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Die Bewertung bestehender Bauteile unterscheidet sich grundsätzlich von der Bemessung neu zu erstellender Bauteile, da im Gegensatz zur Neubausituation bemessungsrelevante Parameter am Bestandstragwerk ermittelt werden können. Trotzdem müssen baustatische Nachweise in beiden Fällen auf Basis der aktuellen technischen Baubestimmungen geführt werden, deren Sicherheits- und Nachweiskonzept zur Erstellung von Neubauten konzipiert wurde und berücksichtigt, dass die tatsächlichen Bauteilkennwerte zum Zeitpunkt der Bemessung mit Unsicherheiten behaftet sind.
Bestehende Tragwerke können und müssen in vielen Fällen die darin enthaltenen Anforderungen nicht erfüllen, da im Vergleich zur Neubausituation eine Vielzahl von Tragwerksinformationen vorliegen, die eine Absenkung der im Zuverlässigkeitskonzept enthaltenen Unsicherheitsfaktoren begründen.
Aus diesem Grund wird innerhalb der vorliegenden Arbeit ein zur Bewertung bestehender Wasserbauwerke angepasstes, semiprobabilistisches Nachweiskonzept erarbeitet, das auf den wahrscheinlichkeitstheoretischen Festlegungen des Eurocode beruht. Im Vergleich zum aktuellen Nachweiskonzept zeichnet es sich durch die Berücksichtigung von im Rahmen einer qualifizierten Bestandsaufnahme am Tragwerk festgestellten Bauteilkennwerten und Einwirkungen sowie angepassten Zuverlässigkeitselementen aus.
Innerhalb einer probabilistischen Querschnittsanalyse werden weiterhin die zur Zuverlässigkeitsbewertung bestehender Wasserbauwerke aus Beton maßgebenden Basisvariablen identifiziert und es wird nachgewiesen, dass auch die Zuverlässigkeitselemente des modifizierten Nachweiskonzeptes dem Format nach den wahrscheinlichkeitstheoretischen Festlegungen des Eurocodes entsprechen.
Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Konstruktionsweise zur Errichtung von unbewehrten Gewichtsstützwänden alter Schleusen zu einem Zuverlässigkeitsniveau führt, wie es aktuell auch innerhalb des Eurocodes gefordert wird.
In der aktuellen technologischen Entwicklung spielen verteilte eingebettete Echtzeitsysteme eine immer zentralere Rolle und werden zunehmend zum Träger von Innovationen. Durch den hiermit verbundenen steigenden Funktionsumfang der verteilten Echtzeitsysteme und deren zunehmenden Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungsgebieten stellt die Entwicklung solcher Systeme eine immer größere Herausforderung dar. Hierbei handelt es sich einerseits um Herausforderungen bezogen auf die Kommunikation hinsichtlich Echtzeitfähigkeit und effizienter Bandbreitennutzung, andererseits werden geeignete Methoden benötigt, um den Entwicklungsprozess solcher komplexen Systeme durch Tests und Evaluationen zu unterstützen und zu begleiten. Die hier vorgestellte Arbeit adressiert diese beiden Aspekte und ist entsprechend in zwei Teile untergliedert.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Kommunikationslösungen, um den gestiegenen Kommunikationsanforderungen begegnen zu können. So erfordert die Nutzung verteilter Echtzeitsysteme im Kontext sicherheitsrelevanter Aufgaben den Einsatz zeitgetriggerter Kommunikationssysteme, die in der Lage sind, deterministische Garantien bezüglich der Echtzeitfähigkeit zu gewähren. Diese klassischen auf exklusiven Reservierungen basierenden Ansätze sind jedoch gerade bei (seltenen) sporadischen Nachrichten sehr ineffizient in Bezug auf die Nutzung der Bandbreite.
Das in dieser Arbeit verwendete Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling (modusbasierte Kommunikation) ist ein Verfahren zur Verbesserung der Bandbreitennutzung zeitgetriggerter Kommunikation, bei gleichzeitiger Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit. Um dies zu ermöglichen, erlaubt Mode-Based Scheduling einen kontrollierten, slotbasierten Wettbewerb, welcher durch eine schnelle Modussignalisierung (Fast Mode-Signaling) aufgelöst wird. Im Zuge dieser Arbeit werden verschiedene robuste, zuverlässige und vor allem deterministische Realisierungen von Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling auf Basis existierender drahtgebundener Kommunikationsprotokolle (TTCAN und FlexRay) vorgestellt sowie Konzepte präsentiert, welche eine einfache Integration in weitere Kommunikationstechnologien (wie drahtlose Ad-Hoc-Netze) ermöglichen.
Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich nicht nur auf Kommunikationsaspekte, sondern stellt einen Ansatz vor, den Entwicklungsprozess verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme durch kontinuierliche Tests und Evaluationen in allen Entwicklungsphasen zu unterstützen und zu begleiten. Das im Kontext des Innovationszentrums für Applied Systems Modeling mitentwickelte und erweiterte FERAL (ein Framework für die Kopplung spezialisierter Simulatoren) bietet eine ideale Ausgangsbasis für das Virtual Prototyping komplexer verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme und ermöglicht Tests und Evaluationen der Systeme in einer realistisch simulierten Umgebung. Die entwickelten Simulatoren für aktuelle Kommunikationstechnologien ermöglichen hierbei realistische Simulationen der Interaktionen innerhalb des verteilten Systems. Durch die Unterstützung von Simulationssystemen mit Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsstufen kann FERAL in allen Entwicklungsphasen eingesetzt werden. Anhand einer Fallstudie wird gezeigt, wie FERAL verwendet werden kann, um ein Simulationssystem zusammen mit den zu realisierenden Komponenten schrittweise zu verfeinern. Auf diese Weise steht während jeder Entwicklungsphase ein ausführbares Simulationssystem für Tests zur Verfügung. Die entwickelten Konzepte und Simulatoren für FERAL ermöglichen es, Designalternativen zu evaluieren und die Wahl einer Kommunikationstechnologie durch die Ergebnisse von Simulationen zu stützen.
Im Stahlbetonbau werden die Eigenschaften von Beton und Bewehrungsstahl so vereint, dass ein Werkstoff entsteht, welcher wesentlich tragfähiger ist als die einzelnen Komponenten. In hoch bewehrten Konstruktionen kann es sinnvoll sein, große Bewehrungsstabdurchmesser (≥ 32mm) einzusetzen. Ein Bewehrungsstab Ø40mm (12,56cm²) kann im Vergleich der Querschnittsflächen die Kombinationen 2Ø28mm, 4Ø20mm, 8Ø14mm, 11Ø12mm, 16Ø10mm oder sogar 25Ø8mm ersetzen. Hierdurch können vielfältige Vorteile aber auch, insbesondere bei der Rissbreitenbeschränkung, Nachteile entstehen.
In der vorliegenden Arbeit wurde das grundsätzliche Rissverhalten von großen Stabdurchmessern untersucht. In experimentellen Untersuchungen an insgesamt 60 Versuchen mit über 30.000 Rissbreitenmessungen wurde das Verhalten an Zugstäben sowie an Zugplatten mit und ohne Oberflächenbewehrung betrachtet. Es wurden verschiedene Einflüsse auf die Rissbreiten, unter anderem der Bewehrungsstabdurchmesser, die Betondruckfestigkeit sowie die Belastungsart berücksichtigt. Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der nach DIN EN 1992-1-1 2011 und DIN EN 1992-1-1/NA 2013 geforderten Oberflächenbewehrung sowie deren Reduzierung. Auf Grundlage der hohen Anzahl an Messwerten sind belastbare Ergebnisse möglich. Es wurden Bemessungsvorschläge ausgearbeitet, welche abschließend in zwei Modellen zur Rissbreitenberechnung einfließen.
Bei Baumaßnahmen kommt es oft zu Auseinandersetzungen zwischen Bauherren und Planern, bei denen die zulässige Breite von Rissen in Stahlbetonbauteilen im Vordergrund steht. Die Rissgeometrie, der Rissbreitenverlauf von der Betonoberfläche zum Bewehrungsstab, wurde ebenfalls untersucht. Es wurden Risse unter Beanspruchung „eingefroren“ und die Rissbreite in der Betondeckung mit Hilfe eines optischen Messsystems erfasst. Mit Hilfe dieser Rissbreitenwerte wurde ein Ingenieurmodell aufgestellt, welches eine Umrechnung zwischen dem Rechenwert der Rissbreite und der Rissbreite an der Betonoberfläche erlaubt.
Zur Auslegung von innovativen Betonkollektorelementen für solarthermische Parabolrinnenkraftwerke
(2016)
Kurzfassung
Parabolrinnen stellen die wirtschaftlichste Form der solarthermischen Kraftwerke mit
Solarstrahlenkonzentration dar. Die Kollektorelemente sind der entscheidende Faktor
für die Wirtschaftlichkeit des gesamten Parabolrinnenkraftwerks. Stand der Technik
ist es, die Kollektoren als räumliche Stahlfachwerke mit punktförmig gestützten Spiegeln
auszuführen. Zu diesem Konstruktionsprinzip sind Alternativen möglich.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Machbarkeit einer wirtschaftlichen
Konstruktionsvariante für die Ausführung der Parabolrinnen unter Verwendung des
Werkstoffs Beton untersucht.
Die dabei erörterten Fragestellungen umfassen ein breites Spektrum. Ein Schwerpunkt
liegt auf der Konzeptionierung einer geeigneten Betonrezeptur und den damit
verbundenen betontechnologischen Herausforderungen. Diese waren stets unter
dem Gesichtspunkt einer schnellen Festigkeitsentwicklung zu betrachten. Des Weiteren
konnte ein Großdemonstrator konzeptionell und baulich realisiert werden, durch
welchen die Bauweise eines Parabolrinnenkollektorelements aus hochfestem Beton
vor Augen geführt wird. Diesem sind zwei Innovationen immanent: Zum einen die
Verwendung des Werkstoffs Beton, zum anderen sein neuartiges Auflagerungskonzept.
Der fertiggestellte Großdemonstrator wurde in einer Genauigkeitsanalyse mittels
optischer Messverfahren hinsichtlich seines Interceptfaktors, eine Kenngröße,
von welcher der Systemwirkungsgrad abhängt, beurteilt. Ein weiterer betrachteter
Aspekt ist die Maßhaltigkeit und Formstabilität von Beton, da durch Abweichungen
von ihrer Sollgeometrie der Interceptfaktor einer Parabolrinne reduziert wird. Anhand
von numerischen Untersuchungen wurden die unter realitätsnahen Bedingungen an
einem geeigneten Standort auftretenden Verformungen für den Großdemonstrator
analysiert und in Form einer rechnerischen Wirksamkeitsbeurteilung interpretiert.
Abstract
Parabolic troughs are the most economic type of solarthermal power plants working
by concentrating solar power. The collector elements are the most influencing factor
concerning the cost effectiveness of the whole power plant. State of the art is to construct
the collectors as spatial steel truss systems with point-wise supported mirrors.
Alternatives to this construction principle exist.
In the thesis at hand the feasibility of an economic way of constructing of an economic
execution of the parabolic troughs while using concrete as construction material
was analyzed.
The spectrum of the discussed questions is large. One focus was put on the conception
of a suitable concrete and the connected challenges concerning the concrete
technology. These were always to be considered under the aspect of a fast development
of the strength. Furthermore, a full-size demonstrator was planned and built,
which shows the construction method of a parabolic trough collector element using
high-strength concrete. Two innovations are immanent: On the one hand, the use of
the construction material concrete, on the other hand its novel supporting concept.
The completed full-size demonstrator was evaluated regarding its intercept factor (a
parameter by which the efficiency factor of the system is influenced) by using a precision
analysis using optical measurement methods. Another examined aspect is the
dimensional accuracy and stability of concrete because by deviations from the target
geometry the intercept factor of a parabolic trough is reduced. By means of numerical
methods the deflections, which result under realistic conditions at a suitable location,
were analyzed and in due form of a mathematical effectiveness assessment interpreted.
We consider the problem to evacuate several regions due to river flooding, where sufficient time is given to plan ahead. To ensure a smooth evacuation procedure, our model includes the decision which regions to assign to which shelter, and when evacuation orders should be issued, such that roads do not become congested.
Due to uncertainty in weather forecast, several possible scenarios are simultaneously considered in a robust optimization framework. To solve the resulting integer program, we apply a Tabu search algorithm based on decomposing the problem into better tractable subproblems. Computational experiments on random instances and an instance based on Kulmbach, Germany, data show considerable improvement compared to an MIP solver provided with a strong starting solution.
Distributed systems are omnipresent nowadays and networking them is fundamental for the continuous dissemination and thus availability of data. Provision of data in real-time is one of the most important non-functional aspects that safety-critical networks must guarantee. Formal verification of data communication against worst-case deadline requirements is key to certification of emerging x-by-wire systems. Verification allows aircraft to take off, cars to steer by wire, and safety-critical industrial facilities to operate. Therefore, different methodologies for worst-case modeling and analysis of real-time systems have been established. Among them is deterministic Network Calculus (NC), a versatile technique that is applicable across multiple domains such as packet switching, task scheduling, system on chip, software-defined networking, data center networking and network virtualization. NC is a methodology to derive deterministic bounds on two crucial performance metrics of communication systems:
(a) the end-to-end delay data flows experience and
(b) the buffer space required by a server to queue all incoming data.
NC has already seen application in the industry, for instance, basic results have been used to certify the backbone network of the Airbus A380 aircraft.
The NC methodology for worst-case performance analysis of distributed real-time systems consists of two branches. Both share the NC network model but diverge regarding their respective derivation of performance bounds, i.e., their analysis principle. NC was created as a deterministic system theory for queueing analysis and its operations were later cast in a (min,+)-algebraic framework. This branch is known as algebraic Network Calculus (algNC). While algNC can efficiently compute bounds on delay and backlog, the algebraic manipulations do not allow NC to attain the most accurate bounds achievable for the given network model. These tight performance bounds can only be attained with the other, newly established branch of NC, the optimization-based analysis (optNC). However, the only optNC analysis that can currently derive tight bounds was proven to be computationally infeasible even for the analysis of moderately sized networks other than simple sequences of servers.
This thesis makes various contributions in the area of algNC: accuracy within the existing framework is improved, distributivity of the sensor network calculus analysis is established, and most significantly the algNC is extended with optimization principles. They allow algNC to derive performance bounds that are competitive with optNC. Moreover, the computational efficiency of the new NC approach is improved such that this thesis presents the first NC analysis that is both accurate and computationally feasible at the same time. It allows NC to scale to larger, more complex systems that require formal verification of their real-time capabilities.
In der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts fand in der Bundesrepublik Deutschland ein weiträumiger Suburbanisierungsprozess statt. Junge Familien wanderten u. a. in den 1970er und 1980er Jahren in der Familiengründungsphase in das Umland der Städte und präferierten die Wohnform des Einfamilienhauses in einem familienfreundlichen Wohnumfeld. Infolgedessen entstanden weitgehend altershomogene Siedlungen. Diese Bevölkerungsgruppe erreicht nun das Alter 60plus mit der Folge, dass Umlandgebiete von Städten aufgrund der genannten altersselektiven Stadt-Umland-Wanderungen von der demographischen Alterung in überdurchschnittlichem Maße betroffen sind.
Heute ergibt sich ein Problemkomplex aus einer fehlenden Kongruenz zwischen gealterter Bevölkerung einerseits und räumlicher Umwelt andererseits, der sowohl die Kommunen als Wohnstandort als auch die betroffenen Haushalte vor neuartige Herausforderungen stellt.
Demnach kommt es im Zuge der Erhöhung des Anteils älterer Menschen in der Bevölkerung in suburbanen Räumen zu einer Verstärkung und Modifikation der Nachfrage nach altenspezifischen, dezentralen Versorgungsstrukturen in bestimmten Bereichen der Daseinsvorsorge (wie der medizinischen Versorgung, der Versorgung mit Gütern des täglichen Bedarfs und des öffentlichen Personennahverkehrs (öPNV)) sowie im Bereich altengerechter Wohnraumangebote. Neben diesen quantitativen Aspekten weist die Bevölkerungsgruppe 60plus aufgrund von gesellschaftlichen Veränderungsprozessen, wie dem Wertewandel, im Vergleich zur Vorkriegsgeneration neuartige Bedürfnisse und Anforderungen an ihren Wohnstandort auf.
Gleichzeitig sind sowohl altenspezifische Versorgungsstrukturnetze in suburbanen Räumen aufgrund einer flächenintensiven und monofunktionalen Siedlungsentwicklung mit räumlich konzentrierten Einrichtungen der Daseinsvorsorge, einer starken Abhängigkeit vom motorisierten Individualverkehr (MIV) bei abnehmender altersbedingter individueller Mobilität und damit einhergehenden ungünstigen Erreichbarkeiten als auch altengerechte Wohnraumangebote oftmals nur eingeschränkt vorhanden.
Die geschilderten raumbezogenen Divergenzen zwischen sich wandelnden quantitativen und qualitativen Nutzungsmustern hinsichtlich Versorgungsstrukturen, Mobilität und Wohnraum einerseits und siedlungsstrukturellen Rahmenbedingungen andererseits führen dazu, dass Wohnstandortentscheidungen früherer Lebensphasen dahingehend überprüft werden, ob eine altersgerechte Lebensführung in den suburbanen Siedlungsgebieten möglich ist.
Vor dem Hintergrund der dargelegten raumstrukturellen Problemlagen in suburbanen Kommunen im Zuge des Prozesses der demographischen Alterung liegt das zentrale Anliegen der vorliegenden Arbeit darin, Wohnstandortentscheidungen suburbaner Haushalte der Bevölkerungsgruppe 60plus anhand einer beispielhaften Betrachtung in ausgewählten suburbanen Kommunen im Landkreis Mainz-Bingen zu untersuchen.
Folgende Forschungsziele werden im Rahmen der Arbeit verfolgt:
In einem ersten Schritt sollen die Standortgegebenheiten in Bezug auf die Ausstattung mit Versorgungsstrukturen, die die Untersuchungskommunen älteren Menschen der Generation 60plus bieten, zukünftig im höheren Alter ein selbstständiges Leben führen zu können, analysiert werden.
Des Weiteren werden das derzeitige aktionsräumliche Versorgungsverhalten der Untersuchungsgruppe sowie daraus entstehende potentielle Versorgungsdefizite im höheren Alter untersucht.
In einem weiteren Analyseschritt liegt der Fokus auf der subjektiven Wohnstandortbewertung aus Bürgerperspektive. Im Speziellen wird dargestellt, inwiefern die Bevölkerungsgruppe 60plus ihren Wohnstandort in einzelnen Bereichen der Versorgungsstrukturen beurteilt und klassifiziert.
Darüber hinaus ist die prospektive Wohnmobilität (Umzugsbereitschaft) der Generation 60plus, insbesondere in Abhängigkeit von den gegebenen Versorgungsstrukturen, Gegenstand der Untersuchung. Es wird erforscht, ob eine erhöhte Wohnmobilität innerhalb dieser Altengeneration, beispielweise mit Wanderungen in innerstädtische Quartiere mit seniorengerechten Versorgungsstrukturen und Wohnungsangeboten, nachzuweisen ist.
Für von dem demographischen Alterungsprozess betroffene suburbane Siedlungsräume sind zumeist noch keine, auf eine ganzheitliche Strategie ausgerichtete kommunale Entwicklungskonzepte entworfen worden, welche öffentlichen und privatwirtschaftlichen Akteuren Optionen aufzeigen, wie eine bedarfs- und seniorengerechte Planung in den Bereichen Nahversorgung, medizinische Versorgung, Mobilität und Wohnen in Zukunft gestaltet werden kann. Die Konzeption geeigneter Entwicklungsstrategien soll die Qualität suburbaner Wohnstandorte für ältere Menschen erhöhen, eine selbstständige und selbstbestimmte Lebensführung im Alter und einem möglichst langen Verbleib im angestammten Wohnquartier und der Kommune ermöglichen und potentiell auftretende Abwanderungstendenzen der Bevölkerungsgruppe 60plus entgegenwirken.
Die aus den Zielsetzungen abgeleiteten Forschungsfragen werden einerseits mittels einer sekundärstatistischen und andererseits durch eine empirische Untersuchung in 16 Kommunen im Landkreis Mainz-Bingen im Umland der rheinland-pfälzischen Landeshauptstadt Mainz beant-wortet. Die Untersuchungseinheit im Rahmen der empirischen Arbeiten bilden Haushalte der Jahrgänge 1945-1953, so dass im Erhebungsjahr 2014 dies die Gruppe der 60- bis 69-Jährigen einschließt. Die empirische Untersuchung in den 16 Kommunen wurde anhand einer teilstandardisierten postalischen Befragung vorgenommen. Insgesamt sind im Rahmen der Erhebung 3.942 Fragebögen an Haushalte versendet worden (Vollerhebung). Die Rücklaufquote beträgt mit insgesamt 2.002 ausgefüllten Fragebögen 51 %.
Aufbauend auf den empirischen Ergebnissen der sekundärstatistischen und empirischen Untersuchung der Auswirkungen von suburbanen Raumstrukturen auf Wohnstandortentscheidungen der Bevölkerungsgruppe 60plus und der Beantwortung der Forschungsfragen werden zunächst zentrale Forschungserkenntnisse zusammengefasst und Schlussfolgerungen für den ausgewählten Untersuchungsraum gezogen. Das Ziel liegt in einer induktiven Herausarbeitung von allgemeinen Handlungsbedarfen für die Planungspraxis, die generell in suburbanen Siedlungs-gebieten vor dem Hintergrund der Auswirkungen der demographischen Alterung virulent sind und in der Konsequenz zu einer Erhöhung der Wohnmobilität älterer Bevölkerungsgruppen führen können.
Anschließend werden, auf der Ableitung von allgemeinen Handlungsbedarfen für die Raumplanung aufbauend, übergeordnete Strategien zur Gestaltung und Anpassung eines seniorengerechten Versorgungs- und Wohnraumangebotes in suburbanen Siedlungsgebieten in Deutschland aufgezeigt. Das Ziel liegt in der Ermöglichung einer selbstständigen und selbstbestimmten Lebensführung im Alter und einem möglichst langen Verbleib im angestammten Wohnquartier und der Kommune, in der Erhöhung der Qualität suburbaner Wohnstandorte für ältere Menschen und in dem Entgegenwirken potentiell auftretenden Abwanderungstendenzen der Bevölkerungsgruppe 60plus.
