal cities, low-lying nation states, and human wellbeing worldwide. We call for a broad scientific discussion about a stricter and more ambitious climate target of 1.0°C by the end of this century. Comprehensive electrification and highly renewable energy systems offer a pathway to sub-1.5°C futures through rapid defossilisation and large-scale, electricity-based carbon dioxide removal. Independent scenarios show that restoring a stable and safe climate is attainable with coordinated policy and economic support.