Reading as a cultural skill is acquired over a long period of training. This thesis supports the idea that reading is based on specific strategies that result from modification and coordination of earlier developed object recognition strategies. The reading-specific processing strategies are considered to be more analytic compared to object recognition strategies, which are described as holistic. To enable proper reading skills these strategies have to become automatized. Study 1 (Chapter 4) examined the temporal and visual constrains of letter recognition strategies. In the first experiment two successively presented stimuli (letters or non-letters) had to be classified as same or different. The second stimulus could either be presented in isolation or surrounded by a shape, which was either similar (congruent) or different (incongruent) in its geometrical properties to the stimulus itself. The non-letter pairs were presented twice as often as the letter pairs. The results demonstrated a preference for the holistic strategy also in letters, even if the non- letter set was presented twice as often as the letter set, showing that the analytic strategy does not replace the holistic one completely, but that the usage of both strategies is task-sensitive. In Experiment 2, we compared the Global Precedence Effect (GPE) for letters and non-letters in central viewing, with the global stimulus size close to the functional visual field in whole word reading (6.5◦ of visual angle) and local stimuli close to the critical size for fluent reading of individual letters (0.5◦ of visual angle). Under these conditions, the GPE remained robust for non-letters. For letters, however, it disappeared: letters showed no overall response time advantage for the global level and symmetric congruence effects (local-to-global as well as global-to-local interference). These results indicate that reading is based on resident analytic visual processing strategies for letters. In Study 2 (Chapter 5) we replicated the latter result with a large group of participants as part of a study in which pairwise associations of non-letters and phonological or non-phonological sounds were systematically trained. We investigated whether training would eliminate the GPE also for non-letters. We observed, however, that the differentiation between letters and non-letter shapes persists after training. This result implies that pairwise association learning is not sufficient to overrule the process differentiation in adults. In addition, subtle effects arising in the letter condition (due to enhanced power) enable us to further specify the differentiation in processing between letters and non-letter shapes. The influence of reading ability on the GPE was examined in Study 3 (Chapter 6). Children with normal reading skills and children with poor reading skills were instructed to detect a target in Latin or Hebrew Navon letters. Children with normal reading skills showed a GPE for Latin letters, but not for Hebrew letters. In contrast, the dyslexia group did not show GPE for either kind of stimuli. These results suggest that dyslexic children are not able to apply the same automatized letter processing strategy as children with normal reading skills do. The difference between the analytic letter processing and the holistic non-letter processing was transferred to the context of whole word reading in Study 4 (Chapter 7). When participants were instructed to detect either a letter or a non-letter in a mixed character string, for letters the reaction times and error rates increased linearly from the left to the right terminal position in the string, whereas for non-letters a symmetrical U-shaped function was observed. These results suggest, that the letter-specific processing strategies are triggered automatically also for more word-like material. Thus, this thesis supports and expands prior results of letter-specific processing and gives new evidences for letter-specific processing strategies.
Synapses play a central role in the information propagation in the nervous system. A better understanding of synaptic structures and processes is vital for advancing nervous disease research. This work is part of an interdisciplinary project that aims at the quantitative examination of components of the neuromuscular junction, a synaptic connection between a neuron and a muscle cell.
The research project is based on image stacks picturing neuromuscular junctions captured by modern electron microscopes, which permit the rapid acquisition of huge amounts of image data at a high level of detail. The large amount and sheer size of such microscopic data makes a direct visual examination infeasible, though.
This thesis presents novel problem-oriented interactive visualization techniques that support the segmentation and examination of neuromuscular junctions.
First, I introduce a structured data model for segmented surfaces of neuromuscular junctions to enable the computational analysis of their properties. However, surface segmentation of neuromuscular junctions is a very challenging task due to the extremely intricate character of the objects of interest. Hence, such problematic segmentations are often performed manually by non-experts and thus requires further inspection.
With NeuroMap, I develop a novel framework to support proofreading and correction of three-dimensional surface segmentations. To provide a clear overview and to ease navigation within the data, I propose the surface map, an abstracted two-dimensional representation using key features of the surface as landmarks. These visualizations are augmented with information about automated segmentation error estimates. The framework provides intuitive and interactive data correction mechanisms, which in turn permit the expeditious creation of high-quality segmentations.
While analyzing such segmented synapse data, the formulation of specific research questions is often impossible due to missing insight into the data. I address this problem by designing a generic parameter space for segmented structures from biological image data. Furthermore, I introduce a graphical interface to aid its exploration, combining both parameter selection as well as data representation.
Knowing the extent to which we rely on technology one may think that correct programs are nowadays the norm. Unfortunately, this is far from the truth. Luckily, possible reasons why program correctness is difficult often come hand in hand with some solutions. Consider concurrent program correctness under Sequential Consistency (SC). Under SC, instructions of each program's concurrent component are executed atomically and in order. By using logic to represent correctness specifications, model checking provides a successful solution to concurrent program verification under SC. Alas, SC’s atomicity assumptions do not reflect the reality of hardware architectures. Total Store Order (TSO) is a less common memory model implemented in SPARC and in Intel x86 multiprocessors that relaxes the SC constraints. While the architecturally de-atomized execution of stores under TSO speeds up program execution, it also complicates program verification. To be precise, due to TSO’s unbounded store buffers, a program’s semantics under TSO might be infinite. This, for example, turns reachability under SC (a PSPACE-complete task) into a non-primitive-recursive-complete problem under TSO. This thesis develops verification techniques targeting TSO-relaxed programs. To be precise, we present under- and over-approximating heuristics for checking reachability in TSO-relaxed programs as well as state-reducing methods for speeding up such heuristics. In a first contribution, we propose an algorithm to check reachability of TSO-relaxed programs lazily. The under-approximating refinement algorithm uses auxiliary variables to simulate TSO’s buffers along instruction sequences suggested by an oracle. The oracle’s deciding characteristic is that if it returns the empty sequence then the program’s SC- and TSO-reachable states are the same. Secondly, we propose several approaches to over-approximate TSO buffers. Combined in a refinement algorithm, these approaches can be used to determine safety with respect to TSO reachability for a large class of TSO-relaxed programs. On the more technical side, we prove that checking reachability is decidable when TSO buffers are approximated by multisets with tracked per address last-added-values. Finally, we analyze how the explored state space can be reduced when checking TSO and SC reachability. Intuitively, through the viewpoint of Shasha-and-Snir-like traces, we exploit the structure of program instructions to explain several state-space reducing methods including dynamic and cartesian partial order reduction.
A wide range of methods and techniques have been developed over the years to manage the increasing
complexity of automotive Electrical/Electronic systems. Standardization is an example
of such complexity managing techniques that aims to minimize the costs, avoid compatibility
problems and improve the efficiency of development processes.
A well-known and -practiced standard in automotive industry is AUTOSAR (Automotive
Open System Architecture). AUTOSAR is a common standard among OEMs (Original Equipment
Manufacturer), suppliers and other involved companies. It was developed originally with
the goal of simplifying the overall development and integration process of Electrical/Electronic
artifacts from different functional domains, such as hardware, software, and vehicle communication.
However, the AUTOSAR standard, in its current status, is not able to manage the problems
in some areas of the system development. Validation and optimization process of system configuration
handled in this thesis are examples of such areas, in which the AUTOSAR standard
offers so far no mature solutions.
Generally, systems developed on the basis of AUTOSAR must be configured in a way that all
defined requirements are met. In most cases, the number of configuration parameters and their
possible settings in AUTOSAR systems are large, especially if the developed system is complex
with modules from various knowledge domains. The verification process here can consume a
lot of resources to test all possible combinations of configuration settings, and ideally find the
optimal configuration variant, since the number of test cases can be very high. This problem is
referred to in literature as the combinatorial explosion problem.
Combinatorial testing is an active and promising area of functional testing that offers ideas
to solve the combinatorial explosion problem. Thereby, the focus is to cover the interaction
errors by selecting a sample of system input parameters or configuration settings for test case
generation. However, the industrial acceptance of combinatorial testing is still weak because of
the deficiency of real industrial examples.
This thesis is tempted to fill this gap between the industry and the academy in the area
of combinatorial testing to emphasizes the effectiveness of combinatorial testing in verifying
complex configurable systems.
The particular intention of the thesis is to provide a new applicable approach to combinatorial
testing to fight the combinatorial explosion problem emerged during the verification and
performance measurement of transport protocol parallel routing of an AUTOSAR gateway. The
proposed approach has been validated and evaluated by means of two real industrial examples
of AUTOSAR gateways with multiple communication buses and two different degrees of complexity
to illustrate its applicability.
This thesis deals with risk measures based on utility functions and time consistency of dynamic risk measures. It is therefore aimed at readers interested in both, the theory of static and dynamic financial risk measures in the sense of Artzner, Delbaen, Eber and Heath [7], [8] and the theory of preferences in the tradition of von Neumann and Morgenstern [134].
A main contribution of this thesis is the introduction of optimal expected utility (OEU) risk measures as a new class of utility-based risk measures. We introduce OEU, investigate its main properties, and its applicability to risk measurement and put it in perspective to alternative risk measures and notions of certainty equivalents. To the best of our knowledge, OEU is the only existing utility-based risk measure that is (non-trivial and) coherent if the utility function u has constant relative risk aversion. We present several different risk measures that can be derived with special choices of u and illustrate that OEU reacts in a more sensitive way to slight changes of the probability of a financial loss than value at risk (V@R) and average value at risk.
Further, we propose implied risk aversion as a coherent rating methodology for retail structured products (RSPs). Implied risk aversion is based on optimal expected utility risk measures and, in contrast to standard V@R-based ratings, takes into account both the upside potential and the downside risks of such products. In addition, implied risk aversion is easily interpreted in terms of an individual investor's risk aversion: A product is attractive (unattractive) for an investor if its implied risk aversion is higher (lower) than his individual risk aversion. We illustrate this approach in a case study with more than 15,000 warrants on DAX ® and find that implied risk aversion is able to identify favorable products; in particular, implied risk aversion is not necessarily increasing with respect to the strikes of call warrants.
Another main focus of this thesis is on consistency of dynamic risk measures. To this end, we study risk measures on the space of distributions, discuss concavity on the level of distributions and slightly generalize Weber's [137] findings on the relation of time consistent dynamic risk measures to static risk measures to the case of dynamic risk measures with time-dependent parameters. Finally, this thesis investigates how recursively composed dynamic risk measures in discrete time, which are time consistent by construction, can be related to corresponding dynamic risk measures in continuous time. We present different approaches to establish this link and outline the theoretical basis and the practical benefits of this relation. The thesis concludes with a numerical implementation of this theory.
Urban quality of life is currently conceptualized in principally economic terms. As the decline in manufacturing activities, the rise of the service and knowledge economy, the growing importance of accessibility and globalizing processes continue to reconfigure the economic competition between cities, quality of life enters the discourse primarily as a means to attract high-skilled workers and improve the city’s economic prospects. Local governments increasingly seek partnerships with local and foreign capital, reorganizing institutions and tasks to attract capital, including the “selling of place”, strengthening place promotion and marketing efforts. The rhetoric clearly welcomes wealthy, creative, high-skilled people, disadvantaged and low skilled groups receive less attention in the making of places. Especially with respect to inner city areas, high quality of life is promoted as spaces for ‘clean’ and convenient consumption with positive atmospheres and shiny images.
Yet, a plethora of theoretical engagements with urban everyday live reminds us that, while on the one hand, variety of jobs, quality of public spaces, range of shops and services, cultural facilities and public transport are important place characteristics, more subjective aspects such as safe neighbourhoods, well-being, community prospects, social cohesion, happiness, satisfaction and social and spatial justice are equally crucial determinants of urban quality of life. These elements of urban quality of life – and how they are experienced by diverse formations of urban inhabitants – seem to be absent from, if not at odds with, the dominant discourse in rankings, policy and practice. Urban life, social cohesion and complexity are at risk in the dynamics of modernization and adaptation strategies of cities. Gentrification, the occupation of inner-city districts by hyper-rich people, segregation and displacement of lower and middle classes can be observed as a consequence of these long-lasting strategies.
Well-known sociologists and geographers from the UK and Germany have presented their insights on the matter and debate theoretical and empirical attempts to capture the dynamics of urban processes in shaping the quality of life.
This Ph.D. project as a landscape research practice focuses on the less widely studied aspects of urban agriculture landscape and its application in recreation and leisure, as well as landscape beautification. I research on the edible landscape planning and design, its criteria, possibilities, and traditional roots for the particular situation of Iranian cities and landscapes. The primary objective is preparing a conceptual and practical framework for Iranian professions to integrate the food landscaping into the new greenery and open spaces developments. Furthermore, finding the possibilities of synthesis the traditional utilitarian gardening with the contemporary pioneer viewpoints of agricultural landscapes is the other significant proposed achievement.
Finished tasks and list of achieved results:
• Recognition the software and hardware principles of designing the agricultural landscape based on the Persian gardens
• Multidimensional identity of agricultural landscape in Persian gardens
• Principles of architectural integration and the characteristics of the integrative landscape in Persian gardens
• Distinctive characteristics of agricultural landscape in Persian garden
• Introducing the Persian and historical gardens as the starting point for reentering the agricultural phenomena into the Iranian cities and landscape
• Assessment the structure of Persian gardens based on the new achievements and criteria of designing the urban agriculture
• Investigate the role of Persian gardens in envisioning the urban agriculture in
Iranian cities’ landscape.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind in der Luftfahrt etabliert, wohingegen andere
Branchen diese aufgrund der hohen Kosten nur zögerlich einsetzen. Die hohen Betriebskosten
von Flugzeugen, die sich vorrangig durch Leichtbau reduzieren lassen,
erlauben kostenintensivere Lösungen als die Kostenstrukturen in anderen Branchen.
Die Mehrkosten sind neben dem Leichtbau der entscheidende Faktor für den Einsatz
von FKV-Strukturen außerhalb der Luftfahrtbranche. Während in der Luftfahrtbranche
üblicherweise Niete zur Krafteinleitung eingesetzt werden und diese nur eine
Demontage eines Bauteils durch Aufbohren zulassen, genügen Niete den Ansprüchen
anderer Branchen nicht, da ein hoher Demontageaufwand durch das Aufbohren
hohe Kosten mit sich zieht. Aus diesem Grund erfordert es preisgünstige und qualitative
Lösungen, die eine lösbare Verbindung ermöglichen. In den meisten Branchen
werden daher, im Gegensatz zur Luftfahrt, traditionell reibschlüssige Schraubenverbindungen
für metallische Bauteile verwendet. Für reibschlüssige Schraubenverbindungen,
die zur Krafteinleitung in FKV-Strukturen genutzt werden, sind dem Stand
der Forschung nach kaum Erkenntnisse vorhanden.
Daher ist es Gegenstand dieser Arbeit aufzuzeigen, wie durch eine Erhöhung des
Reibwerts bei reibschlüssigen Krafteinleitungen in FKV-Bauteilen eine Verbesserung
der statischen und zyklischen Verbindungsfestigkeit erreicht werden kann. Um den
zuverlässigen Einsatz von reibschlüssigen Schraubenverbindungen zu ermöglichen,
werden außerdem die maximal zulässige Flächenpressung und der Vorspannkraftverlust
an FKV-Proben ermittelt. Dabei bilden experimentelle Ergebnisse eine Basis,
anhand derer aufgezeigt wird, inwieweit analytische Modelle genutzt werden können,um die reibschlüssige Krafteinleitung in FKV abzubilden.
Zunächst wird der Haftreibwert zwischen Stahl und FKV experimentell untersucht,
um Konzepte zur Steigerung des Reibwerts zu quantifizieren. Durch die experimentelle
Ermittlung einer maximal zulässigen Flächenpressung für die verwendeten FKVMaterialien
werden Schädigungen infolge zu hoher Vorspannkräfte vermieden. Dazu
werden FKV- Proben mit einem Stempel belastet und mit Hilfe der Schallemissionsmethode
Schädigungen detektiert, zu dem Zweck eine Belastungsgrenze zu definieren. Versuche zur Bestimmung des Vorspannkraftverlusts an FKV-Proben zeigen,
dass die Vorspannkraft durch Setzen und Kriechen zwar reduziert wird, dies aber in
vertretbarem Maße. Darüber hinaus lässt sich in den Versuchen beobachten, dass
das Setzen deutlich von der Oberflächenbeschaffenheit bestimmt wird. Um die Einflüsse
des Matrixwerkstoffs, des Reibwerts, der Passung und der Vorspannkraft auf
die Kraftübertragung in der Schraubverbindung zu prüfen, werden außerdem
doppellaschige Zugscherversuche durchgeführt.
An geklemmten FKV-Bauteilen im Fahrradbau lassen sich Defizite bei der Auslegung
dieser Bauteile und ihrer Anbindungstechnologie feststellen. Da der Verbindung zwischen
Vorbau und Gabelschaft besondere sicherheitsrelevante Bedeutung zukommt,
wird eine marktübliche Gabelschaft-Vorbau-Klemmung im Rahmen dieser Arbeit experimentell
und numerisch auf die Belastungen durch die Montage sowie im Betrieb
untersucht. Es kann dargelegt werden, dass ein komplexer Belastungszustand in der
genannten Klemmverbindung vorliegt, der numerisch abgebildet werden kann. Auf
Basis des validierten Finite-Element-Modells kann gezeigt werden, dass die Steigerung
des Reibwerts ein deutliches Potential aufweist um die Werkstoffanstrengung
zu reduzieren. Zur experimentellen Absicherung dieser Beobachtung, werden quasistatische
und zyklische Untersuchungen an Vorbau-Gabelschaft-Baugruppen durchgeführt,
bei denen der Reibwert durch die Applikation von Schmierfett und
Carbonmontagepaste variiert wird. Durch die Verwendung von Carbonmontagepaste
bzw. bei einem höheren Reibwert steigt sowohl die quasi-statische Festigkeit als
auch die Lebensdauer im Vergleich zum Einsatz von Schmierfett deutlich an.
Fiber reinforced plastics (FRP) are well established materials in the aviation industry,
whereas in other industries these materials are not yet this commonly used due to
the comparatively high costs. The high operating costs of aircrafts can be reduced
primarily through lightweight design, which allows the choice of more expensive solutions
than in other industries. The additional costs are beside the weight savings the
deciding factor for the use of FRP structures beyond the aviation sector. Since normally
rivets are used in the aviation industry to join components, the dismantling of
these riveted structures needs drilling. Hence rivets are insufficient for the demands
of other sectors due to the high disassembly costs caused by the high disassembly
effort. For this reason affordable solutions that permit an easy disassembly procedure
are essential for a wider application of FRP structures. Therefore – in most sectors
– preloaded bolted joints are used for the assembly of metallic components, in
contrast to aviation. For preloaded bolted joints in combination with FRP structures
almost no information is available by the current state of scientific knowledge
Therefore in this work it is investigated how an improvement of the static and cyclic
connection strength can be achieved by increasing the coefficient of friction at preloaded
bolted joints on FRP components. To enable a reliable application of preloaded
bolted joints the maximum allowable surface pressure and the loss of the preload
force of FRP specimens are determined. Therefore experimental results provide the
basis to study if analytical computation can be used to describe bolted joints on FRP
structures.
The coefficient of friction between steel and FRP is experimentally investigated in
order to quantify concepts that aim to increase the coefficient of friction. An experimental
determination of the maximum permissible surface pressure of the used FRP
materials avoids damage by excessive bolt preload. Therefore FRP specimens are
tested and a simultaneous detection of damage is performed by using the acoustic
emission method.
An experimentalinvestigation of the loss of bolt preload shows that the preload is
reduced by embedding and material relaxation but in an acceptable manner. In addition it can be observed that the embedding of the contact surfaces is significantly dependent
on the surface condition of the specimens. To analyze the influence of the
matrix material, the coefficient of friction, the clearance and the bolt preload to a bolted
joint, double lap tensile shear tests are performed.
Clamped FRP components used on bicycles show shortcomings in the design of these
components and their connection technology. Since the connection between stem
and steerer has a significant impact on safety, a standard stem/steerer connection is
investigated both experimentally and numerically considering the stresses during the
assembling as well as during operation. It can be demonstrated that this connection
has a complex load condition and a finite element analysis can describe this connection
sufficiently. Based on the validated finite element model it can be shown that an
increasing coefficient of friction has a significant potential for the reduction of the material
effort of the FRP steerer.
To validate these theoretical observations, quasi-static and cyclic tests on
stem/steerer assemblies are carried out. Thereby the coefficient of friction is varied
by the application of grease and carbon assembly paste. By the use of carbon assembly
paste (high coefficient of friction) both the quasi-static strength as well as the
operating life increases in comparison to the use of grease (low coefficient of friction).
Die vorliegende Arbeit fasst Erkenntnisse zum Einfluss polarer Alken-Substituenten auf Selektivitäten intramolekularer Alkoxylradikal-Additionen zusammen. Ergänzend zu den eigenen mechanistisch-synthetischen Studien flossen in die Bewertung der Reaktionsverläufe thermodynamische Daten und molekularorbital-theoretische Erkenntnisse ein, die in Kooperation mit Jens Hartung aus Dichtefunktional-Rechnungen abgeleitet wurden.
Die existierende Lehrmeinung beschreibt Sauerstoffradikale in Additionen und Substitutionen als Elektrophile, deren Selektivitäten durch sterische Effekte gesteuert werden. Auf Grundlage dieser Einteilung lassen sich atmosphärische und physiologische Sauerstoffradikal-Reaktionen und das komplementäre Reaktionsverhalten zu ionischen Cyclisierungen von Alkenolen deuten.
Vorläufermoleküle, die Sauerstoffradikale in unverzweigten Kettenreaktionen unter pH-neutralen nicht oxidativen Bedingungen freisetzen, erlaubten in der vorliegenden Arbeit strukturell komplexere Sauerstoffradikale mit hoher Spezifität zu erzeugen und aus den isolierten Produkten ein differenzierteres Bild zur Radikalselektivität abzuleiten. In diesem Bild besitzen Sauerstoffradikale Grenzreaktivität. Gegenüber Akzeptor-substituierten Alkenen treten Sauerstoffradikale als Nucleophile und gegenüber Donor-substituierten Alkenen als Elektrophile auf. Elektrophilie bildet darüber hinaus die Grundlage für einen neuen 2,3-cis-dirigierenden Effekt Allyl-ständiger Akzeptor-Gruppen, in denen der polare Einfluss über den sterischen dominiert.
In einem Projekt zur Synthese von Isomuscarinen, die sich durch Positionierung einer endocyclischen Hydroxy-Gruppe von den Glutamat-abgeleiteten Muscarin-Alkaloiden unterscheiden, fiel eine unerwartete 2,3-cis-Selektivität der 5-Hexen-2-oxylradikal-Cyclisierung auf. Aus sterischen Gründen wäre das 2,3-trans-konfigurierte Produkt favorisiert. 2,3-cis-Selektivität, die sich sowohl bei thermisch als auch photochemisch durchgeführten homolytischen Bromcyclisierungen zum Aufbau von Isomuscarin-Gerüsten zeigte, lässt sich in einem der diastereomeren Radikale durch den konformellen Effekt einer Methylgruppe zu 2,3-trans übersteuern. Die Befunde legen nahe, dass die 2,3-cis-Selektivität aus der kinetischen Reaktionskontrolle der Cyclisierungsreaktion resultiert. Kristallographische Untersuchungen der vier racemischen Isomuscarine und umfangreiche NMR-Studien aus denen sogar 1J(14N,13C) offenkund wurden, stützten die stereochemische Analyse zur Radikalselektivität.
Um die Ursache 2,3-cis-selektiver Radikalcyclisierungen einzugrenzen, wurde in einem zweiten Projekt das Untersuchungssystem auf das Allyl-ständig Hydroxy-substituierte 4-Pentenoxylradikal reduziert. Letzteres liefert in Gegenwart von Bromtrichlormethan das 2,3-cis-Cyclisierungsprodukt in einer Selektivität von 74:26. Da das 2,3-cis- und das 2,3-trans-Stereoisomer des (3-Hydroxytetrahydrofuran-2-yl)methyl-Radikals unter den Reaktions-bedingungen nicht ringöffnen, liegt der 2,3-cis-Selektiviät ein kinetischer Einfluss der Allyl-ständigen Hydroxy-Gruppe zugrunde. Auch Acyloxy-Gruppen in allylischer Position ermöglichen 2,3-cis-selektive 4-Pentenoxylradikal-Cyclisierungen, jedoch mit abweichender Selektivität. Den polaren Effekt überlagert demzufolge der sterische des eingesetzten Substituenten.
Das Zusammenspiel zwischen polarem und sterischem Effekt eines Allyl-ständigen Substituenten gelang es in einem dritten Projekt zu separieren. In diesem Projekt variierte der Allyl-ständige Substituent von Hydroxy, Methoxy, Trifluoracetoxy, Chlor, Benzamido, Benzolsulfonamido, N-Phthalimido zu Benzoylsulfanyl. Entlang dieser Reihe fiel der Anteil 2,3-cis-bromcyclisierter Produkte bei thermisch induzierter Umsetzung der synthetisierten Allyl-substituierten 4-Pentenylthiohydroxamate mit Bromtrichlormethan. In einer Korrelationsanalyse folgt der cis-Anteil an 5-exo-trig-Cyclisierungsprodukt der Stabilisierung der HOMO-Energie, wobei 2-substituierte But-3-ene als Modell-Verbindungen zur Korrelation eingesetzt wurden. Mit zunehmendem sterischen Substituenteneinfluss, ausgedrückt anhand des entsprechenden Winstein-Holness-Parameters, steigt der Anteil 2,3-trans-konfigurierter Cyclisierungsprodukte. 2,3-cis-Selektivität resultiert in dem Modell aus einer Verlangsamung der 2,3-trans-Reaktion durch den stabilisierenden Einfluss eines sterisch möglichst kleinen stark elektronenziehenden Substituenten. Mit zunehmender Stabilisierung des Alkenteils sinkt die Geschwindigkeit der Radikaladdition. Mit zunehmender Raumerfüllung des Allyl-Substituenten wird jedoch das Konformer aus dem die 2,3-cis-Reaktion erreicht werden kann zu energiereich, um nennenswert eine Rolle zu spielen.
Direkt an der Doppelbindung gebundene Substituenten haben einen noch deutlicheren Einfluss auf die Radikalselektivitäten, da sie die Energien von π-Typ-Orbitalen direkt beeinflussen. Alkoxylradikale addieren dabei rascher an eine terminal Cyano-substituierte Doppelbindung als an eine unsubstituierte. Kontrollreaktionen mit einer Radikaluhr zeigten, dass alle Intermediate auf Radikale zurückzuführen sind. Anwenden ließ sich die unerwartete nucleophile Reaktivität in der Synthese einer neuen Tetrahydrofuran-abgeleiteten Aminosäure.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Tiefenfiltration wässriger Suspensionen untersucht. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf der Betrachtung der Druckdifferenz über dem Filtermedium und dem Abscheidegrad. Als Filtermittel werden dabei Vliese betrachtet. Die Zielsetzung der Arbeit besteht darin, einen Beitrag zum besseren Verständnis der Tiefenfiltration zu liefern. Die Erkenntnisse sollen helfen, Tiefenfilter besser auszulegen und Filtermedien gezielter zu entwickeln.
Zunächst werden die grundlegenden Vorgänge der Tiefenfiltration untersucht. Dabei werden die Durchströmung poröser Schichten sowie die der Partikelabscheidung zugrunde liegenden Transport- und Haftmechanismen analysiert. Anschließend werden bestehende Ansätze zur Berechnung des Druckverlustes und der Partikelabscheidung von Tiefenfiltern aufgezeigt.
Um das Filtrationsverhalten von Vliesen experimentell zu untersuchen, wurde ein Prüfstand aufgebaut. An diesem können der Differenzdruck über den Vliesen und die Partikelabscheidung gemessen werden. Die Filtrationsversuche wurden bei konstantem Volumenstrom und konstanter Zusammensetzung der Suspension durchgeführt. Die eingesetzten Partikeln waren mineralischen Ursprungs. Das untersuchte Partikelspektrum lag im Bereich von 1-100 µm. Neben der Filtration wurde auch untersucht, in welchem Umfang mit Partikeln beladene Vliese diese wieder abgeben. Die Ergebnisse der Filtrations- und Ablöseversuche werden vorgestellt und diskutiert.
Auf Grundlage bestehender Berechnungsansätze und der durch die experimentellen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Modell erstellt. Dieses ermöglicht die Berechnung der Partikelabscheidung und der Druckdifferenz auf Basis der Strukturdaten des Vlieses. Die Berechnung kann sowohl für den Beginn der Filtration als auch für den Verlauf der Filtration durchgeführt werden. Bei der Simulation des Verlaufs der Filtration erfolgt dabei eine gekoppelte Berechnung von Partikelabscheidung und Druckverlust. Für die Bestimmung der Partikelabscheidung wurde der Berechnungsansatz der Einzelfaserabscheidung zugrunde gelegt und erweitert. Die erzielten Simulationsergebnisse werden vorgestellt und diskutiert.
Im letzten Teil der Arbeit werden Ergebnisse vorgestellt und diskutiert, die mittels numerischer 3-D-Strömungssimulation erzielt wurden. Dabei wurde die Software DNSlab verwendet. Um die Partikelabscheidung simulieren zu können, wurde ein Abscheidemechanismus entwickelt. Dieser ermittelt die Partikelhaftung auf der Basis einer Kräftebilanz. Als relevante Kräfte wurden Strömungskräfte, Reibungskräfte und van-der-Waals-Kräfte identifiziert.
Membrane proteins are generally soluble only in the presence of detergent micelles or other membrane-mimetic systems, which renders the determination of the protein’s molar mass or oligomeric state difficult. Moreover, the amount of bound detergent varies drastically among different proteins and detergents. However, the type of detergent and its concentration have a great influence on the protein’s structure, stability, and functionality and the success of structural and functional investigations and crystallographic trials. Size-exclusion chromatography, which is commonly used to determine the molar mass of water-soluble proteins, is not suitable for detergent-solubilised proteins because
the protein–detergent complex has a different conformation and, thus, commonly exhibits
a different migration behaviour than globular standard proteins. Thus, calibration curves obtained with standard proteins are not useful for membrane-protein analysis. However,
the combination of size-exclusion chromatography with ultraviolet absorbance, static light scattering, and refractive index detection provides a tool to determine the molar mass of protein–detergent complexes in an absolute manner and allows for distinguishing the contributions of detergent and protein to the complex.
The goal of this thesis was to refine the standard triple-detection size-exclusion chromatography measurement and data analysis procedure for challenging membrane-protein samples, non-standard detergents, and difficult solvents such as concentrated denaturant solutions that were thought to elude routine approaches. To this end, the influence of urea on the performance of the method beyond direct influences on detergents and proteins was investigated with the help of the water-soluble bovine serum albumin. On the basis of
the obtained results, measurement and data analysis procedures were refined for different detergents and protein–detergent complexes comprising the membrane proteins OmpLA and Mistic from Escherichia coli and Bacillus subtilis, respectively.
The investigations on mass and shape of different detergent micelles and the compositions of protein–detergent complexes in aqueous buffer and concentrated urea solutions
showed that triple-detection size-exclusion chromatography provides valuable information
about micelle masses and shapes under various conditions. Moreover, it is perfectly suited for the straightforward analysis of detergent-suspended proteins in terms of composition and oligomeric state not only under native but, more importantly, also under denaturing conditions.
Towards A Non-tracking Web
(2016)
Today, many publishers (e.g., websites, mobile application developers) commonly use third-party analytics services and social widgets. Unfortunately, this scheme allows these third parties to track individual users across the web, creating privacy concerns and leading to reactions to prevent tracking via blocking, legislation and standards. While improving user privacy, these efforts do not consider the functionality third-party tracking enables publishers to use: to obtain aggregate statistics about their users and increase their exposure to other users via online social networks. Simply preventing third-party tracking without replacing the functionality it provides cannot be a viable solution; leaving publishers without essential services will hurt the sustainability of the entire ecosystem.
In this thesis, we present alternative approaches to bridge this gap between privacy for users and functionality for publishers and other entities. We first propose a general and interaction-based third-party cookie policy that prevents third-party tracking via cookies, yet enables social networking features for users when wanted, and does not interfere with non-tracking services for analytics and advertisements. We then present a system that enables publishers to obtain rich web analytics information (e.g., user demographics, other sites visited) without tracking the users across the web. While this system requires no new organizational players and is practical to deploy, it necessitates the publishers to pre-define answer values for the queries, which may not be feasible for many analytics scenarios (e.g., search phrases used, free-text photo labels). Our second system complements the first system by enabling publishers to discover previously unknown string values to be used as potential answers in a privacy-preserving fashion and with low computation overhead for clients as well as servers. These systems suggest that it is possible to provide non-tracking services with (at least) the same functionality as today’s tracking services.
Software defined radios can be implemented on general purpose processors (CPUs), e.g. based on a PC. A processor offers high flexibility: It can not only be used to process the data samples, but also to control receiver functions, display a waterfall or run demodulation software. However, processors can only handle signals of limited bandwidth due to their comparatively low processing speed. For signals of high bandwidth the SDR algorithms have to be implemented as custom designed digital circuits on an FPGA chip. An FPGA provides a very high processing speed, but also lacks flexibility and user interfaces. Recently the FPGA manufacturer Xilinx has
introduced a hybrid system on chip called Zynq, that combines both approaches. It features a dual ARM Cortex-A9 processor and an FPGA, that offer the flexibility of a processor with the processing speed of an FPGA on a single chip. The Zynq is therefore very interesting for use in SDRs. In this paper the
application of the Zynq and its evaluation board (Zedboard) will be discussed. As an example, a direct sampling receiver has been implemented on the Zedboard using a high-speed 16 bit ADC with 250 Msps.
Functional data analysis is a branch of statistics that deals with observations \(X_1,..., X_n\) which are curves. We are interested in particular in time series of dependent curves and, specifically, consider the functional autoregressive process of order one (FAR(1)), which is defined as \(X_{n+1}=\Psi(X_{n})+\epsilon_{n+1}\) with independent innovations \(\epsilon_t\). Estimates \(\hat{\Psi}\) for the autoregressive operator \(\Psi\) have been investigated a lot during the last two decades, and their asymptotic properties are well understood. Particularly difficult and different from scalar- or vector-valued autoregressions are the weak convergence properties which also form the basis of the bootstrap theory.
Although the asymptotics for \(\hat{\Psi}{(X_{n})}\) are still tractable, they are only useful for large enough samples. In applications, however, frequently only small samples of data are available such that an alternative method for approximating the distribution of \(\hat{\Psi}{(X_{n})}\) is welcome. As a motivation, we discuss a real-data example where we investigate a changepoint detection problem for a stimulus response dataset obtained from the animal physiology group at the Technical University of Kaiserslautern.
To get an alternative for asymptotic approximations, we employ the naive or residual-based bootstrap procedure. In this thesis, we prove theoretically and show via simulations that the bootstrap provides asymptotically valid and practically useful approximations of the distributions of certain functions of the data. Such results may be used to calculate approximate confidence bands or critical bounds for tests.
Bei der Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden durch Harzinjektionsverfahren
wird ein textiler Vorformling, die Preform, mit einem Harzsystem imprägniert und
anschließend ausgehärtet. Die Erzeugung der Preform, auch Preforming genannt,
beinhaltet dabei eine Vielzahl an Arbeitsschritten, welche maßgeblich die Kosten des
herzustellenden Bauteils bestimmen. Die Automatisierung des Preformings birgt
daher ein enorm hohes Potential zur Kostenreduzierung. Im Rahmen dieser Arbeit
wurde deshalb ein neues Preforming System entwickelt, welches die kontinuierliche
Herstellung von Profil-Preforms aus textilen Halbzeugen ermöglicht. Erstmalig wurde
dabei zur kontinuierlichen Fixierung die Nähtechnik verwendet, welche ein energieund
zeiteffizientes Preforming zulässt. Allerdings hat sich bei der Herstellung von
Profil-Preforms mit unterschiedlichen textilen Halbzeugen gezeigt, dass die maximal
erreichbare Prozessgeschwindigkeit ohne relative Textilschädigung variiert. Ursache
hierfür ist das Textilverhalten während der Formgebung. Durch die Wahl geeigneter
Material- und Prozessparameter besteht allerdings ein hohes Potential, einen
Preforming Prozess zu optimieren. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, Richtlinien
für Material- und Prozessparameter zu entwickeln, die sowohl eine robuste als auch
effiziente Preformherstellung ermöglichen.
Als kritische Textileigenschaften wurden das Kompaktierungs-, das Reibungs- und
das Biegeverhalten identifiziert. Diese wurden in separaten Parameterstudien
hinsichtlich der Auswirkungen von Materialparametern (z. B. Bindungsart) und
Prozessparametern (z. B. Prozessgeschwindigkeit) untersucht. Die Ergebnisse
konnten anschließend in Richtlinien zusammengefasst werden, welche für eine
prozessorientierte Materialauswahl oder für Prozessmodifikationen beim Preforming
genutzt werden können. Bei der Übertragung auf einen Preforming Prozess muss
jedoch berücksichtigt werden, dass sich Effekte verursacht durch Kompaktierung,
Reibung und Biegung in Abhängigkeit des Faservolumengehaltes der Preforms
überlagern können. Daher wurden anhand einer weiteren Studie dominierende
Textileigenschaften in Abhängigkeit des Ziel-FVG der Profil-Preforms beim
entwickelten Preforming Prozess identifiziert. Abschließend wurden die entwickelten
Richtlinien verifiziert, indem sowohl eine prozessorientierte Materialauswahl als auch
prozessseitig eine Vorkompaktierungseinheit validiert wurden.
Mixed-signal systems combine analog circuits with digital hardware and software systems. A particular challenge is the sensitivity of analog parts to even small deviations in parameters, or inputs. Parameters of circuits and systems such as process, voltage, and temperature are never accurate; we hence model them as uncertain values (‘uncertainties’). Uncertain parameters and inputs can modify the dynamic behavior and lead to properties of the system that are not in specified ranges. For verification of mixed- signal systems, the analysis of the impact of uncertainties on the dynamical behavior plays a central role.
Verification of mixed-signal systems is usually done by numerical simulation. A single numerical simulation run allows designers to verify single parameter values out of often ranges of uncertain values. Multi-run simulation techniques such as Monte Carlo Simulation, Corner Case simulation, and enhanced techniques such as Importance Sampling or Design-of-Experiments allow to verify ranges – at the cost of a high number of simulation runs, and with the risk of not finding potential errors. Formal and symbolic approaches are an interesting alternative. Such methods allow a comprehensive verification. However, formal methods do not scale well with heterogeneity and complexity. Also, formal methods do not support existing and established modeling languages. This fact complicates its integration in industrial design flows.
In previous work on verification of Mixed-Signal systems, Affine Arithmetic is used for symbolic simulation. This allows combining the high coverage of formal methods with the ease-of use and applicability of simulation. Affine Arithmetic computes the propagation of uncertainties through mostly linear analog circuits and DSP methods in an accurate way. However, Affine Arithmetic is currently only able to compute with contiguous regions, but does not permit the representation of and computation with discrete behavior, e.g. introduced by software. This is a serious limitation: in mixed-signal systems, uncertainties in the analog part are often compensated by embedded software; hence, verification of system properties must consider both analog circuits and embedded software.
The objective of this work is to provide an extension to Affine Arithmetic that allows symbolic computation also for digital hardware and software systems, and to demonstrate its applicability and scalability. Compared with related work and state of the art, this thesis provides the following achievements:
1. The thesis introduces extended Affine Arithmetic Forms (XAAF) for the representation of branch and merge operations.
2. The thesis describes arithmetic and relational operations on XAAF, and reduces over-approximation by using an LP solver.
3. The thesis shows and discusses ways to integrate this XAAF into existing modeling languages, in particular SystemC. This way, breaks in the design flow can be avoided.
The applicability and scalability of the approach is demonstrated by symbolic simulation of a Delta-Sigma Modulator and a PLL circuit of an IEEE 802.15.4 transceiver system.
Brasilien ist flächenmäßig das fünftgrößte Land der Welt, mit einer in den letzten Jahrzenten dynamisch wachsenden Bevölkerung von heute mehr als 200 Millionen Einwohnern. Infolge steigender Komfortansprüche ist ein gleichzeitig wachsender Energieverbrauch festzustellen. Bei den aus dem westlichen Ausland übernommenen Architekturen, Konstruktionen und Materialien sind integrierte Klimaanlagen baulicher Standard. Innerhalb staatlicher Wirtschaftsprogramme werden die Bauausführungen für den sozialen Wohnungsbau offiziell standardisiert. Je nach Flächenbedarf und Einkommensverhältnissen bieten die Wohnungsbaugesellschaften den Bewohnern preiswerte und finanzierungsgünstige Standard-Wohneinheiten und -Häuser an, die sogenannte Casa Popular. Dünne Wände führen zur Kostenreduktion, aber auch zur thermisch-ineffizienten Gebäudehülle. Dieses aus pragmatischem Regierungsprogramm abgeleitete Musterhausdenken und die klimazonenunabhängige Struktur und Konstruktion führen aus den verschiedensten Gründen zu ungenügenden Behaglichkeitswerten.
Ein ebenso weit verbreiteter Wohnhaustyp aus der Kolonialzeit, die Casa Térrea (Lehmbau aus dem 17. Jhd.), bot über Jahrhunderte hindurch und bietet bis heute den Familien aus vergleichbaren Verhältnissen adäquaten Wohnraum an. Obwohl der Haustyp in allen acht Klimazonen strukturell und konstruktiv nahezu identisch in ganz Brasilien vorzufinden ist, gelten für diese Häuser im Vergleich zur heutigen Casa Popular bessere Behaglichkeitswerte.
Mit Hilfe der energetisch-dynamischen Simulation wird der Haustyp Casa Popular (zeitgenössischer, standardisierter Haustyp) hinsichtlich der energetischen Effizienz und Behaglichkeit für Standorte für vier von insgesamt acht ausgewählten Klimazonen Brasiliens simuliert und ausgewertet. Untersucht wird, inwieweit der zeitgemäße Wohnungsbau Brasiliens durch architektonisch-konstruktive Maßnahmen thermisch und energetisch effizienter umgesetzt werden kann. Zielsetzung ist es, ein Maximum der Behaglichkeit allein durch passive, energieverbrauchssenkende und wirtschaftliche Maßnahmen zu erreichen.
Magnetic spin-based memory technologies are a promising solution to overcome the incoming limits of microelectronics. Nevertheless, the long write latency and high write energy of these memory technologies compared to SRAM make it difficult to use these for fast microprocessor memories, such as L1- Caches. However, the recent advent of the Spin Orbit Torque (SOT) technology changed the story: indeed, it potentially offers a writing speed comparable to SRAM with a much better density as SRAM and an infinite endurance, paving the way to a new paradigm in processor architectures, with introduction of non- volatility in all the levels of the memory hierarchy towards full normally-off and instant-on processors. This paper presents a full design flow, from device to system, allowing to evaluate the potential of SOT for microprocessor cache memories and very encouraging simulation results using this framework.
By using Gröbner bases of ideals of polynomial algebras over a field, many implemented algorithms manage to give exciting examples and counter examples in Commutative Algebra and Algebraic Geometry. Part A of this thesis will focus on extending the concept of Gröbner bases and Standard bases for polynomial algebras over the ring of integers and its factors \(\mathbb{Z}_m[x]\). Moreover we implemented two algorithms for this case in Singular which use different approaches in detecting useless computations, the classical Buchberger algorithm and a F5 signature based algorithm. Part B includes two algorithms that compute the graded Hilbert depth of a graded module over a polynomial algebra \(R\) over a field, as well as the depth and the multigraded Stanley depth of a factor of monomial ideals of \(R\). The two algorithms provide faster computations and examples that lead B. Ichim and A. Zarojanu to a counter example of a question of J. Herzog. A. Duval, B. Goeckner, C. Klivans and J. Martin have recently discovered a counter example for the Stanley Conjecture. We prove in this thesis that the Stanley Conjecture holds in some special cases. Part D explores the General Neron Desingularization in the frame of Noetherian local domains of dimension 1. We have constructed and implemented in Singular and algorithm that computes a strong Artin Approximation for Cohen-Macaulay local rings of dimension 1.
When designing autonomous mobile robotic systems, there usually is a trade-off between the three opposing goals of safety, low-cost and performance.
If one of these design goals is approached further, it usually leads to a recession of one or even both of the other goals.
If for example the performance of a mobile robot is increased by making use of higher vehicle speeds, then the safety of the system is usually decreased, as, under the same circumstances, faster robots are often also more dangerous robots.
This decrease of safety can be mitigated by installing better sensors on the robot, which ensure the safety of the system, even at high speeds.
However, this solution is accompanied by an increase of system cost.
In parallel to mobile robotics, there is a growing amount of ambient and aware technology installations in today's environments - no matter whether in private homes, offices or factory environments.
Part of this technology are sensors that are suitable to assess the state of an environment.
For example, motion detectors that are used to automate lighting can be used to detect the presence of people.
This work constitutes a meeting point between the two fields of robotics and aware environment research.
It shows how data from aware environments can be used to approach the abovementioned goal of establishing safe, performant and additionally low-cost robotic systems.
Sensor data from aware technology, which is often unreliable due to its low-cost nature, is fed to probabilistic methods for estimating the environment's state.
Together with models, these methods cope with the uncertainty and unreliability associated with the sensor data, gathered from an aware environment.
The estimated state includes positions of people in the environment and is used as an input to the local and global path planners of a mobile robot, enabling safe, cost-efficient and performant mobile robot navigation during local obstacle avoidance as well as on a global scale, when planning paths between different locations.
The probabilistic algorithms enable graceful degradation of the whole system.
Even if, in the extreme case, all aware technology fails, the robots will continue to operate, by sacrificing performance while maintaining safety.
All the presented methods of this work have been validated using simulation experiments as well as using experiments with real hardware.
Combining ultracold atomic gases with the peculiar properties of Rydberg excited atoms gained a lot of theoretical and experimental attention in recent years. Embedded in the ultracold gas, an interaction between the Rydberg atom and the surrounding ground state atoms arises through the scattering of the Rydberg electron from an intruding perturber atom. This peculiar interaction gives rise to a plenitude of previously unobserved effects. Within the framework of the present thesis, this interaction is studied in detail for Rydberg \(P\)-states in rubidium.
Due to their long lifetime, atoms in Rydberg states are subject to scattering with the surrounding ground state atoms in the ultracold cloud. By measuring their lifetime as a function of the ground state atom flux, we are able to obtain the total inelastic scattering cross section as well as the partial cross section for associative ionisation. The fact that the latter is three orders of magnitude larger than the size of the formed molecular
ion indicates the presence of an efficient mass transport mechanism that is mediated by the Rydberg–ground state interaction. The immense acceleration of the collisional process shows a close analogy to a catalytic process. The increase of the scattering cross section renders associative ionisation an important process that has to be considered for experiments in dense ultracold systems.
The interaction of the Rydberg atom with a ground state perturber gives rise to a highly oscillatory potential that supports molecular bound states. These so-called ultralong-range Rydberg molecules are studied with high resolution time-of-flight spectroscopy, where we are able to determine the binding energies and lifetimes of the molecular states between the two fine structure split \(25P\)-states. Inside an electric field, we observe a broadening of the
molecular lines that indicates the presence of a permanent electric dipole moment, induced by the mixing with high angular momentum states. Due to the mixing of the ground state atom’s hyperfine states by the molecular interaction, we are able to observe a spin-flip of the perturber upon creation of a Rydberg molecule. Furthermore, an incidental near-degeneracy in the underlying level scheme of the \(25P\)-state gives rise to highly entangled states between the Rydberg fine structure state and the perturber’s hyperfine structure. These mechanisms can be used to manipulate the quantum state of a remote particle over distances that exceed by far the typical contact interaction range.
Apart from the ultralong-range Rydberg molecules that predominantly consist of only one low angular momentum state, a class of Rydberg molecules is predicted to exist that strongly mixes the high angular momentum states of the degenerate hydrogenic manifolds. These states, the so-called trilobite- and butterfly Rydberg molecules, show very peculiar properties that cannot be observed for conventional molecules. Here we present the first experimental observation of butterfly Rydberg molecules. In addition to an extensive spectroscopy that reveals the binding energy, we are also able to observe the rotational structure of these exotic molecules. The arising pendular states inside an electric field allow us, in comparison to the model of a dipolar rotor, to extract the precise bond
length and dipole moment of the molecule. With the information obtained in the present study, it is possible to photoassociate butterfly molecules with a selectable bond length, vibrational state, rotational state, and orientation inside an electric field.
By shedding light on various previously unrevealed aspects, the experiments presented in this thesis significantly deepen our knowledge on the Rydberg–ground state interaction and the peculiar effects arising from it. The obtained spectroscopic information on Rydberg molecules and the changed reaction dynamics for molecular ion creation will surely provide valuable data for quantum chemical simulations and provide necessary data to plan future experiments. Beyond that, our study reveals that the hyperfine interaction in Rydberg molecules and the peculiar properties of butterfly states provide very promising new ways to alter the short- and long-range interactions in ultracold many-body systems. In this sense the investigated Rydberg–ground state interaction not only lies right at
the interface between quantum chemistry, quantum many-body systems, and Rydberg physics, but also creates many new and fascinating possibilities by combining these fields.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine repräsentative Reihe von Ruthenium- katalysatoren des Typs [(p-Cym)Ru(Cl)(pypm)]Y (pypm = 4-(Pyridin-2-yl)pyrimidin, \( Y^- = BF_4{^-}, BPh_4{^-} \ und \ PF_6{^-} \) dargestellt. Zur Synthese der in 2-Position substituierten Pyrimidinyl- Einheiten wurde eine neue Syntheseroute über SNAr-Reaktionen erschlossen. Die so dargestellten Katalysatoren wurden auf ihr Potential in der rollover-Cyclometallierung untersucht. Durch systematische Variation der Liganden konnten Einflussfaktoren auf die Aktivierungsbarriere der Cyclometallierung über CID ESI-MS-Messungen und DFT- Rechnungen identifiziert und quantifiziert werden und im Folgenden die Aktivierungs- barrieren durch rationales Katalysatordesign erniedrigt werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen konnte das Prinzip der reversiblen rollover-Cyclometallierung als Schlüsselschritt für basenfreie Transferhydrierungen von Ketonen etabliert werden. Die Komplexe wurden darüber hinaus erfolgreich in der mechanistisch sehr ähnlich verlaufenden reduktiven Aminierung von Benzaldehyden etabliert. Durch DFT-Rechnungen und ESI-MS- Untersuchungen konnten die einzelnen Schritte der Katalysezyklen identifiziert und gezielt beeinflusst werden. Es konnten Protokolle erarbeitet werden, die den Einsatz von Basen und Additiven zur Substrat- und Katalysatoraktivierung überflüssig machen und den Einsatz des gleichen Katalysators in beiden Reaktionen ermöglichen. Die Anwendungsbreite beider Reaktionen wurde intensiv untersucht und führte zur Darstellung einer Vielzahl von Produkten, die sich sowohl von ihren elektronischen als auch sterischen Eigenschaften stark unterscheiden.
Die Übertragung der Syntheseroute der Rutheniumkatalysatoren auf die Metalle der Gruppe 9 führte zur erfolgreichen Darstellung weiterer Komplexe. Das Konzept zur Identifizierung katalytisch aktiver Komplexe konnte erfolgreich von den Ruthenium- katalysatoren auf die Metallkomplexe der Cobalttriade übertragen werden. Der Einfluss des Metalls wurde durch ESI-MS CID untersucht und die Aktivierungsbarrieren darauf aufbauend gezielt erniedrigt.
Durch die Darstellung eines zweikernigen Rutheniumkomplexes konnten in der rollover-Cyclometallierung kooperative Effekte beobachtet werden.
Requirements-Aware, Template-Based Protocol Graphs for Service-Oriented Network Architectures
(2016)
Rigidness of the Internet causes its architectural design issues such as interdependencies among the layers, no cross-layer information exchange, and applications dependency on the underlying protocols implementation.
G-Lab (i.e., http://www.german-lab.de/) is a research project for Future Internet Architecture (FIA), which focuses on problems of the Internet such as rigidness, mobility, and addressing. Where the focus of ICSY (i.e., www.icsy) was on providing the flexibility in future network architectures. An approach so-called Service Oriented Network Architecture (SONATE) is proposed to compose the protocols dynamically. SONATE is based on principles of the service-oriented architecture (SOA), where protocols are decomposed in software modules and later they are put together on demand to provide the desired service.
This composition of functionalities can be performed at various time-epochs (e.g., run-time, design-time, deployment-time). However, these epochs have trade-off in terms of the time-complexity (i.e., required setup time) and the provided flexibility. The design-time is the least time critical in comparison to other time phases, which makes it possible to utilize human-analytical capability. However, the design-time lacks the real-time knowledge of requirements and network conditions, what results in inflexible protocol graphs, and they cannot be changed at later stages on changing requirements. Contrary to the design-time, the run-time is most time critical where an application is waiting for a connection to be established, but at the same time it has maximum information to generate a protocol graph suitable to the given requirements.
Considering limitations above of different time-phases, in this thesis, a novel intermediate functional composition approach (i.e., Template-Based Composition) has been presented to generate requirements aware protocol graphs. The template-based composition splits the composition process across different time-phases to exploit the less time critical nature and human-analytical availability of the design-time, ability to instantaneously deploy new functionalities of the deployment time and maximum information availability of the run-time. The approach is successfully implemented , demonstrated and evaluated based on its performance to know the implications for the practical use.
Im Rahmen dieser Arbeit sollten weiterführende Erkenntnisse über die Regulation des Na+/H+-Antiporters AtSOS1 erbracht werden. Die Analyse von Mutanten, die den zytosolischen AtSOS1 C terminus überexprimieren, bestätigte eine im Vergleich zum Wildtyp erhöhte Salztoleranz. Diese Feststellung lässt sich an verschiedenen Beobachtungen festmachen: Unter Salzstressbedingungen i.) akkumulieren die Überexpressionsmutanten deutlich weniger Natrium im Spross, ii.) sie blühen früher, iii.) sie weisen eine geringere Expression des Salz-induzierten Gens wrky25 auf, iv.) sie häufen geringere Mengen „kompatibler Solute“ an und v.) sie speichern weniger Stärke im Vergleich zum Wildtyp.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Überexpression der C-terminalen Domäne des SOS1 zu einer erhöhten Salztoleranz der entsprechenden Mutanten durch erhöhte Aktivierung des endogenen SOS1-Transporters führt. Es lässt sich spekulieren, dass negative Regulatoren des SOS-Signalwegs vom löslichen C-terminus abgefangen werden, wodurch ihre inhibierende Funktion auf das endogene SOS-Netzwerk verloren geht.
Im Gegensatz dazu führt der Verlust des SOS1-Transporters in den sos1 Knockout-Pflanzen zu einer erhöhten Salzsensitivität. Diese Feststellung lässt sich wiederum an verschiedenen Beobachtungen festmachen: Unter Salzstressbedingungen i.) akkumulieren die Knockout-Mutanten deutlich mehr Natrium im Spross sowie vor allem in der Wurzel, ii.) sie blühen verzögert bis gar nicht, iii.) sie weisen eine höhere Expression des Salzstress-Indikatorgens wrky25 auf, iv.) sie häufen große Mengen kompatibler Solute in Form löslicher Zucker an und v.) sie speichern mehr Stärke im Vergleich zum Wildtyp.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Interaktionen zwischen dem SOS1 C terminus und den regulatorischen At14-3-3 Proteinen υ, ω, κ und λ, sowie zwischen AtTST1/AtVIK1 und 14-3-3 κ und λ mittels Bimolekularer Fluoreszenz-Komplementation verifiziert. Sie binden den SOS1 C terminus an der Stelle 1112TRQNTMVESSDEEDEDEG1129, den AtTST1 an der Stelle 361DDGAGDDDDSDNDLR375. Beide Bindemotive weisen einen hohen Anteil negativ geladener Aspartat- und Glutamat-Reste auf. Durch die Analyse von At14 3 3 λκ Knockout-Pflanzen wurden diese Proteine als Signalstoffe im Zuckerhaushalt von A. thaliana identifiziert. Ihr Fehlen führt zu einer Veränderung im „sugar sensing“ bzw. „sugar signaling“. Diese Behauptung lässt sich an verschiedenen Beobachtungen festmachen: Unter Hochzucker-Bedingungen i.) akkumulieren die Knockout-Mutanten mehr Biomasse, ii.) sie akkumulieren weniger Zucker und iii.) sie weisen eine gesteigerte Expression der Glukose-reprimierten Gene cab1 und suc2 auf.
In retail, assortment planning refers to selecting a subset of products to offer that maximizes profit. Assortments can be planned for a single store or a retailer with multiple chain stores where demand varies between stores. In this paper, we assume that a retailer with a multitude of stores wants to specify her offered assortment. To suit all local preferences, regionalization and store-level assortment optimization are widely used in practice and lead to competitive advantages. When selecting regionalized assortments, a tradeoff between expensive, customized assortments in every store and inexpensive, identical assortments in all stores that neglect demand variation is preferable.
We formulate a stylized model for the regionalized assortment planning problem (APP) with capacity constraints and given demand. In our approach, a 'common assortment' that is supplemented by regionalized products is selected. While products in the common assortment are offered in all stores, products in the local assortments are customized and vary from store to store.
Concerning the computational complexity, we show that the APP is strongly NP-complete. The core of this hardness result lies in the selection of the common assortment. We formulate the APP as an integer program and provide algorithms and methods for obtaining approximate solutions and solving large-scale instances.
Lastly, we perform computational experiments to analyze the benefits of regionalized assortment planning depending on the variation in customer demands between stores.
In this thesis, mathematical research questions related to recursive utility and stochastic differential utility (SDU) are explored.
First, a class of backward equations under nonlinear expectations is investigated: Existence and uniqueness of solutions are established, and the issues of stability and discrete-time approximation are addressed. It is then shown that backward equations of this class naturally appear as a continuous-time limit in the context of recursive utility with nonlinear expectations.
Then, the Epstein-Zin parametrization of SDU is studied. The focus is on specifications with both relative risk aversion and elasitcity of intertemporal substitution greater that one. A concave utility functional is constructed and a utility gradient inequality is established.
Finally, consumption-portfolio problems with recursive preferences and unspanned risk are investigated. The investor's optimal strategies are characterized by a specific semilinear partial differential equation. The solution of this equation is constructed by a fixed point argument, and a corresponding efficient and accurate method to calculate optimal strategies numerically is given.
Cells and organelles are enclosed by membranes that consist of a lipid bilayer harboring highly
diverse membrane proteins (MPs). These carry out vital functions, and α-helical MPs, in
particular, are of outstanding pharmacological importance, as they comprise more than half of
all drug targets. However, knowledge from MP research is limited, as MPs require membranemimetic
environments to retain their native structures and functions and, thus, are not readily
amenable to in vitro studies. To gain insight into vectorial functions, as in the case of channels
and transporters, and into topology, which describes MP conformation and orientation in the
context of a membrane, purified MPs need to be reconstituted, that is, transferred from detergent
micelles into a lipid-bilayer system.
The ultimate goal of this thesis was to elucidate the membrane topology of Mistic, which is
an essential regulator of biofilm formation in Bacillus subtilis consisting of four α-helices. The
conformational stability of Mistic has been shown to depend on the presence of a hydrophobic
environment. However, Mistic is characterized by an uncommonly hydrophilic surface, and
its helices are significantly shorter than transmembrane helices of canonical integral MPs.
Therefore, the means by which its association with the hydrophobic interior of a lipid bilayer
is accomplished is a subject of much debate. To tackle this issue, Mistic was produced and
purified, reconstituted, and subjected to topological studies.
Reconstitution of Mistic in the presence of lipids was performed by lowering the detergent
concentration to subsolubilizing concentrations via addition of cyclodextrin. To fully exploit
the advantages offered by cyclodextrin-mediated detergent removal, a quantitative model was
established that describes the supramolecular state of the reconstitution mixture and allows
for the prediction of reconstitution trajectories and their cross points with phase boundaries.
Automated titrations enabled spectroscopic monitoring of Mistic reconstitutions in real time.
On the basis of the established reconstitution protocol, the membrane topology of Mistic was
investigated with the aid of fluorescence quenching experiments and oriented circular dichroism
spectroscopy. The results of these experiments reveal that Mistic appears to be an exception
from the commonly observed transmembrane orientation of α-helical MPs, since it exhibits
a highly unusual in-plane topology, which goes in line with recent coarse-grained molecular
dynamics simulations.
In dieser Arbeit wurde das Experiment von F. Zimmer zur Reduktion von [(Cp´´´Ni(μ-Br)]\( _2 \) 2 nochmals aufgegriffen. Um eine möglichst glatte Reduktion von 2 zu erreichen, wurden verschiedene Reduktionsmittel getestet. Das erste 1,1´,2,2´,4,4´-hexa(tert.-butyl)dinickelocen 3 wurde nach der Reduktion mit Na\( _3 \)Sb\( _7 \) in Pentan isoliert und charakterisiert.
Die CASSCF-Rechnungen in der Gasphase ergaben vier ungepaarten Elektronen im Dinickelocen 3 und einen Triplett-Grundzustand mit einem berechneten Ni-Ni-Abstand von 2,3006 Å. Da die verschiedenen Spinzustände energetisch nahe beieinander liegen, kann zum Grundzustand noch keine sichere Angabe gemacht werden. Der einzige Nettobeitrag zur Ni-Ni-Bindung ergibt sich aus der σ-Bindung aus den beiden 4s-AOs. Nach den Berechnungen sollte die erhaltene XRD-Struktur des freien Dinickelocen-Moleküls 3 nicht linear sein, sondern geknickt vorliegen. Das kann damit erklärt werden, dass das Molekül 3 eine starke agostische Wechselwirkung zwischen einem tert.-Butyl-H des Cp´´´-Liganden eines Nickelatoms und dem anderen Nickelatom ausbildet. Im Kristall kann diese Verzerrung durch Packungseffekte überwunden werden.
Das Dinickelocen 3 reagiert genau wie das Dihydrid 1 mit Kohlenmonoxid unter Bildung des bekannten Carbonylkomplexes [Cp´´´Ni(μ-CO)]\( _2 \) 7. Auch während der Aufnahme der ESI-Massenspektren erwies sich der Komplex [Cp´´´Ni]\( _2 \) 3 als sehr reaktiv.
Der komplexe Ablauf der Reduktionsreaktionen von Na\( _3 \)Sb\( _7 \) und NaH auf [(Cp´´´Ni(μ-Br)]\( _2 \) 2 in Pentan und THF sowie auf [(\( ^4 \)CpNi(μ-Br)]\( _2 \) 11 in Pentan und THF wurden genau untersucht.
Die Beobachtung, dass Pentan während der Reaktion angegriffen wird, wurde als Anlass für weitere Experimente in Tetradecan, Cyclohexan und Hexamethyldisiloxan genommen. Ausführliche Arbeitshypothese von dem Reaktionsablauf der Reduktion von [\( ^4 \)CpNi(μ-Br)]\( _2 \) 11 mit Na\( _3 \)Sb\( _7 \) in Tetradecan, Cyclohexan und Hexamethyldisiloxan wurde erstellt. Die oben genannten Lösungsmittel erwiesen sich als ungeeignet für die selektive Gewinnung des Dinickelocens 18 durch Reduktion von [(\( ^4 \)CpNi(μ-Br)]\( _2 \) 11 mit Na\( _3 \)Sb\( _7 \).
Nach umfangsreichen Untersuchungen gelang es, einen alternativen Weg über [(\( ^4 \)CpNi)\( _2 \)(μ-H)(μ-Br)]-Zwischenstufe 20 zu finden, um Dinickelocen 18 mit größerer Selektivität und in besserer Ausbeute zu gewinnen. Der Anteil des gewünschten Dinickelocens [\( ^4 \)CpNi]\( _2 \) 18 im Reaktionsgemisch konnte dadurch von ca. 6 % auf ca. 58 % erhöht werden. Die maximale Konzentration des [Cp´´´Ni]\( _2 \) 3 erreichte ca. 61 %. Das ist der bislang höchste Anteil der Dinickelocene im Reaktionsgemisch.
Lowering the supply voltage of Static Random-Access Memories (SRAM) is key to reduce power consumption, however since this badly affects the circuit performances, it might lead to various forms of loss of functionality. In this work, we present silicon results showing significant yield improvement, achieved with write and read assist techniques on a 6T high- density bitcell manufactured in 40 nm technology. Data is successfully modeled with an original spice-based method that allows reproducing at high computing efficiency the effects of static negative bitline write assist, the effects of static wordline underdrive read assist, while the effects of read ability losses due to low-voltage operations on the yield are not taken into account in the model.
We present a new approach to handle uncertain combinatorial optimization problems that uses solution ranking procedures to determine the degree of robustness of a solution. Unlike classic concepts for robust optimization, our approach is not purely based on absolute quantitative performance, but also includes qualitative aspects that are of major importance for the decision maker.
We discuss the two variants, solution ranking and objective ranking robustness, in more detail, presenting problem complexities and solution approaches. Using an uncertain shortest path problem as a computational example, the potential of our approach is demonstrated in the context of evacuation planning due to river flooding.
Memory accesses are the bottleneck of modern computer systems both in terms of performance and energy. This barrier, known as "the Memory Wall", can be break by utilizing memristors. Memristors are novel passive electrical components with varying resistance based on the charge passing through the device [1]. In this abstract, the term "memristor" covers also an extension of the definition, memristive devices, which vary their resistance depending on a state variable [2]. While memristors are naturally used as memory cells, they can also be used for other applications, such as logic circuits [3].
We present a novel architecture that redefines the relationship between the memory and the processor by enabling data processing within the memory itself. Our architecture is based on a memristive memory array, in which we perform two basic logic operations: Imply (material implication) [4] and False.
Safety-related Systems (SRS) protect from the unacceptable risk resulting from failures of technical systems. The average probability of dangerous failure on demand (PFD) of these SRS in low demand mode is limited by standards. Probabilistic models are applied to determine the average PFD and verify the specified limits. In this thesis an effective framework for probabilistic modeling of complex SRS is provided. This framework enables to compute the average, instantaneous, and maximum PFD. In SRS, preventive maintenance (PM) is essential to achieve an average PFD in compliance with specified limits. PM intends to reveal dangerous undetected failures and provides repair if necessary. The introduced framework pays special attention to the precise and detailed modeling of PM. Multiple so far neglected degrees of freedom of the PM are considered, such as two types of elementwise PM at arbitrarily variable times. As shown by analyses, these degrees of freedom have a significant impact on the average, instantaneous, and maximum PFD. The PM is optimized to improve the average or maximum PFD or both. A well-known heuristic nonlinear optimization method (Nelder-Mead method) is applied to minimize the average or maximum PFD or a weighted trade-off. A significant improvement of the objectives and an improved protection are achieved. These improvements are achieved via the available degrees of freedom of the PM and without additional effort. Moreover, a set of rules is presented to decide for a given SRS if significant improvements will be achieved by optimization of the PM. These rules are based on the well-known characteristics of the SRS, e.g. redundancy or no redundancy, complete or incomplete coverage of PM. The presented rules aim to support the decision whether the optimization is advantageous for a given SRS and if it should be applied or not.
Human forest modification is among the largest global drivers of terrestrial degradation
of biodiversity, species interactions, and ecosystem functioning. One of the most
pertinent components, forest fragmentation, has a long history in ecological research
across the globe, particularly in lower latitudes. However, we still know little how
fragmentation shapes temperate ecosystems, irrespective of the ancient status quo of
European deforestation. Furthermore, its interaction with another pivotal component
of European forests, silvicultural management, are practically unexplored. Hence,
answering the question how anthropogenic modification of temperate forests affects
fundamental components of forest ecosystems is essential basic research that has
been neglected thus far. Most basal ecosystem elements are plants and their insect
herbivores, as they form the energetic basis of the tropic pyramid. Furthermore, their
respective biodiversity, functional traits, and the networks of interactions they
establish are key for a multitude of ecosystem functions, not least ecosystem stability.
Hence, the thesis at hand aimed to disentangle this complex system of
interdependencies of human impacts, biodiversity, species traits and inter-species
interactions.
The first step lay in understanding how woody plant assemblages are shaped by
human forest modification. For this purpose, field investigations in 57 plots in the
hyperfragmented cultural landscape of the Northern Palatinate highlands (SW
Germany) were conducted, censusing > 4,000 tree/shrub individuals from 34 species.
Use of novel, integrative indices for different types of land-use allowed an accurate
quantification of biotic responses. Intriguingly, woody tree/shrub communities reacted
strikingly positive to forest fragmentation, with increases in alpha and beta diversity,
as well as proliferation of heat/drought/light adapted pioneer species. Contrarily,
managed interior forests were homogenized/constrained in biodiversity, with
dominance of shade/cold adapted commercial tree species. Comparisons with recently
unmanaged stands (> 40 a) revealed first indications for nascent conversion to oldgrowth
conditions, with larger variability in light conditions and subsequent
community composition. Reactions to microclimatic conditions, the relationship
between associated species traits and the corresponding species pool, as well as
facilitative/constraining effects by foresters were discussed as underlying mechanisms.
Reactions of herbivore assemblages to forest fragmentation and the subsequent
changes in host plant communities were assessed by comprehensive sampling of >
1,000 live herbivores from 134 species in the forest understory. Diversity was –
similarly to plant communities - higher in fragmentation affected habitats, particularly
in edges of continuous control forests. Furthermore, average trophic specialization
showed an identical pattern. Mechanistically, benefits from microclimatic conditions,
host availability, as well as pronounced niche differentiation are deemed responsible.
While communities were heterogeneous, with no segregation across habitats, (smallforest fragments, edges, and interior of control forests), vegetation diversity, herbivore
diversity, as well as trophic specialization were identified to shape community
composition. This probably reflected a gradient from generalistic/species poor vs.
specialist/species rich herbivore assemblages.
Insect studies conducted in forest systems are doomed to incompleteness
without considering ‘the last biological frontier’, the tree canopies. To access their
biodiversity, relationship to edge effects, and their conservational value, the
arboricolous arthropod fauna of 24 beech (Fagus sylvatica) canopies was sampled via
insecticidal knockdown (‘fogging’). This resulted in an exhaustive collection of > 46,000
specimens from 24 major taxonomic/functional groups. Abundance distributions were
markedly negative exponential, indicating high abundance variability in tree crowns.
Individuals of six pertinent orders were identified to species level, returning > 3,100
individuals from 175 species and 52 families. This high diversity did marginally differ
across habitats, with slightly higher species richness in edge canopies. However,
communities in edge crowns were noticeably more heterogeneous than those in the
forest interior, possibly due to higher variability in environmental edge conditions. In
total, 49 species with protective value were identified, of which only one showed
habitat preferences (for near-natural interior forests). Among them, six species (all
beetles, Coleoptera) were classified as ‘priority species’ for conservation efforts. Hence,
beech canopies of the Northern Palatinate highlands can be considered strongholds of
insect biodiversity, incorporating many species of particular protective value.
The intricacy of plant-herbivore interaction networks and their relationship to
forest fragmentation is largely unexplored, particularly in Central Europe. Illumination
of this matter is all the more important, as ecological networks are highly relevant for
ecosystem stability, particularly in the face of additional anthropogenic disturbances,
such as climate change. Hence, plant-herbivore interaction networks (PHNs) were
constructed from woody plants and their associated herbivores, sampled alive in the
understory. Herbivory verification was achieved using no-choice-feeding assays, as well
as literature references. In total, networks across small forest fragments, edges, and
the forest interior consisted of 696 interactions. Network complexity and trophic niche
redundancy were compared across habitats using a rarefaction-like resampling
procedure. PHNs in fragmentation affected forest habitats were significantly more
complex, as well as more redundant in their realized niches, despite being composed of
relatively more specialist species. Furthermore, network robustness to climate change
was quantified utilizing four different scenarios for climate change susceptibility of
involved plants. In this procedure, remaining herbivores in the network were measured
upon successive loss of their host plant species. Consistently, PHNs in edges (and to a
smaller degree in small fragments) withstood primary extinction of plant species
longer, making them more robust. This was attributed to the high prevalence of
heat/drought-adapted species, as well as to beneficial effects of network topography
(complexity and redundancy). Consequently, strong correlative relationships were
found between realized niche redundancy and climate change robustness of PHNs.
This was both the first time that biologically realistic extinctions (instead of e.g.random extinctions) were used to measure network robustness, and that topographical
network parameters were identified as potential indicators for network robustness
against climate change.
In synthesis, in the light of global biotic degradation due to human forest
modification, the necessity to differentiate must be claimed. Ecosystems react
differently to anthropogenic disturbances, and it seems the particular features present
in Central European forests (ancient deforestation, extensive management, and, most
importantly, high richness in open-forest plant species) cause partly opposed patterns
to other biomes. Lenient microclimates and diverse plant communities facilitate
equally diverse herbivore assemblages, and hence complex and robust networks,
opposed to the forest interior. Therefore, in the reality of extensively used cultural
landscapes, fragmentation affected forest ecosystems, particularly forest edges, can be
perceived as reservoir for biodiversity, and ecosystem functionality. Nevertheless, as
practically all forest habitats considered in this thesis are under human cultivation,
recommendations for ecological enhancement of all forest habitats are discussed.
Periodisch mesoporöse Organokieselgele (PMOs) sind anorganisch-organische Hybridmaterialien, die aus organischen Brückenmolekülen R, z. B. Phenyleneinheiten, und diese verbindende, glasartigen Si-O-Si-Einheiten aufgebaut sind. Formal bestehen sie aus [O\(_1\)\(_,\)\(_5\)Si-R-SiO\(_1\)\(_,\)\(_5\)]-Einheiten. Sie verbinden die Möglichkeiten über organische Synthesechemie Veränderungen an den Brückenmolekülen durchzuführen mit der Beständigkeit von Silikaten gegenüber thermischen und chemischen Einflüssen. Durch strukturgebende Template werden sie mit Mesoporen dargestellt und erhalten so neben einer sehr engen Porenradienverteilung auch eine sehr hohe spezifische Oberfläche im Bereich von 500-1000 m\(^2\)/g.
Die vorliegende Arbeit berichtet über die Modifikation von Phenylen-PMOs auf zwei grundverschiedene Arten. Die erste ist die Pfropfungsmethode, bei der reaktive Si-OH-Gruppen auf der Oberfläche des PMOs dazu genutzt werden, an Alkoxysilylgruppen gebundene funktionelle Gruppen auf die Oberfläche aufzubringen. Die zweite Art ist die Aromatenchemie, mit der die verbrückende Phenylengruppe modifiziert werden kann. Erfolgreich auf die Oberfläche eines PMOs aufgebracht wurden Diaminomethyl-, Mercapto-, Isocyanat- und eine neu synthetisierte \(\it N\),\(\it N\)-Bis(diphenylphosphinomethyl)amingruppe. Die Mercapto- und die \(\it N\),\(\it N\)-Bis(diphenylphosphinomethyl)amingruppe wurden im Folgenden genutzt um die katalytisch aktiven Metalle Quecksilber und Rhodium zu binden. Die so dargestellten, heterogenisierten Katalysatoren wurden in Testreaktionen eingesetzt und mit ihren Homogenvarianten verglichen. Die immobilisierten Varianten verzeichneten insgesamt eine Abnahme der katalytischen Aktivität, boten allerdings auch niedrige Abgabewerte der Metalle an die Reaktionslösung. Außerdem heterogenisiert wurde Acridon, ein extrem stark fluoreszierenden Molekül mit hoher Quantenausbeute über die Anbindung an eine Isocyanatgruppe. Fluoreszenzmessungen ergaben die Veränderung des Absorptionsspektrums. Im Rahmen des MAGNENZ Forschungskollegs wurde nach einer Möglichkeit gesucht, ein Trägermaterial so zu verändern, dass es magnetisch abtrennbar ist. Durch Einbau von superparamagnetischen Maghemitnanopartikeln in den Phenylen-PMO konnte dieses Ziel verwirklicht werden. Das resultierende Material reagiert empfindlicher auf die Anwesenheit von Säuren, behält aber seine Resistenz gegenüber thermischen Einwirkungen und kann weiterhin in allen üblichen Lösungsmitteln eingesetzt werden. Das letzte Kapitel behandelt die gefundenen Kristallstrukturen von Methantrisulfonsäure, einer Säure die ebenfalls für das Forschungskolleg MAGNENZ von Interesse war.
We propose a multiscale model for tumor cell migration in a tissue network. The system of equations involves a structured population model for the tumor cell density, which besides time and
position depends on a further variable characterizing the cellular state with respect to the amount
of receptors bound to soluble and insoluble ligands. Moreover, this equation features pH-taxis and
adhesion, along with an integral term describing proliferation conditioned by receptor binding. The
interaction of tumor cells with their surroundings calls for two more equations for the evolution of
tissue fibers and acidity (expressed via concentration of extracellular protons), respectively. The
resulting ODE-PDE system is highly nonlinear. We prove the global existence of a solution and
perform numerical simulations to illustrate its behavior, paying particular attention to the influence
of the supplementary structure and of the adhesion.
We propose and analyze a multiscale model for acid-mediated tumor invasion
accounting for stochastic effects on the subcellular level.
The setting involves a PDE of reaction-diffusion-taxis type describing the evolution of the tumor cell density,
the movement being directed towards pH gradients in the local microenvironment,
which is coupled to a PDE-SDE system characterizing the
dynamics of extracellular and intracellular proton concentrations, respectively.
The global well-posedness of the model is shown and
numerical simulations are performed in order to illustrate the solution behavior.
This thesis investigates the electromechanic coupling of dielectric elastomers for the static and dynamic case by numerical simulations. To this end, the fundamental equations of the coupled field problem are introduced and the discretisation procedure for the numerical implementation is described. Furthermore, a three field formulation is proposed and implemented to treat the nearly incompressible behaviour of the elastomer. Because of the reduced electric permittivity of the material, very high electric fields are required for actuation purposes. To improve the electromechanic coupling a heterogeneous microstructure consisting of an elastomer matrix with barium titanate inclusions is proposed and studied.
This work introduces a promising concept for the preparation of new nano-sized receptors. Mixed monolayer protected gold nanoparticles (AuNPs) for low molecular weight compounds were prepared featuring functional groups on their surfaces. It has been shown that these AuNPs can engage in interactions with peptides in aqueous media. Quantitative binding information was obtained from DOSY-NMR titrations indicating that nanoparticles containing a combination of three orthogonal functional groups are more efficient in binding to dipeptides than mono or difunctionalised analogues. The strategy is highly modular and easily allows adapting the receptor selectivity to a
given substrate by varying the type, number, and ratio of binding sites on the nanoparticle
surface.
Inflation modeling is a very important tool for conducting an efficient monetary policy. This doctoral thesis reviewed inflation models, in particular the Phillips curve models of inflation dynamics. We focused on a well known and widely used model, the so-called three equation new Keynesian model which is a system of equations consisting of a new Keynesian Phillips curve (NKPC), an investment and saving (IS) curve and an interest rate rule.
We gave a detailed derivation of these equations. The interest rate rule used in this model is normally determined by using a Lagrangian method to solve an optimal control problem constrained by a standard discrete time NKPC which describes the inflation dynamics and an IS curve that represents the output gaps dynamics. In contrast to the real world, this method assumes that the policy makers intervene continuously. This means that the costs resulting from the change in the interest rates are ignored. We showed also that there are approximation errors made, when one log-linearizes non linear equations, by doing the derivation of the standard discrete time NKPC.
We agreed with other researchers as mentioned in this thesis, that errors which result from ignoring such log-linear approximation errors and the costs of altering interest rates by determining interest rate rule, can lead to a suboptimal interest rate rule and hence to non-optimal paths of output gaps and inflation rate.
To overcome such a problem, we proposed a stochastic optimal impulse control method. We formulated the problem as a stochastic optimal impulse control problem by considering the costs of change in interest rates and the approximation error terms. In order to formulate this problem, we first transform the standard discrete time NKPC and the IS curve into their high-frequency versions and hence into their continuous time versions where error terms are described by a zero mean Gaussian white noise with a finite and constant variance. After formulating this problem, we use the quasi-variational inequality approach to solve analytically a special case of the central bank problem, where an inflation rate is supposed to be on target and a central bank has to optimally control output gap dynamics. This method gives an optimal control band in which output gap process has to be maintained and an optimal control strategy, which includes the optimal size of intervention and optimal intervention time, that can be used to keep the process into the optimal control band.
Finally, using a numerical example, we examined the impact of some model parameters on optimal control strategy. The results show that an increase in the output gap volatility as well as in the fixed and proportional costs of the change in interest rate lead to an increase in the width of the optimal control band. In this case, the optimal intervention requires the central bank to wait longer before undertaking another control action.
Neuartige supramolekulare Koordinationsverbindungen mit Cyclen- oder Cyclopeptiduntereinheiten
(2016)
Die vorliegende Arbeit greift in den beiden Hauptkapiteln die Rolle von Übergangsmetallionen bei der Entwicklung eines neuartigen Rezeptors, der Anionen unter Bildung von Kaskadenkomplexen binden soll und bei der Synthese von chiralen Koordinationspolymeren, die Cyclopeptidliganden enthalten, auf. In einem Nebenkapitel wird die Synthese und Struktur eines cyclischen Hexapeptids beschrieben, das dazu dient, Informationen über den Einfluss hydrophober Wechselwirkungen auf die Bindung von Sulfat- und Halogenidionen in wässriger Lösung zu erhalten. Ein molekularer Käfig aus zwei über vier Linker verknüpften, zink(II)haltigen Cyclenkomplexen wurde synthetisiert. Nach der Charakterisierung dieser Verbindung mit potentiometrischen und kristallographischen Methoden wurden Untersuchungen zur Evaluierung der Bindung dieses neuartigen Rezeptors an Anionen durchgeführt. Für den Aufbau von chiralen porösen Koordinationsnetzwerken wurde eine Reihe von cyclischen Tetrapeptiden als Liganden dargestellt. Diese Verbindungen wurden anschließend in Kristallisationsversuchen mit unterschiedlichen Übergangsmetallionen umgesetzt und die Struktur der drei erhaltenen cyclopeptidhaltigen Koordinationspolymere mit literaturbekannten Koordinationsverbindungen, welche die gleichen Metallionen enthalten, aber ohne Cyclopeptidliganden aufgebaut sind hinsichtlich ihrer Struktur verglichen. Um den Einfluss hydrophober Wechselwirkungen auf die Anionenbindung in wässriger Lösung zu untersuchen, wurde ein cyclisches Hexapeptid dargestellt, das im Vergleich zu einer bereits bekannten Cyclopeptidstruktur zusätzliche Cyclopropansubstituenten trägt, welche die hydrophoben Flächen im Molekül vergrößern. Rückschlüsse auf den Bindungsmechanismus an Halogenidionen und die Stöchiometrie der entstandenen Wirt-Gast Komplexe lieferten NMR- und ESI-Spektren.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden neue Konzepte zu nachhaltigen Transformationen entwickelt. Ein Schwerpunkt der bearbeiteten Themen lag dabei auf der Nutzung von Fettsäuren und ihrer Derivate als nachwachsende Rohstoffe. Ein weiterer Fokus lag auf Alkoxylierungen von terminalen Alkinen.
Im ersten Projekt wurde eine nachhaltige Methode zur Alkylverzeigung einer Fettsäurekette an ihrer Doppelbindung entwickelt. Alkylverzweigte Fettsäurederivate sind z.B. in Schmiermitteln, Kosmetika, Kunststoffen und Beschichtungen von hohem Interesse.
Die Reaktion verläuft in hohen Ausbeuten und unter milden Bedingungen. Der entscheidende Vorteil dieses neuen Prozesses ist, dass er auf leicht erhältlichem Linoleat anstatt auf präformiertem Konjuensäureester basiert. Diese Methode ermöglicht eine umweltfreundliche Einführung einer Alkylverzweigung in Fettsäurederivate.
Im zweiten Projekt dieser Doktorarbeit wurde eine selektive Hydrierung von Fettsäuren, Fettsäureestern und Triglyceriden entwickelt. Diese liefert einen Zugang zu langkettigen unsymmetrischen Alkylethern aus nachwachsenden Rohstoffen. Langkettige Alkylether haben aufgrund ihres niedrigeren Schmelzpunktes und der geringen Viskosität eine hohe Anwendungsbreite in Schmiermitteln, Tensiden und Kosmetika.
Dieses Protokoll ermöglicht, ausgehend von nachwachsenden Rohstoffen, eine nachhaltige Synthese von wertvollen langkettigen Ethern. Es konnten sowohl Fettsäuren als auch Ester in reiner Form oder auch in Mischungen umgesetzt werden. Auch Triglyceride aus Rapsöl wurden erfolgreich ohne weitere Aufreinigung umgesetzt.
Im letzten Teilprojekt dieser Arbeit wurde ein kostengünstiger Zugang zu biologisch aktiven (E)-β- Alkoxyacrylaten ermöglicht. Es wurde eine basenkatalysierte, metallfreie Alkoxylierung von terminalen Alkinen mittels einfacher Carbonate entwickelt.
Aromatische Alkine konnten schon bei Raumtemperatur umgesetzt werden. Die Bildung von Ketalen als Nebenprodukt konnte dabei nahezu vollständig unterdrückt werden. Aliphatische Alkine wurden bei 90 °C erfolgreich umgesetzt. Die Skalierbarkeit dieses Prozesses wurde durch eine 15 mmol Synthese und einer Ausbeute von 99 % demonstriert. Eine einfache Destillation des Reaktionsgemisches reichte als Aufreinigung aus. Die Anwendungsbreite der Reaktion konnte anhand zahlreicher repräsentativer Verbindungen demonstriert werden.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten neue Konzepte zur regioselektiven Einführung von CF3, SCF3, und SCF2H-Gruppen entwickelt und neue konzeptionelle Perspektiven für die Entwicklung nachhaltiger Fluoralkylierungsreaktionen und Reagenzien eröffnet werden.
Im ersten Teilprojekt gelang es, praktische Eintopfverfahren zu entwickeln, mit denen Trifluormethyl- und Trifluormethylthiolgruppen selektiv in organische Moleküle eingeführt werden. Der maßgebliche Vorteil dieser Methoden ist, dass breit verfügbare aromatische Amine in situ diazotiert und ohne weitere Aufarbeitung weiter umgesetzt werden. Die vorteilhaften Reaktionsbedingungen wie z.B. Katalysatorbeladung, Raumtemperatur, und die hohe Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen konnten beibehalten werden.
Im nächsten Teilprojekt wurde aufbauend auf dem Konzept der nukleophilen Difluormethylierung der Organothiocyanate Zugang zu wertvollen Difluormethylthioethern ermöglicht. Dabei werden die Organothiocyanate in situ in Reaktionslösung aus diversen Aryl- und Alkylhalogeniden und –pseudohalogeniden erzeugt, welche anschließend unter Einsatz von TMSCF2H difluormethyliert werden konnten. Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist der Einsatz der nachhaltigen CF2H-Quelle, welche aus Fluoroform herstellbar ist.
In einem weiteren Teilpojekt erfolgte die Entwicklung eines Verfahrens zur Synthese von Trifluormethylthioethern. Dabei können Organothiocyanate unter Decarboxylierung von Trifluoracetaten in Anwesenheit von Eisenkatalysatoren leicht zu den korrespondierenden, wertvollen Trifluormethylthioethern umgesetzt werden. Die Anwendungsbreite konnte an zahlreichen aromatischen, heteroaromatischen und aliphatischen Organothiocyanaten demonstriert werden. In weiterführenden Arbeiten konnte dieses Reaktionskonzepts auf längerkettige perfluorierte Carboxylate erweitert werden.
In einem weiteren Teilprojekt wurde die Sandmeyer Pentafluorethylthiolierung mit Aryldiazoniumsalzen ermöglicht. Sie stellt einen weiteren alternativen Zugang zu den pentafluorethylierten Aromaten dar.
Im darauffolgenden Teilprojekt wurden alternative, nachhaltigere Synthesewege zu den gängigen elektrophilen SCF3-Reagenzien ausgehend von Me4NSCF3 mittels einfacher Salzmetatese realisiert. Besonders erwähnenswert hierbei ist, dass eine in situ Generierung dieser sensiblen Reagenzien die komplizierte Handhabung vereinfacht.
Im letzten Teilprojekt wurden sowohl elektrophile als auch nukleophile Reagenzien zur regioselektiven Einführung von Phosphorothioat-Gruppen entwickelt. Die Anwendungsmöglichkeiten wurden anhand kupferkatalysierten Sandmeyer Reaktion von Aryldiazoniumsalzen, einer palladiumkatalysierten Umsetzung von Aryliodiden und einer kupferkatalysierten Umsetzung von Arylboronsäuren gezeigt.
Zusammengefassend wurden in dieser Arbeit nachhaltige Methoden zur regioselektiven Einführung von CF3, SCF3, SCF2H und SP(O)(OMe)2-Gruppen entwickelt. Dabei wurde das Reaktionskonzept der Sandmeyer Reaktion angewandt. Die wesentlichen Vorteile dabei sind der Einsatz geringer Mengen der Kupferkatalysatoren, die milden Reaktionsbedingungen, sowie die hohe Toleranz gegenüber funktioneller Gruppen, wodurch sich diese Verfahren auch besonders in späten Synthesestufen anbietet.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Möglichkeiten zur Steigerung der Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetondecken mit integrierten Leitungen untersucht. Hierbei wurde der Einfluss auf die Tragfähigkeit von Wendeln um die Leitungen herum, der Einfluss von Gitterträgern in Elementdecken mit Leitungen, Gitterträger neben Leitungen als örtliche Zulagebewehrung und Unterstützungskörbe über Leitungen untersucht. Zudem wurden Versuche mit lokaler Verbundstörung der Biegebewehrung zur Vermeidung eines Biegeschubrisses im Bereich der Leitungen durchgeführt.
Die Wendel wird aus Betonstahl gebogen und mit handelsüblichen Betonabstandhaltern an der Leitung fixiert. Die Betondeckung zur Leitung soll sowohl die Kraftübertragung, als auch den Korrosionsschutz sicherstellen. In insgesamt 70 Bauteilversuchen wurden verschiedene Parameter variiert. Hierzu zählen der Leitungsdurchmesser, die Anzahl der Windungen der Wendel, der Stabdurchmesser der Wendel sowie die Lage der Öffnung im Bauteil. Mit relativ geringen Bewehrungsmengen konnte die Tragfähigkeit des ungeschwächten, unbewehrten Vollquerschnitts erreicht werden. Die Ergebnisse der Versuche führten abschließend zu einem an den Querkraftnachweis des Eurocode 2 angelehnten Bemessungsvorschlag, der die verschiedenen Einflussparameter der Wendel berücksichtigt.
Zur Untersuchung des Tragverhaltens von Elementdecken mit Gitterträgern und integrierten Leitungen in der Ortbetonergänzung wurde in 31 Versuchen der Querkraftbewehrungsgrad variiert. Der Öffnungsdurchmesser betrug dabei maximal 80 mm. Größere Leitungen können ohne Beschädigung der Diagonalen der Gitterträger nicht verbaut werden. Hierbei konnte eine Reduktion der Querkrafttragfähigkeit bezogen auf den ungeschwächten Querschnitt mit Gitterträgern festgestellt werden. Diese Reduktion wird in einem Bemessungskonzept durch Abminderung des Betontraganteils berücksichtigt. Ab einer Querkraft-bewehrungsmenge von ca. 11 cm²/m² konnte die Querkrafttragfähigkeit des unbewehrten Vollquerschnitts erreicht werden. Diese Bewehrungsmenge entspricht in etwa dem Mindestquerkraftbewehrungsgrad nach Eurocode 2.
Des Weiteren wurden Versuche an Elementdecken mit Gitterträgern neben bzw. Unterstützungskörben über Leitungen durchgeführt. Bei diesen Versuchen wurde sowohl der Fall des in das Fertigteil einbetonierten Bewehrungselements als auch der Fall des nachträglich auf die Fertigteilplatte aufgestellten Bewehrungselements untersucht. Die Versuchsergebnisse führten zu einem Bemessungsansatz, welcher an das Bemessungskonzept des Eurocode 2 anschließt. Durch zusätzliche Faktoren in Abhängigkeit des Bewehrungselements, Bewehrungsgrades und des Leitungs-durchmessers kann die Querkrafttragfähigkeit solcher Decken bemessen werden.
Eine lokale Verbundstörung der Biegebewehrung unterhalb der Öffnungen führt zu einer deutlich erhöhten Traglast. Ein Biegeschubversagen konnte in diesem Fall nicht herbeigeführt werden. Diese Versuche führen zwar zu keiner praxistauglichen Verstärkungsmethode, veranschaulichen aber sehr gut das Querkrafttragverhalten von Stahlbetondecken.
Typically software engineers implement their software according to the design of the software
structure. Relations between classes and interfaces such as method-call relations and inheritance
relations are essential parts of a software structure. Accordingly, analyzing several types of
relations will benefit the static analysis process of the software structure. The tasks of this
analysis include but not limited to: understanding of (legacy) software, checking guidelines,
improving product lines, finding structure, or re-engineering of existing software. Graphs with
multi-type edges are possible representation for these relations considering them as edges, while
nodes represent classes and interfaces of software. Then, this multiple type edges graph can
be mapped to visualizations. However, the visualizations should deal with the multiplicity of
relations types and scalability, and they should enable the software engineers to recognize visual
patterns at the same time.
To advance the usage of visualizations for analyzing the static structure of software systems,
I tracked difierent development phases of the interactive multi-matrix visualization (IMMV)
showing an extended user study at the end. Visual structures were determined and classified
systematically using IMMV compared to PNLV in the extended user study as four categories:
High degree, Within-package edges, Cross-package edges, No edges. In addition to these structures
that were found in these handy tools, other structures that look interesting for software
engineers such as cycles and hierarchical structures need additional visualizations to display
them and to investigate them. Therefore, an extended approach for graph layout was presented
that improves the quality of the decomposition and the drawing of directed graphs
according to their topology based on rigorous definitions. The extension involves describing
and analyzing the algorithms for decomposition and drawing in detail giving polynomial time
complexity and space complexity. Finally, I handled visualizing graphs with multi-type edges
using small-multiples, where each tile is dedicated to one edge-type utilizing the topological
graph layout to highlight non-trivial cycles, trees, and DAGs for showing and analyzing the
static structure of software. Finally, I applied this approach to four software systems to show
its usefulness.
The mechanical properties of semi-crystalline polymers depend extremely on their
morphology, which is dependent on the crystallization during processing. The aim of
this research is to determine the effect of various nanoparticles on morphology
formation and tensile mechanical properties of polypropylene under conditions
relevant in polymer processing and to contribute ultimately to the understanding of
this influence.
Based on the thermal analyses of samples during fast cooling, it is found that the
presence of nanoparticle enhances the overall crystallization process of PP. The results
suggest that an increase of the nucleation density/rate is a dominant process that
controls the crystallization process of PP in this work, which can help to reduce the
cycle time in the injection process. Moreover, the analysis of melting behaviors
obtained after each undercooling reveals that crystal perfection increases significantly
with the incorporation of TiO2 nanoparticles, while it is not influenced by the SiO2
nanoparticles.
This work also comprises an analysis of the influence of nanoparticles on the
microstructure of injection-molded parts. The results clearly show multi-layers along
the wall thickness. The spherulite size and the degree of crystallinity continuously
decrease from the center to the edge. Generally both the spherulite size and the degree
of crystallinity decrease with higher the SiO2 loading. In contrast, an increase in the
degree of crystallinity with an increasing TiO2 nanoparticle loading was detected.
The tensile properties exhibit a tendency to increase in the tensile strength as the core
is reached. The tensile strength decreases with the addition of nanoparticles, while the
elongation at break of nanoparticle-filled PP decreases from the skin to the core. With
increasing TiO2 loading, the elongation at break decreases.
Automata theory has given rise to a variety of automata models that consist
of a finite-state control and an infinite-state storage mechanism. The aim
of this work is to provide insights into how the structure of the storage
mechanism influences the expressiveness and the analyzability of the
resulting model. To this end, it presents generalizations of results about
individual storage mechanisms to larger classes. These generalizations
characterize those storage mechanisms for which the given result remains
true and for which it fails.
In order to speak of classes of storage mechanisms, we need an overarching
framework that accommodates each of the concrete storage mechanisms we wish
to address. Such a framework is provided by the model of valence automata,
in which the storage mechanism is represented by a monoid. Since the monoid
serves as a parameter to specifying the storage mechanism, our aim
translates into the question: For which monoids does the given
(automata-theoretic) result hold?
As a first result, we present an algebraic characterization of those monoids
over which valence automata accept only regular languages. In addition, it
turns out that for each monoid, this is the case if and only if valence
grammars, an analogous grammar model, can generate only context-free
languages.
Furthermore, we are concerned with closure properties: We study which
monoids result in a Boolean closed language class. For every language class
that is closed under rational transductions (in particular, those induced by
valence automata), we show: If the class is Boolean closed and contains any
non-regular language, then it already includes the whole arithmetical
hierarchy.
This work also introduces the class of graph monoids, which are defined by
finite graphs. By choosing appropriate graphs, one can realize a number of
prominent storage mechanisms, but also combinations and variants thereof.
Examples are pushdowns, counters, and Turing tapes. We can therefore relate
the structure of the graphs to computational properties of the resulting
storage mechanisms.
In the case of graph monoids, we study (i) the decidability of the emptiness
problem, (ii) which storage mechanisms guarantee semilinear Parikh images,
(iii) when silent transitions (i.e. those that read no input) can be
avoided, and (iv) which storage mechanisms permit the computation of
downward closures.
Messgeräte zur geometrischen Produktspezifikation werden mit Normalen nach DIN EN ISO 5436-1 und DIN EN ISO 25178-70 kalibriert. Dabei kommen meist künstliche Oberflächenstrukturen zum Einsatz. Aufgrund immer höherer Anforderungen ist für hochgenaue Messaufgaben allerdings eine praxisorientierte Kalibrierung erforderlich. Ein modellbasierter Ansatz zur Auslegung von Normalen, die eine solche praxisnahe Kalibrierung erlauben, wird im Rahmen dieser Arbeit ohne Einschränkung auf ein spezielles Messverfahren vorgestellt und untersucht. Dabei ermöglichen drei Säulen eine Verbesserung gegenüber konventionellen Normalen: die Berücksichtigung physikalischer Effekte bei der Messung, die Definition neuer Oberflächenstrukturen, als deren Ausgangspunkt reale Bauteiloberflächen dienen, sowie die Berücksichtigung fertigungstechnischer Effekte. Die neu generierten Normale werden mit virtuellen und realen Messungen auf ihren praktischen Einsatz hin untersucht. In diesem Rahmen werden auch neue Kalibrierstrategien, eine Unsicherheitsbilanz sowie ein allgemeiner Leitfaden zur Generierung von Normalen abgeleitet.
A vehicles fatigue damage is a highly relevant figure in the complete vehicle design process.
Long term observations and statistical experiments help to determine the influence of differnt parts of the vehicle, the driver and the surrounding environment.
This work is focussing on modeling one of the most important influence factors of the environment: road roughness. The quality of the road is highly dependant on several surrounding factors which can be used to create mathematical models.
Such models can be used for the extrapolation of information and an estimation of the environment for statistical studies.
The target quantity we focus on in this work ist the discrete International Roughness Index or discrete IRI. The class of models we use and evaluate is a discriminative classification model called Conditional Random Field.
We develop a suitable model specification and show new variants of stochastic optimizations to train the model efficiently.
The model is also applied to simulated and real world data to show the strengths of our approach.
In this thesis we developed a desynchronization design flow in the goal of easing the de- velopment effort of distributed embedded systems. The starting point of this design flow is a network of synchronous components. By transforming this synchronous network into a dataflow process network (DPN), we ensures important properties that are difficult or theoretically impossible to analyze directly on DPNs are preserved by construction. In particular, both deadlock-freeness and buffer boundedness can be preserved after desyn- chronization. For the correctness of desynchronization, we developed a criteria consisting of two properties: a global property that demands the correctness of the synchronous network, as well as a local property that requires the latency-insensitivity of each local synchronous component. As the global property is also a correctness requirement of synchronous systems in general, we take this property as an assumption of our desyn- chronization. However, the local property is in general not satisfied by all synchronous components, and therefore needs to be verified before desynchronization. In this thesis we developed a novel technique for the verification of the local property that can be carried out very efficiently. Finally we developed a model transformation method that translates a set of synchronous guarded actions – an intermediate format for synchronous systems – to an asynchronous actor description language (CAL). Our theorem ensures that one passed the correctness verification, the generated DPN of asynchronous pro- cesses (or actors) preserves the functional behavior of the original synchronous network. Moreover, by the correctness of the synchronous network, our theorem guarantees that the derived DPN is deadlock-free and can be implemented with only finitely bounded buffers.
In this thesis we developed a desynchronization design flow in the goal of easing the de- velopment effort of distributed embedded systems. The starting point of this design flow is a network of synchronous components. By transforming this synchronous network into a dataflow process network (DPN), we ensures important properties that are difficult or theoretically impossible to analyze directly on DPNs are preserved by construction. In particular, both deadlock-freeness and buffer boundedness can be preserved after desyn- chronization. For the correctness of desynchronization, we developed a criteria consisting of two properties: a global property that demands the correctness of the synchronous network, as well as a local property that requires the latency-insensitivity of each local synchronous component. As the global property is also a correctness requirement of synchronous systems in general, we take this property as an assumption of our desyn- chronization. However, the local property is in general not satisfied by all synchronous components, and therefore needs to be verified before desynchronization. In this thesis we developed a novel technique for the verification of the local property that can be carried out very efficiently. Finally we developed a model transformation method that translates a set of synchronous guarded actions – an intermediate format for synchronous systems – to an asynchronous actor description language (CAL). Our theorem ensures that one passed the correctness verification, the generated DPN of asynchronous pro- cesses (or actors) preserves the functional behavior of the original synchronous network. Moreover, by the correctness of the synchronous network, our theorem guarantees that the derived DPN is deadlock-free and can be implemented with only finitely bounded buffers.
Der Anteil von Komponenten aus Faserkunststoffverbunden (FKV) ist in den vergangenen
Jahren speziell in den leichtbaugetriebenen Branchen stetig gestiegen, da der
Einsatz von FKV die Möglichkeit bietet, eine Gewichtsreduktion gegenüber Ausführungen
mit klassischen Metallwerkstoffen zu erzielen. Eine optimale Ausnutzung der
Vorteile von FKV kann jedoch nur durch faserkunststoffgerechte konstruktive Lösungen,
für die bisherige Ausführungen in Frage gestellt werden müssen, erreicht werden.
Nicht nur Materialien und Bauweisen für lasttragende Strukturen sind zu überdenken,
auch bisherige Lösungsansätze zur Realisierung aktorischer Funktionen, die
einen wesentlichen Teil vieler Produkte ausmachen, müssen hinterfragt werden.
Klassische diskret angeschlossene Aktoren können in diesem Zuge durch neuartige
Festkörperaktoren wie z.B. Formgedächtnislegierungen oder Piezokeramiken substituiert
werden. Durch den differenziellen Aufbau der FKV ist die direkte Integration
aktiver Formgedächtnislegierungen (engl. Shape Memory Alloys (SMA)) möglich und
es ergibt sich ein neues FKV-gerechtes Aktorikprinzip, welches eine material- und
flächenintegrierte Aktorik bietet. Wesentliche, bisher ungelöste Fragestellungen aktiver
SMA-FKV-Hybridverbunde werden in der vorliegenden Arbeit detailliert beleuchtet
und neue Lösungsansätze ausgearbeitet, um für einen zukünftigen industriellen
Einsatz die grundlegenden Voraussetzungen zu schaffen.
Um ein ganzheitliches Vorgehen zu gewährleisten, müssen offene Fragestellungen
im Bereich der Herstellung und simulativen Auslegung beantwortet werden. Die zentralen Fragen sind:
- Herstellung: Wie können zuverlässige aktive SMA-FKV-Hybridverbunde reproduzierbar
hergestellt werden?
- Simulation: Wie können aktive Komponenten aus SMA-FKV-Hybridverbund
auf Bauteilebene effizient ausgelegt werden?
Die Integrationsmethode des Herstellungsprozesses muss möglichst effizient die
Aufgaben Kraftübertragung zwischen SMA und FKV, elektronische Kontaktierung und Handling erfüllen. Dies wird mit einem innovativen Konzept, welches bei der
Kraftübertragung auf mechanische Verankerungen zwischen SMA-Elementen und
umgebendem FKV setzt, erreicht. Durch den Einsatz eines geschweißten SMAGitters
und lokal faserverstärkter Bereiche können die erforderlichen Aktorspannungen
übertragen werden. Weiterhin gewährleistet ein vorgefertigte SMA-Gitter einen
flexiblen Herstellungsprozess und ein reproduzierbares Herstellungsergebnis.
Zur Konzipierung einer optimalen Prozesstemperaturführung sind komplexe Randbedingungen
und auf den ersten Blick widersprüchliche Anforderungen aus den
etablierten Herstellungsprozessen von FKV-Materialien und dem thermisch sensiblen
SMA-Materialverhalten zu berücksichtigen. Eine Kalthärtung im ersten Schritt der
Hybridverbundherstellung aus duromerem FKV und SMA-Gitter erlaubt einen Verzicht
auf aufwendige Vorrichtungen zur Unterdrückung einer vorzeitigen Verformung
der SMA-Elemente. Eine weitere angepasste Temperung zur Erhöhung der Vernetzungsdichte
des duromeren Polymers verbessert die Leistungsfähigkeit zusätzlich,
wodurch die maximale Spitzenauslenkung (ohne äußere Last) bezogen auf die aktive
Länge einer Hybridstruktur von anfänglich 17 % auf mehr als 60 % gesteigert werden
kann.
Um eine simulative Abbildung dieser SMA-FKV-Hybridverbunde zur Auslegung aktiver
Komponenten einsetzen zu können, muss die Modellierung die notwendige Genauigkeit
liefern und effizient auf Bauteilskala einsetzbar sein. Das entwickelte Zustandslinien-
Modell des SMA-Materials wird diesen Anforderungen durch die Fokussierung
auf den Aktorikeffekt gerecht. Vorhergesagt werden kann damit der „aufgeheizte“
und „abgekühlte“ Zustand von Ein- und Zwei-Weg-Effekt-Materialien. Der Einfluss
der Steifigkeit der zu verformenden FKV-Komponente wird durch eine anwendungsnahe
Charakterisierung erfasst und fließt durch die analytische Beschreibung
der Zusammenhänge in das Modell ein. Konkrete Kennwerte stehen für ein Zwei-
Weg-Effekt-Material und zwei Ein-Weg-Effekt-Materialien mit unterschiedlicher Umwandlungstemperatur
und individueller Vordehnung (1,8 bis 6,3 %) zur Verfügung.
Durch die Beschreibung der gesamten Hybridverbunde mittels homogenisierter
Schalen in der Finiten-Elemente-Methode (FEM) kann auf die Abbildung der realen mikroskopischen Geometrie verzichtet werden und die Auslegung ganzer Komponenten
aus aktivem SMA-FKV-Hybridverbund wird ermöglicht.
Im Zuge der Validierung wird das experimentell bestimmte Aktorikverhalten mit der
simulativen Vorhersage abgeglichen. Da dieser Validierung die entwickelten Lösungen
in den Bereichen Herstellung und Simulation zugrunde liegen, verifiziert die erfolgreiche
Validierung die Anwendbarkeit der entwickelten Gesamtmethodik. Eine
gute Übereinstimmung kann bei Coupontests für Vordehnungen von bis zu 3 % sowie
für teilaktivierte Zustände der SMA-Elemente festgestellt werden.
Um zu verdeutlichen, wieso und unter welchen Randbindungen der Einsatz aktiver
SMA-FKV-Hybridverbunde technisch sinnvoll sein kann, werden verschiedene neuartige
Anwendungskonzepte beschrieben. Die wesentlichen Vorteile eines aktiven Hybridverbundes
gegenüber klassischer Aktorik-Struktur-Kombinationen werden durch
die abschließende Entwicklung eines aerodynamischen Profils als Demonstrator hervorgehoben.
Die wichtigsten Vorteile sind:
- Stark reduzierte Bauraumanforderungen
- Geringes Systemgewicht
- Große Designfreiheit
- Geschlossene kontinuierliche Oberfläche
- Geringer Montageaufwand
Der Demonstrator verdeutlicht außerdem, wie es mit den Ergebnissen dieser Arbeit
möglich ist, aktive Bauteile aus SMA-FKV-Hybridverbund im Hinblick auf eine konkrete
Anwendung systematisch und rechnergestützt auszulegen. Durch die entwickelte
Herstellungsmethodik können diese Hybridverbunde mit hoher Leistungsfähigkeit
bei minimalem Bauraum und geringer zusätzlicher Masse in reproduzierbarer
Qualität gefertigt werden. Neue innovative Funktionen, die sich nicht im Rahmen
klassischer Aktorikprinzipien realisieren lassen, werden umsetzbar und ermöglichen
signifikante Wertsteigerungen diverser Produkte.
This paper briefly discusses a new architecture, Computation-In-Memory (CIM Architecture), which performs “processing-in-memory”. It is based on the integration of storage and computation in the same physical location (crossbar topology) and the use of non-volatile resistive-switching technology (memristive devices or memristors in short) instead of CMOS technology. The architecture has the potential of improving the energy-delay product, computing efficiency and performance area by at least two orders of magnitude.
Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, aufzuzeigen, wie eine mathematische Modellierung, verbunden mit Simulations- und Ansteuerungsaspekten eines Segways im Mathematikunterricht der gymnasialen Oberstufe als interdisziplinäres Projekt umgesetzt werden kann. Dabei werden sowohl Chancen, im Sinne von erreichbaren mathematischen Kompetenzen, als auch Schwierigkeiten eines solchen Projektes mit einer interdisziplinären Umsetzung geschildert.
We investigate the long-term behaviour of diffusions on the non-negative real numbers under killing at some random time. Killing can occur at zero as well as in the interior of the state space. The diffusion follows a stochastic differential equation driven by a Brownian motion. The diffusions we are working with will almost surely be killed. In large parts of this thesis we only assume the drift coefficient to be continuous. Further, we suppose that zero is regular and that infinity is natural. We condition the diffusion on survival up to time t and let t tend to infinity looking for a limiting behaviour.
In dem vorliegenden Dissertationsdokument werden die Ergebnisse aus der Forschung zu konzeptionellen Verfahrensentwürfen für die industrielle Anwendung von Enzym-Magnetpartikeln vorgestellt. Die Magnetpartikel im Mikrometermaßstab sind aufgrund ihrer geringen Größe, sphärischen Geometrie und der daraus resultierenden hohen spezifischen Oberfläche, ein attraktives Trägermedium für
Biomoleküle. Aufgrund der Magnetisierbarkeit der Partikel können die Partikeltrajektorien in einem Flüssigkeitsstrom zudem durch ein Magnetfeld gesteuert werden. In einem Magnetfilter werden anhand dieser Wechselwirkungen die Magnetpartikel selektiv abgetrennt. Zur Konstruktion von Magnetfiltern wurde in dieser Arbeit die Computer-Aided-Design-Software Siemens NX 8 eingesetzt. Die Konstruktionsentwürfe wurden in die Software Comsol Multiphysics® 4.3a importiert. Die Software beinhaltet
Differentialgleichungssysteme und -löser, mit denen das Magnet- und Fluidströmungsfeld in den untersuchten Magnetfiltern berechnet werden können. Es wurden geometrische Variationen an den Modellen vorgenommen, um Änderungen in der resultierenden Trennleistung zu erzielen. Die optimierten Filter wurden
anschließend gefertigt und in experimentellen Untersuchungen erprobt. Dabei wurden Magnetpartikel mit und ohne Biomasse separiert und die Trennleistung bestimmt. Die Partikelsuspensionen wurden zudem hinsichtlich der
Prozessintegration untersucht. Dabei stand der Medianpartikeldurchmesser im Vordergrund der Untersuchung. Es wurde überprüft, wie sich die Partikelgrößenverteilung bei variierten pH-Werten und Salzkonzentrationen verändert. In diesem Kontext wurde die Homogenisierung der Magnetpartikel in
einem Ultraschall-Homogenisator untersucht. Am Institut für biotechnisches Prozessdesign standen zwei verschiedene
Separatoren zur Verfügung, für welche die Filterkammern optimiert wurden. Für den mit Permanentmagneten betriebenen Magnetseparator von der Firma Steinert Typ HGF10 wurde eine mit Quarzgläsern ausgestattete Filterkammer entworfen und gefertigt (Patentanmeldung AZ 102012023382.5). Dadurch konnten die
Partikelablagerungen während der Filtration und nach der Reinigung untersucht werden. Im untersuchten Arbeitsbereich bis zu einer Kapazität von ca. 83 g/L wurde kein Partikeldurchbruch detektiert. In vorigen Arbeiten mit Magnetfiltern mit
vergleichbarer Geometrie wurde festgestellt, dass die Strömung im Anfangsbereich des Filters maßgeblich die Partikelretention beeinflusst. Darauf aufbauend wurde in dieser Arbeit der Einfluss von statischen Mischern charakterisiert, um Unterschiede
in der Lineargeschwindigkeit der Flüssigkeit zu minimieren und ein möglichst propfenförmiges Strömungsprofil herzustellen.
Die Optimierung der Filterkammer wurde im nächsten Schritt mit Analysen zur Auswirkung von geometrischen Variationen in der Filtermatrix weitergeführt. Es wurden in dieser Arbeit die Geometrien von Filtermatrices aus gestapelten Filterblechen mit Aussparungen näher untersucht. Anhand Simulationsdaten und
Ergebnissen aus experimentellen Versuchen wurde eine Korrelation zwischen der Partikelretention und der Anzahl an Kanten in der Filtermatrix gefunden. Je mehr Kanten in der Matrix vorkommen, desto weniger Partikel gehen im Filtrat verloren. Abschließend wurde die Reinigung der Filterkammer mit der Zweiphasenströmung
näher untersucht und der Einsatz von Druckluft erprobt.
Die Druckluft wurde zum Erzeugen von dispergierten Luftblasen im Flüssigkeitsstrom simultan zur laufenden Peristaltikpumpe in die Zufuhrleitung der Filterkammer injiziert. Während der Reinigungsprozedur werden mittels der Luftblasen die
Partikelablagerungen mechanisch gelöst und mit der Strömung aus der Filterkammer gespült. In biotechnologischen Produktionen gelten besondere Richtlinien und Regeln zum Einhalten von Reinigungsverfahren. Im Rahmen magnetpartikelbasierter Prozesse ist hierbei ein besonderes Augenmerk auf feinste partikuläre Rückstände nach der Reinigung zu legen. Aufgrund der in Magnetfiltern vorhanden Filtermatrix mit einer
komplexen Geometrie kann den Untersuchungen zur Folge nicht von einer vollständigen Entfernung ausgegangen werden. Um bei derartig streng regulierten Produktionen trotzdem ein Filtersystem zur Verfügung zu haben, wurde in dieser
Arbeit der Einsatz von Einweg-Hochgradienten-Magnetfiltern erprobt. Die Einweg-Magnetfilter-Prototypen wurden auf Basis von Kunststofffolien hergestellt, die zusammengeschweißt wurden, um eine Art Beutel mit Ein- und Auslass herzustellen. Mit den gefertigten Prototypen wurden exemplarische Filtrationen durchgeführt, um die Eignung für industrielle Prozesse zu testen. Um einen Einweg-Magnetfilter für die Anwendung attraktiv zu gestalten, musste sichergestellt sein, dass die Rückstände
an Partikeln nach der Reinigung gering sind, weil jegliche Partikelreste mit dem Einweg-Magnetfilter verworfen werden würden. Die untersuchten Prototypen zeichneten sich durch eine hohe Partikelretention mit einer Kapazität von ca. 35 g/L
und minimale Rückstände nach der Reinigung aus.
Der zweite am Forschungsinstitut vorhandene Magnetseparator wurde mit einem Elektromagnet betrieben. Der in dem Separator eingebaute Magnetfilter wurde mit einer Filtermatrix nach dem Rotor-Stator-Prinzip gefertigt. Es sind im Gegensatz zu
den zuvor beschriebenen Magnetfiltern zwei Arten von Filterblechen in dem Filter eingebaut. Zum einen nicht bewegliche Statorbleche und zum anderen rotierbare Rotorbleche. Die Rotorbleche sind über eine drehbare Welle miteinander verbunden.
Dabei entstehen zwischen den Filterblechen hohe Scherraten, wodurch nach der Filtration die Partikelablagerungen effizient gelöst und aus dem Filter gespült werden können. Die Filterbleche besitzen Aussparungen mit welchen die Partikelretardierung und -resuspendierung beeinflusst wird. Die Einflussfaktoren
wurden in Simulationen näher untersucht, um eine Geometrie der Aussparungen zu finden, mit welcher sich die Reproduzierbarkeit der Filtrationen erhöhen ließ. Bei dem Magnetfilter mit einer Rotor-Stator-Filtermatrix wurde eine Kapazität von ca. 170 g/L
ohne Durchbruch erreicht. Die zuvor beschriebenen Magnetfilter waren dafür konzipiert worden, separat von einem Reaktor betrieben zu werden. Die Reaktionssuspension wird aus dem Reaktor
und anschließend durch den Filter gepumpt. Im Gegensatz dazu wurde ein In-situ-Magnetseparator entwickelt, mit dem magnetische Partikel direkt im Reaktor durch eine magnetische Lanze aus der Reaktionssuspension eingefangen werden können. Durch eine Linearbewegung der Lanze werden die angehefteten Partikel aus dem
Reaktor transferiert. Danach können die Magnetpartikel von der Lanze gelöst werden und in einen Aufbewahrungsbehälter gepumpt oder wieder in den Reaktor geführt werden. Der Separator bietet die Möglichkeit, in einem Reaktor eine Fermentation
oder Biokatalyse in Gegenwart der funktionalisierten Magnetpartikel durchzuführen und in drei Schritten die Partikel aus dem Reaktor zu entfernen oder für eine anschließende Produktion wiederzuverwenden.
Die übergeordnete Zielsetzung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung katalytischer Verfahren, um damit neue Nutzungsmöglichkeiten für Carbonsäuren und deren Derivate in der chemischen Wertschöpfungskette zu schaffen.
Reiner Biodiesel ist mit modernen Motoren aufgrund seines ungünstigen Siedeverhaltens nur eingeschränkt kompatibel. Im ersten Projekt wurde daher ein Verfahren entwickelt, einen Biokraftstoff mit einem Siedeverhalten von kommerziellem Diesel herzustellen. Dazu wurde eine lösungsmittelfreie isomerisierende Ethenolyse von Pflanzenölestern entwickelt, mit der Produktgemische aus Olefinen, Mono- und Diestern mit genau definierten physikalischen Eigenschaften erzeugt werden können.
Die Reaktion von Pflanzenölestern mit Alkenen verläuft mit minimalem Energiebedarf, maximaler Atomeffizienz, ohne Lösungsmittel und praktisch abfallfrei und folgt somit den Prinzipien grüner Chemie. Es werden unterschiedliche industrielle Pflanzenölmethylester, sowie verschiedene kurzkettige Olefine toleriert. Mit diesem Verfahren wurde aus Rapsölmethylester (RME) und Ethen ein Biokraftstoff hergestellt, der alle spezifizierten Grenzwerte hinsichtlich des Siedeverhaltens von Dieselkraftstoffen erfüllt.
Mit Hilfe einer numerischen Simulationsmethode wurde ein Zusammenhang zwischen den katalytischen Parametern der isomerisierenden Metathese und der chemischen Zusammensetzung des Produktgemischs hergestellt. Damit wurden die Zielvorgaben für die anschließende systematische Reaktionsoptimierung errechnet.
Im zweiten Teilprojekt wurde ein neuer Zugang zu in ortho-Position nitrierten aromatischen Carbonsäurederivaten entwickelt. Die einzigartig effektive dirigierende Gruppe ermöglicht die ortho-selektive Nitrierung von substituierten aromatischen Carbonsäuren bei nur 50 °C. Der präformierte Kupferkomplex Cu(NO3)(PPh3)2 vermittelt zusammen mit dem Oxidationsmittel NMO selektiv die Mononitrierung in guten Ausbeuten. Das System toleriert eine große Breite funktioneller Gruppen, sowie fünf- und sechsgliedrige Heteroaromaten.
Im Gegensatz zu klassischen Verfahren mit stickstoffhaltigen dirigierenden Gruppen, die im Produkt verbleiben, gelang es uns, eine schnelle Methode zur mikrowellenunterstützten Verseifung zu entwickeln. Dadurch ist es möglich, nach der Nitrierung in situ eine Protodecarboxylierung des aktivierten Amids durchzuführen und den Nitroaromaten zu erhalten. Alternativ kann durch Verseifung das Carboxylat dargestellt werden, welches als Anker für anschließende decarboxylierende Kupplungsreaktionen fungieren kann.
Der Anteil an regenerativen Energien am Strommarkt in Deutschland steigt kontinuierlich. Dies führt bereits heute zu Problemen bei der Energiespeicherung, da die Stromproduktion aus regenerativen Energien stark von Wind und Wetter abhängt. Hierbei sind die derzeitigen Energiespeicher wie Schwungräder, Batterien oder Pumpspeicherkraftwerke in ihrer Kapazität stark begrenzt. Eine mögliche Lösung für die Problematik der Energiespeicherung bietet das Power-to-Gas-Verfahren, indem die elektrische Energie in chemische Energie (z. B. synthetisches Erdgas) umgewandelt und im Erdgasnetz gespeichert wird. Darüber hinaus kann durch die Umwandlung von Kohlendioxid als C₁-Baustein in funktionalisierte Grundchemikalien die Abhängigkeit von Rohöl vermindert werden. Hierfür sind Katalysatoren notwendig, die eine wirtschaftliche Hydrierung von Kohlendioxid zu Wertprodukten ermöglichen. Die Schwierigkeit liegt in der Überwindung der hohen Aktivierungsenergie von Kohlendioxid, wodurch es sehr reaktionsträge ist. In der Literatur wurden bereits einige Katalysatorsysteme untersucht; nur wenige beschäftigen sich mit kinetischen Untersuchungen. Ein Problem der zahlreichen Publikationen ist die häufig fehlende Vergleichbarkeit. Dies liegt im Wesentlichen an der Vielzahl der variablen Reaktionsbedingungen, wie Reaktionstemperatur, Reaktionsdruck, Verweilzeit sowie dem Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlendioxid. Außerdem wird in kinetischen Studien oft für ein vorliegendes Katalysatorsystem eine individuelle Berechnungsmethode zur Ermittlung der kinetischen Daten verwendet, die sich nicht auf andere Katalysatorsysteme oder Aktivkomponenten anwenden lässt.
Die zuvor genannten Probleme waren eine wesentliche Motivation, verschiedene Aktivkomponenten unter gleichen Reaktionsbedingungen zu untersuchen. Die hierbei gewonnenen Informationen sind in die nachfolgenden Studien zur Modifikation des Trägermaterials und der Aktivkomponenten eingeflossen. Zum Schluss wurde versucht, ein synthetisches Erdgas mittels Brennwertanpassung herzustellen. Hierfür wurde ein Fischer-Tropsch-Katalysator mit Methanisierungskatalysatoren kombiniert. Die hergestellten Katalysatoren wurden jeweils mithilfe von N₂-Physisorption, Pulver-Röntgendiffraktometrie, thermogravimetrischer Analyse, Rasterelektronenmikroskopie, temperaturprogrammierter Reduktion sowie durch H₂-Chemisorption charakterisiert. Die katalytischen Eigenschaften der hergestellten Katalysatoren wurden in einer Hochdruck-Strömungsapparatur erprobt. Im Fokus der Untersuchungen standen die Stabilität der Katalysatoren sowie der Einfluss der Reaktionstemperatur und der modifizierten Verweilzeit auf Umsatz und Produktausbeuten.
Zu Beginn wurden zehn verschiedene Aktivkomponenten jeweils auf γ-Aluminiumoxid als Träger (Puralox SCFa 230) untersucht. Dabei waren der Einfluss der Reaktionstemperatur auf den Umsatz von Kohlendioxid und die Zusammensetzung des Produktgases als auch die kinetischen Parameter von besonderem Interesse. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Einfluss der Aktivkomponente auf das Produktspektrum der katalytischen Hydrierung von Kohlendioxid. Hierbei traten insbesondere die Metalle Kupfer, Nickel, Rhodium und Eisen hervor. Ersteres zeigte eine hohe Selektivität zu Kohlenmonoxid. Nickel und Rhodium produzierten Methan mit sehr hohen Selektivitäten und hohen Umsätzen, die nahe am thermodynamischen Gleichgewicht liegen. Die Vorteile von Eisen als Aktivkomponente liegen in der Produktion von signifikanten Mengen an C₂₊-Kohlenwasserstoffen. Alle anderen Aktivkomponenten zeigten eine gemischte Produktzusammensetzung (d. h. bestehend aus Kohlenmonoxid, Methan, C₂₊-Kohlenwasserstoffen). Anhand von kinetischen Untersuchungen konnten die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit in Form einer scheinbaren Aktivierungsenergie sowie die Abhängigkeit vom Partialdruck an Kohlendioxid ermittelt werden. Für beide Parameter werden möglichst kleine Werte angestrebt. Dies bedeutet, dass bereits bei kleineren Partialdrücken und niedrigeren Reaktionstemperaturen signifikante Umsätze von Kohlendioxid zu beobachten sein sollten. Die Partialdruckabhängigkeit der Reaktionskinetik nimmt in folgender Reihenfolge der Aktivkomponenten zu: Ni, Rh < Ru < Co < Pt < Cu, Pd, <Re << Fe300-375°C. Die kinetischen Untersuchungen zeigten hierbei für die Methanisierungskatalysatoren die niedrigste Partial-druckabhängigkeit der Reaktionskinetik, gefolgt von den Katalysatoren für die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion. Die größte Kohlendioxid-Partialdruckabhängigkeit der Reaktionskinetik konnte an den Katalysatoren mit gemischter Produktzusammensetzung und am eisenhaltigen Fischer-Tropsch-Katalysator beobachtet werden. Die Reihenfolge der Temperaturabhängigkeit der Reaktionskinetik an den Aktivkomponenten lautet wie folgt: Pd < Cu < Ru < Pt, Co < Ni < Fe300-375°C < Rh, Re. Um auch die wirtschaftlichen Aspekte bei der Auswahl der Aktivkomponenten zu berücksichtigen, wurden die Marktpreise für die untersuchten Metalle verglichen. Die Preise für die Metalle wurden für eine Tonne Katalysator mit entsprechender Beladung berechnet. Anhand der Preise für die Aktivkomponenten und unter Einbeziehung der Ergebnisse der katalytischen Untersuchungen ist Nickel der Favorit für einen Methanisierungskatalysator und Eisen bevorzugt als Fischer-Tropsch-Katalysator.
Aufgrund der hohen Aktivität von Nickel wurde diese Aktivkomponente ausgewählt, um mit unterschiedlichen Trägermaterialien auf der Basis von Titandioxid das katalytische Potenzial zu evaluieren. Als Trägermaterialien wurden Lithiumtitanat, makro-/mesoporöse Titan-Aluminium-Mischoxide und mit Titandioxid beschichtetes Puralox SCFa-230 eingesetzt. Hierbei konnten an den makro-/mesoporösen Titan-Aluminium-Mischoxiden der unterschiedliche Einfluss von Titan und Aluminium auf die Eigenschaften des resultierenden Mischoxids beobachtet werden. Es zeigte sich, dass die strukturelle Stabilität und höhere spezifische Oberfläche von Aluminiumoxid sowie die höhere katalytische Aktivität durch Titandioxid im Mischoxid von Bedeutung sind. Zugleich bieten die Makro- und Mesoporen in den Mischoxiden einen verbesserten Stofftransport. Es konnte gezeigt werden, dass der titanhaltige Träger eine sehr geringe spezifische Oberfläche im Vergleich zum aluminiumhaltigen Träger aufweist. Bei den Mischoxiden beginnt ab einem Titangehalt von 50 mol-% die spezifische Oberfläche mit steigendem Titananteil stetig zu sinken. Anhand der temperaturprogrammierten Reduktion konnte eine zunehmende Reduzierbarkeit des Nickels mit steigendem Titangehalt im Trägermaterial beobachtet werden. Generell wurde an nickelhaltigen Katalysatoren Kohlendioxid mit sehr hohen Selektivitäten zu Methan umgewandelt. Im direkten Vergleich sind die Umsätze am Katalysator mit reinem Titandioxid deutlich höher als an dem Katalysator mit reinem γ-Aluminiumoxid als Träger. Dies zeigt die höhere katalytische Aktivität mit Titanoxid als Trägermaterial. Die niedrigsten Umsätze wurden am nickelbeladenen Mischoxid mit einem Titangehalt von 50 mol-% beobachtet, was wahrscheinlich mit der amorphen Struktur dieses Trägermaterials zusammenhängt. Die größte Aktivität für die Methanisierung von Kohlendioxid konnte an dem Mischoxid mit einem Titangehalt von 80 mol-% im Trägermaterial beobachtet werden. Anscheinend liegt hier ein Optimum zwischen der strukturellen Stabilität von Aluminium und der katalytischen Aktivität durch Titan im Mischoxid vor. Die spezifische Oberfläche des Titan-Aluminium-Mischoxids mit 80 mol-% Titan liegt mit 115 m²·g⁻¹ verglichen mit dem reinen Titanoxid mit 20 m²·g⁻¹ deutlich höher. Diese ist jedoch geringer als die spezifische Oberfläche des γ-Aluminiumoxids mit 225 m²·g⁻¹.
Die Modifizierung der Aktivkomponente wurde mit drei verschiedenen Klassen von Katalysatoren untersucht. Es wurden Mischungen zwischen Nickel und Rhodium, den beiden aktivsten Metallen aus Kapitel 4, sowie Mischungen aus Palladium, Nickel und Magnesium für die Methanisierung von Kohlendioxid untersucht. Für die Fischer-Tropsch-Synthese wurden eisenhaltige Katalysatoren modifiziert. Bei den Untersuchungen von Nickel und Rhodium sowie Palladium, Nickel und Magnesium als Aktivkomponente auf Puralox SCFa-230 wurde gefunden, dass bei Verwendung von Nickel als reiner Aktivkomponente die besten katalytischen Ergebnisse erzielt wurden. An allen untersuchten Katalysatoren wurde bei der katalytischen Umwandlung von Kohlendioxid eine hohe Selektivität zu Methan beobachtet. Hinweise auf eine positive Wirkung der Mischung der Aktivkomponenten konnten nicht gefunden werden. Mittels temperaturprogrammierter Reduktion wurde gefunden, dass – anders als zunächst vermutet – Nickel und Rhodium als voneinander isolierte Spezies vorliegen und nicht etwa als Legierung.
Aufbauend auf der Arbeit von Park und McFarland [38] wurden die Metalle Palladium, Nickel und Magnesium für die Methanisierung von Kohlendioxid kombiniert. Die Katalysatoren wurden schrittweise synthetisiert und ihre katalytische Aktivität untersucht. Bei allen Katalysatoren ist die katalytische Aktivität deutlich geringer als bei dem Katalysator mit reinem Nickel auf Puralox SCFa-230. Die katalytische Aktivität der Hochtemperatur-reduzierten Katalysatoren liegt noch einmal deutlich unter der katalytischen Aktivität der kalzinierten und danach reduzierten Katalysatoren. Dies liegt wahrscheinlich in einer geringeren Dispersion der Aktivkomponente begründet. Ursachen für eine geringe Dispersion können sein: (i) die direkte Reduktion der imprägnierten Metallkomponente ohne Kalzination als Zwischenschritt oder (ii) eine Be-günstigung der Metallsinterung durch die Hochtemperatur-Reduktion. Basierend auf den erzielten Ergebnissen stellt die Verwendung von Nickel auf γ-Aluminiumoxid als Träger ein Optimum hinsichtlich Aktivität, Selektivität, Stabilität und Preis dar.
Bei der Modifizierung der Fischer-Tropsch-Katalysatoren wurden verschiedene Promotoren zusammen mit Eisen auf Puralox SCFa-230 aufgebracht. Als Promotoren für Eisen wurden Zink oder Mangan eingesetzt und mit einem promotorfreien Eisenkatalysator verglichen. Hierzu wurden zum einen die Metalle in Form der entsprechenden Nitratsalze auf das γ-Aluminiumoxid imprägniert. Zum anderen wurden eisen- und eisen-/promotorhaltige Nanopartikel zur Im-prägnierung verwendet. Alle Katalysatoren lieferten bei der Hydrierung von Kohlendioxid ein Produktgemisch bestehend aus Kohlenmonoxid, Methan und C₂₊-Kohlenwasserstoffen. Die Ausbeuten an C₂₊-Kohlenwasserstoffen sind bei 400 °C am größten, wobei mit steigender Temperatur eine Abnahme der Kettenlänge beobachtet werden kann. Die Unterschiede der Metallsalz-imprägnierten Katalysatoren im Vergleich zu den Nanopartikel-imprägnierten Katalysatoren sind relativ gering. Die Nanopartikel-imprägnierten Katalysatoren bilden geringfügig kleinere Mengen an Kohlenmonoxid zugunsten von Methan. Beim Vergleich der Promotoren hat sich eine Dotierung mit Mangan gegenüber den zinkhaltigen- sowie den promotorfreien eisenhaltigen Katalysatoren als vorteilhaft herausgestellt. Die manganhaltigen Katalysatoren produzieren den größten Anteil an Olefinen in den einzelnen Fraktionen. Außer-dem liegt die Kettenwachstumswahrscheinlichkeit α bei niedrigeren Temperaturen höher als bei den anderen Katalysatoren.
In weiteren Untersuchungen wurden ungeträgerte Fischer-Tropsch-Katalysatoren betrachtet. Hierfür wurden zwei Fällungskatalysatoren hergestellt. Es wurde ein Katalysator, der ausschließlich aus Eisenoxid besteht, als Referenz untersucht sowie ein eisenhaltiger Katalysator mit den Promotoren Aluminium, Mangan und Kalium. Am reinen Eisenoxid konnte eine etwas höhere Kettenwachstumswahrscheinlichkeit α sowie ein höheres Verhältnis von Olefinen zu Paraffinen im Vergleich zu den geträgerten Katalysatoren beobachtet werden. Mit dem Fällungskatalysator, der promotiert war, wurden die besten Ergebnisse erzielt: Die Umsätze von Kohlendioxid, die Ausbeuten an C₂₊-Kohlenwasserstoffen sowie die Kettenwachstumswahr-scheinlichkeiten α und die Verhältnisse der Summe von Olefinen / sauerstoffhaltigen Verbin-dungen zu den Paraffinen sind bei allen Reaktionstemperaturen am größten. Die Ergebnisse zeigen, dass Vollkatalysatoren für die Fischer-Tropsch-Synthese besser geeignet sind als Trägerkatalysatoren.
Um den eingangs erläuterten Kapazitätsengpass bei der Speicherung von regenerativen Energien entgegen zu treten, stellt das Power-to-Gas-Verfahren einen interessanten Lösungsansatz dar. In diesem Zusammenhang wurde eine Modifizierung des Power-to-Gas-Verfahrens näher untersucht. Es wurde anhand von Modellrechnungen gezeigt, weshalb eine Brennwertanpassung mit kombinierter Fischer-Tropsch-Synthese notwendig erscheint. Die Katalysatoren wurden anhand der zuvor erlangten Erkenntnisse ausgewählt. Als Methanisierungskatalysatoren wurde jeweils ein cobalt , nickel- oder rhodiumhaltiger Katalysator mit dem promotorhaltigen Fällungskatalysator für die Fischer-Tropsch-Synthese kombiniert. Die Kom-bination eines Methanisierungskatalysators mit dem Fischer-Tropsch-Katalysator führte jedoch nicht wie erwartet zu einem Produktgas mit einem hohen Anteil von Methan sowie zusätzlich C₂₊-Kohlenwasserstoffen. Stattdessen wurde fast ausschließlich Methan gebildet. Die Variation der Verweilzeit am cobalthaltigen Katalysatorsystem und eine längere Laufzeituntersuchung am nickelhaltigen Katalysatorsystem zeigten zudem das Auftreten einer Desaktivierung des Methanisierungskatalysators. Nach dessen vollständiger Desaktivierung wurde die Produktzusammensetzung ausschließlich durch den Fischer-Tropsch-Katalysator bestimmt. Diese Beobachtungen können folgendermaßen erklärt werden: Zu Beginn der Katalysatorlaufzeit werden die entstandenen C₂₊-Kohlenwasserstoffe mittels Hydrogenolyse am Methanisierungskatalysator zu Methan umgewandelt. Das bei der Fischer-Tropsch-Synthese gebildete Kohlenmonoxid und ein Teil des restlichen Kohlendioxids werden ebenfalls zu Methan umgesetzt. Mit fortschreitender Verweilzeit desaktiviert der Methanisierungskatalysator durch Verkoken. Die Hydrogenolyse, welche vermutlich ebenfalls an den für die Methanisierung aktiven Zentren stattfindet, kommt vollständig zum Erliegen. Die Produktzusammensetzung wird nun vollständig durch die Katalyse am Fischer-Tropsch-Katalysator dominiert. Vor diesem Hintergrund erscheint die Suche nach Methanisierungskatalysatoren, die keine Hydrogenolyse von C₂₊-Kohlenwasserstoffen bewirken, als lohnenswert.
Um Spielkarten zu mischen gibt es unterschiedliche Techniken, die sich sowohl in ihrem Zeitaufwand, als auch in der Güte der Durchmischung unterscheiden. Der folgende Artikel vermittelt, wie man die Frage nach einer besonders guten Mischtechnik nutzen kann, um mathematische Modellierung anhand einer alltagsnahen Fragestellung in den Unterricht einzubinden. Dabei können verschiedene Aspekte der Stochastik angesprochen werden, und es bietet sich ein breites Potential, auf unterschiedlichen Niveaus Computer zum Generieren von Zufallsexperimenten zu verwenden.
Jugendliche sind häufige Nutzer öffentlicher Stadträume, die ihnen wichtige Möglichkeiten der Interaktion, aber auch Orte des Rückzugs aus dem privaten Raum des Elternhauses oder dem institutionalisierten Raum der Schule bieten. In der aktuellen wissenschaftlichen Diskussion um öffentlichen Raum tritt vielfach dessen Wandel in den Fokus, vor allem im Hinblick auf Tendenzen der Kommerzialisierung, Privatisierung, aber auch einer zunehmenden Unsicherheit und Kriminalität. Über diese Aspekte des Wandels werden, so die grundlegende These der vorliegenden Arbeit, Jugendlichen engere Grenzen gesetzt und Aneignungs- und Zu-gangsmöglichkeiten eingeschränkt. Ein Beispiel für neue privatisierte und kommerzialisierte Räume stellen Shopping Malls dar. In diesen, de jure nicht öffentlichen, sondern als quasi-öffentlich bezeichneten Räumen, in denen Sicherheit, Sauberkeit und Service Priorität haben, wird ein mit Jugendlichen oftmals assoziiertes, vermeintlich unkontrollierbares, abweichendes, ausprobierendes Verhalten als Störfaktor wahrgenommen.
Auf Basis qualitativer Interviews mit Jugendlichen, nicht-teilnehmender Beobachtung und Experteninterviews mit Verantwortlichen von Polizei, Streetwork und dem Management lokaler Shopping Malls, werden in zwei Fallstudien (Saarbrücken und Ludwigshafen) die Aneignung und Wahrnehmung unterschiedlicher innerstädtischer öffentlicher Räume (Fußgängerzone, Zentraler Stadtplatz, Grün- und Freiflächen), etwaige Nutzungskonflikte und die Bedeutung des neuen, quasi-öffentlichen Raumtyps „Shopping Mall“ diskutiert.
Den theoretischen Hintergrund liefern vor allem Arbeiten von Pierre Bourdieu, Anthony Giddens und Henri Lefebvre: In Anlehnung an Bourdieu muss Raum, und damit auch öffentlicher Raum, aus verschiedenen Dimensionen, insbesondere der physischen und der sozialen, gedacht werden, die jedoch wechselseitig aufeinander wirken. Er ist, so die Theorie Henri Lefebvres, in einem mehrdimensionalen Prozess sozial produziert. Im Rahmen dieses Produktionsprozesses bilden sich, im Rahmen des dem von Giddens dargestellten Dualismus von Handeln und Struktur, Macht- und Ordnungsstrukturen aus, die Handeln und damit Nutzungsmöglichkeiten beeinflussen.
Die Ergebnisse der Fallstudien zeigen, dass öffentliche Räume von Jugendlichen, nach wie vor, als Interaktions-, Rückzugs- Mobilitäts- und Konsumräume genutzt werden. Dennoch sind Transformationsprozesse sichtbar: Kommerzialisierung und Privatisierung beeinflussen den Zugang zu und die Nutzungsmöglichkeiten von öffentlichen und quasi-öffentlichen Räumen. Auch durch gestiegene Unsicherheit, von aber auch durch Jugendliche, sowie Kontrollen verändern sich Möglichkeitsräume. Diese Kontrollen werden jedoch durchaus auch positiv und als Notwendigkeit bewertet, um zunehmender Unsicherheit zu begegnen.
Von Jugendlichen sind insgesamt Anpassungsleistungen notwendig, vor allem hinsichtlich eines angemessenen Verhaltens in öffentlichen und quasi-öffentlichen Räumen. Sie müssen sich mit bestehenden Macht- und Ordnungsstrukturen auseinandersetzen und sich diesen häufig unterordnen. Sind sie dazu nicht bereit oder nehmen Konflikte Überhand, werden Treffpunkte und Nutzungen aufgegeben. Besonders am Beispiel der „Shopping Malls“ wurde deutlich, dass eingeschränkte Zugangsmöglichkeiten und geltende Verhaltensvorschriften Änderungen der räumlichen Praxis notwendig machen, um Nutzung zu legitimieren. Shopping Malls können aber das Angebot an Freizeiträumen für Jugendliche auch erweitern. Gerade wenn ein Mangel an adäquaten Treffpunkten herrscht und klassische öffentliche Räume von „Verödung“ betroffen sind, so wie es im Fallbeispiel Ludwigshafen der Fall war, bilden sie einen alternativen „Erlebnisort“.
This thesis is concerned with interest rate modeling by means of the potential approach. The contribution of this work is twofold. First, by making use of the potential approach and the theory of affine Markov processes, we develop a general class of rational models to the term structure of interest rates which we refer to as "the affine rational potential model". These models feature positive interest rates and analytical pricing formulae for zero-coupon bonds, caps, swaptions, and European currency options. We present some concrete models to illustrate the scope of the affine rational potential model and calibrate a model specification to real-world market data. Second, we develop a general family of "multi-curve potential models" for post-crisis interest rates. Our models feature positive stochastic basis spreads, positive term structures, and analytic pricing formulae for interest rate derivatives. This modeling framework is also flexible enough to accommodate negative interest rates and positive basis spreads.
The Context and Its Importance: In safety and reliability analysis, the information generated by Minimal Cut Set (MCS) analysis is large.
The Top Level event (TLE) that is the root of the fault tree (FT) represents a hazardous state of the system being analyzed.
MCS analysis helps in analyzing the fault tree (FT) qualitatively-and quantitatively when accompanied with quantitative measures.
The information shows the bottlenecks in the fault tree design leading to identifying weaknesses of the system being examined.
Safety analysis (containing the MCS analysis) is especially important for critical systems, where harm can be done to the environment or human causing injuries, or even death during the system usage.
Minimal Cut Set (MCS) analysis is performed using computers and generating a lot of information.
This phase is called MCS analysis I in this thesis.
The information is then analyzed by the analysts to determine possible issues and to improve the design of the system regarding its safety as early as possible.
This phase is called MCS analysis II in this thesis.
The goal of my thesis was developing interactive visualizations to support MCS analysis II of one fault tree (FT).
The Methodology: As safety visualization-in this thesis, Minimal Cut Set analysis II visualization-is an emerging field and no complete checklist regarding Minimal Cut Set analysis II requirements and gaps were available from the perspective of visualization and interaction capabilities,
I have conducted multiple studies using different methods with different data sources (i.e., triangulation of methods and data) for determining these requirements and gaps before developing and evaluating visualizations and interactions supporting Minimal Cut Set analysis II.
Thus, the following approach was taken in my thesis:
1- First, a triangulation of mixed methods and data sources was conducted.
2- Then, four novel interactive visualizations and one novel interaction widget were developed.
3- Finally, these interactive visualizations were evaluated both objectively and subjectively (compared to multiple safety tools)
from the point of view of users and developers of the safety tools that perform MCS analysis I with respect to their degree in supporting MCS analysis II and from the point of non-domain people using empirical strategies.
The Spiral tool supports analysts with different visions, i.e., full vision, color deficiency protanopia, deuteranopia, and tritanopia. It supports 100 out of 103 (97%) requirements obtained from the triangulation and it fills 37 out of 39 (95%) gaps. Its usability was rated high (better than their best currently used tools) by the users of the safety and reliability tools (RiskSpectrum, ESSaRel, FaultTree+, and a self-developed tool) and at least similar to the best currently used tools from the point of view of the CAFTA tool developers. Its quality was higher regarding its degree of supporting MCS analysis II compared to the FaultTree+ tool. The time spent for discovering the critical MCSs from a problem size of 540 MCSs (with a worst case of all equal order) was less than a minute while achieving 99.5% accuracy. The scalability of the Spiral visualization was above 4000 MCSs for a comparison task. The Dynamic Slider reduces the interaction movements up to 85.71% of the previous sliders and solves the overlapping thumb issues by the sliders provides the 3D model view of the system being analyzed provides the ability to change the coloring of MCSs according to the color vision of the user provides selecting a BE (i.e., multi-selection of MCSs), thus, can observe the BEs' NoO and provides its quality provides two interaction speeds for panning and zooming in the MCS, BE, and model views provide a MCS, a BE, and a physical tab for supporting the analysis starting by the MCSs, the BEs, or the physical parts. It combines MCS analysis results and the model of an embedded system enabling the analysts to directly relate safety information with the corresponding parts of the system being analyzed and provides an interactive mapping between the textual information of the BEs and MCSs and the parts related to the BEs.
Verifications and Assessments: I have evaluated all visualizations and the interaction widget both objectively and subjectively, and finally evaluated the final Spiral visualization tool also both objectively and subjectively regarding its perceived quality and regarding its degree of supporting MCS analysis II.
Integrating Security Concerns into Safety Analysis of Embedded Systems Using Component Fault Trees
(2016)
Nowadays, almost every newly developed system contains embedded systems for controlling system functions. An embedded system perceives its environment via sensors, and interacts with it using actuators such as motors. For systems that might damage their environment by faulty behavior usually a safety analysis is performed. Security properties of embedded systems are usually not analyzed at all. New developments in the area of Industry 4.0 and Internet of Things lead to more and more networking of embedded systems. Thereby, new causes for system failures emerge: Vulnerabilities in software and communication components might be exploited by attackers to obtain control over a system. By targeted actions a system may also be brought into a critical state in which it might harm itself or its environment. Examples for such vulnerabilities, and also successful attacks, became known over the last few years.
For this reason, in embedded systems safety as well as security has to be analyzed at least as far as it may cause safety critical failures of system components.
The goal of this thesis is to describe in one model how vulnerabilities from the security point of view might influence the safety of a system. The focus lies on safety analysis of systems, so the safety analysis is extended to encompass security problems that may have an effect on the safety of a system. Component Fault Trees are very well suited to examine causes of a failure and to find failure scenarios composed of combinations of faults. A Component Fault Tree of an analyzed system is extended by additional Basic Events that may be caused by targeted attacks. Qualitative and quantitative analyses are extended to take the additional security events into account. Thereby, causes of failures that are based on safety as well as security problems may be found. Quantitative or at least semi-quantitative analyses allow to evaluate security measures more detailed, and to justify the need of such.
The approach was applied to several example systems: The safety chain of the off-road robot RAVON, an adaptive cruise control, a smart farming scenario, and a model of a generic infusion pump were analyzed. The result of all example analyses was that additional failure causes were found which would not have been detected in traditional Component Fault Trees. In the analyses also failure scenarios were found that are caused solely by attacks, and that are not depending on failures of system components. These are especially critical scenarios which should not happen in this way, as they are not found in a classical safety analysis. Thus the approach shows its additional benefit to a safety analysis which is achieved by the application of established techniques with only little additional effort.
Since the early days of representation theory of finite groups in the 19th century, it was known that complex linear representations of finite groups live over number fields, that is, over finite extensions of the field of rational numbers.
While the related question of integrality of representations was answered negatively by the work of Cliff, Ritter and Weiss as well as by Serre and Feit, it was not known how to decide integrality of a given representation.
In this thesis we show that there exists an algorithm that given a representation of a finite group over a number field decides whether this representation can be made integral.
Moreover, we provide theoretical and numerical evidence for a conjecture, which predicts the existence of splitting fields of irreducible characters with integrality properties.
In the first part, we describe two algorithms for the pseudo-Hermite normal form, which is crucial when handling modules over ring of integers.
Using a newly developed computational model for ideal and element arithmetic in number fields, we show that our pseudo-Hermite normal form algorithms have polynomial running time.
Furthermore, we address a range of algorithmic questions related to orders and lattices over Dedekind domains, including computation of genera, testing local isomorphism, computation of various homomorphism rings and computation of Solomon zeta functions.
In the second part we turn to the integrality of representations of finite groups and show that an important ingredient is a thorough understanding of the reduction of lattices at almost all prime ideals.
By employing class field theory and tools from representation theory we solve this problem and eventually describe an algorithm for testing integrality.
After running the algorithm on a large set of examples we are led to a conjecture on the existence of integral and nonintegral splitting fields of characters.
By extending techniques of Serre we prove the conjecture for characters with rational character field and Schur index two.
Infobrief FBK 50/16
(2016)
Infobrief FBK 49/16
(2016)
α-, β- und γ-Asaron gehören zur Gruppe der Phenylpropanoide und kommen überwiegend in Pflanzen der Familien Aristolochiaceae, Acoraceae und Lauraceae vor. Asarone sind im etherischen Öl dieser Pflanzen enthalten, welches hauptsächlich als Aromastoff in
alkoholischen Getränken wie Bitterlikören oder in der traditionellen Pflanzenmedizin
eingesetzt wird. α- und β-Asaron besitzen pharmakologische Eigenschaften und könnten potentiell in der Therapie von verschiedenen Krankheiten eingesetzt werden, jedoch haben Studien gezeigt, dass diese Verbindungen sowie indisches Kalmusöl im Tierversuch im Nager
krebserregend sind (Dünndarm und Leber). Der Mechanismus dieser kanzerogenen Wirkung ist derzeit noch unklar, wobei ein gentoxischer Weg nicht ausgeschlossen werden kann. Studien zur Gentoxizität der propenylischen Verbindungen α- und β-Asaron sind bislang uneinheitlich. Daten zur Kanzerogenität und Gentoxizität des allylischen γ-Asarons fehlen
gänzlich. Basierend auf der aktuellen Datenlage ist eine Risikobewertung für Zubereitungen, die Asarone enthalten, nicht möglich. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation sollte daher
mithilfe von verschiedenen in vitro Testsystemen ein Beitrag zur Aufklärung des Wirkmechanismus der Kanzerogenität geleistet und die Frage nach der Gentoxizität der Asarone geklärt werden. Dazu wurde zunächst ein bakterieller Mutagenitätstest (Ames-Fluktuationstest) mit und ohne exogene metabolische Aktivierung (S9-Mix) in den Salmonella
typhimurium-Stämmen TA97a, TA98, TA100 und TA102 eingesetzt. Zusätzlich wurden Untersuchungen zur Zytotoxizität und Gentoxizität in Säugerzellen durchgeführt. Zur Überprüfung der Mutagenität diente der Hypoxanthinphosphoribosyltransferase (HPRT)-Test in V79-Zellen und gentechnisch veränderten V79-Zellen (V79-hCYP1A2-hSULT1A1*1 und V79-
rCYP1A2-rSULT1C1) und zur Bestimmung des gentoxischen Potentials wurde der
Mikrokerntest in V79-Zellen und metabolisch kompetenten HepG2-Zellen herangezogen. α- und β-Asaron zeigten im Ames-Fluktuationstest nur nach metabolischer Aktivierung ein mutagenes Potential. Diese Ergebnisse deuten auf die wichtige Rolle des Metabolismus in der
Toxizität der propenylischen Asarone hin. Deshalb wurden neben den drei Asaron-Isomeren auch ausgewählte oxidative Metaboliten ((E/Z)-Asaron-1',2'-epoxid, γ-Asaron-2',3'-epoxid, erythro- und threo-1',2'-Dihydro-1',2'-dihydroxyasaron, (E/Z)-3'-Oxoasaron und 2,4,5-Trimethoxyphenyl-2-propanon) auf Mutagenität getestet. Dabei konnte festgestellt werden, dass die mutagene Wirkung von α- und β-Asaron auf die Epoxidierung der Seitenkette
zurückzuführen ist, da die entsprechenden Epoxide im Ames-Fluktuationstest ebenfalls mutagen waren. Außerdem führte der HPRT-Test in den gentechnisch veränderten V79-hCYP1A2-hSULT1A1*1-Zellen zu einer leichten Erhöhung der Mutationsfrequenz nach Inkubation mit den Asaronen, während der Test in den Standard-V79- und V79-rCYP1A2-rSULT1C1-Zellen für diese Verbindungen keine Veränderung im Vergleich zur Negativkontrolle zeigte. Im Mikrokerntest in HepG2-Zellen konnte ebenfalls ein gentoxisches Potential für die
propenylischen Asarone nachgewiesen werden. Welchen Einfluss dabei der Metabolismus der Substanzen hat, wurde mithilfe einer Vorinkubation mit TCDD überprüft, welches vor allem zur Induktion von CYP1A-Enzymen in HepG2-Zellen führt. Bei allen drei Asaron-Isomeren
wurde dadurch eine Erhöhung der relativen Mikrokernrate erreicht, insbesondere jedoch bei α-Asaron. Die Inkubation mit den oxidativen Metaboliten gab Hinweise darauf, dass die gentoxische Wirkung hier vermutlich auf die Bildung von (E/Z)-3'-Oxoasaron zurückzuführen ist. In der vorliegenden Arbeit konnte somit gezeigt werden, dass nicht nur zwischen allylischen und propenylischen Asaronen Unterschiede in der Gentoxizität vorliegen, sondern auch zwischen dem trans(α)- und cis(β)-Isomer. Dieser Befund geht mit den neuesten Untersuchungen zum Metabolismus dieser Substanzen einher, der sich ebenfalls zwischen den propenylischen Asaronen unterscheidet. Dem allylischen γ-Asaron liegt wiederum ein anderer Wirkmechanismus zugrunde. Der postulierte Metabolismusweg für vergleichbare allylische Alkenylbenzene basiert auf einer CYP-Hydroxylierung der Seitenkette und einer weiteren Sulfonierung durch Sulfotransferasen. Durch eine spontane Abspaltung der Sulfat-Gruppe entsteht ein reaktives Carbokation, das mit nukleophilen Zentren (z.B. Proteinen oder DNA) reagieren und somit letztlich zu Mutationen und der Entstehung von Krebs beitragen
kann. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit geben jedoch keinen Hinweis darauf, dass es bei γ-Asaron analog zu anderen allylischen Propenylbenzenen zu einer Bildung eines ultimaten Kanzerogens kommt, da keine mutagene Wirkung in den hier verwendeten Testsystemen zu
beobachten war, die zum Großteil eine Aktivierung über Sulfotransferasen ermöglichten.
Immobilisierung von Glycosidasen an magnetische Partikel mit dem Ziel einer Weinaromaverbesserung
(2016)
In der Winzertechnik werden Enzympräparate für diverse Anwendungen eingesetzt. Dabei gibt es zahlreiche kommerzielle Enzyme zur Verbesserung bzw. Freisetzung von Aromen. Solche Enzympräparate werden nach einiger Zeit durch eine Bentonitschönung inaktiviert bzw. ausgefällt und gehen damit verloren. Der Einsatz von neuem Enzympräparat bei jedem weiteren Gärungsansatz stellt dabei einen Kostenfaktor für den Winzer dar und es bleibt eine gewisse Rest-Enzymaktivität im Wein erhalten. Letzteres führt dazu, dass solche Weine sensorisch nach einem halben bis einem Jahr abbauen. Um sensorische Beeinträchtigungen und Qualitätsminderungen vorzubeugen ist eine vollständige Entfernung der Enzyme wichtig. Eine Immobilisierung dieser Enzyme an Magnetit-Partikel stellt eine Möglichkeit dar, dieses Problem zu lösen. Besonders die vollständige Entfernung durch eine Magnet-Separation und die anschließende Wiederverwendbarkeit der Enzyme sind dabei wichtige Vorteile für den Winzer.
Bei Enzympräparaten zur Weinaromaverbesserung handelt es sich um pektolytische Enzymmischungen mit einer β-Glucosidase-Nebenaktivität. Gerade in Weißwein kommen viele Aromen glykosidisch gebunden vor und sind dadurch sensorisch nicht wirksam. Diese glykosidischen Verbindungen können durch eine β Glucosidase-Aktivität gespalten und das entsprechende Aroma-Aglykon freigesetzt werden. Allerdings liegt bei der Freisetzung der Aromastoffe ein sequentieller Mechanismus vor, d.h. es werden ebenfalls andere Glycosidasen, wie Arabinosidase, Rhamnosidase oder Xylosidase, benötigt, um Aroma freizusetzen. Daher muss es sich bei den für die Aromafreisetzung eingesetzten Enzymen immer um eine Mischung aus Glycosidasen handeln. Die Immobilisierung verschiedener Enzyme auf einen Träger ist dahingehend eine Herausforderung, indem jedes Enzym andere Voraussetzungen hat, um erfolgreich an einen Träger zu koppeln. Aus diesem Grund ist die simultane Immobilisierung mehrere Enzyme immer nur ein Kompromiss.
Ziel dieser Arbeit war es, die Enzyme erfolgreich an Magnetit-Partikel zu koppeln und mittels analytischer und sensorischer Untersuchungen die Wirksamkeit und die Eigenschaften der Enzyme hinsichtlich eines Einsatzes in der Winzertechnik zu bewerten. Zur Immobilisierung wurden superparamagnetische Magnetit-Partikel, die in einer Matrix aus Polyvinylalkohol eingeschlossen waren, verwendet und die Konjugation der Enzyme wurde mit Carbodiimid durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist mehrere Glycosidasen verschiedener Spezifität aus einem kommerziellen, önologischen Enzympräparat erfolgreich an Magnetit-Partikel zu koppeln und dadurch die Aroma-Ausprägung von Wein positiv zu beeinflussen. Bei den untersuchten Bedingungen stellten sich pH 3,8 bis 4,0 als beste Voraussetzung heraus, um möglichst viele Glycosidasen aktiv an den Träger zu konjugieren. Generell hatte die β-Glucosidase eine relativ hohe Kopplungsaffinität zum Träger, sodass im immobilisierten Enzymgemisch andere Mengenverhältnisse der einzelnen Glycosidasen vorlagen als im Ausgangsprodukt. Untersuchungen hinsichtlich einer möglichen Änderung im Aktivitätsprofil zeigten keine signifikanten Unterschiede. Durch die Kopplungsreaktion kam es zu keiner negativen Beeinträchtigung. Für alle Enzympräparate wurde allerdings eine deutliche Inhibition der β-Glucosidase-Aktivität durch Glucose festgestellt. Die Enzyme sollten daher erst am Ende bzw. nach der Gärung eingesetzt werden, da dort die Glucose-Konzentration am niedrigsten ist. Stabilitätsuntersuchungen der gekoppelten Glycosidasen im Wein zeigten lediglich leichte Aktivitätsverluste. Somit war die Kopplung stabil und stellte kein Hindernis für einen Einsatz im Wein dar. Die Rückgewinnung der Magnetit-Partikel aus Wein wurde mit Hilfe eines Hochgradient-Magnet-Separators durchgeführt. Die Separation hatte ebenfalls keinen negativen Einfluss auf die Enzymaktivität der gekoppelten Enzyme.
Da die Enzyme an Magnetit-Partikel gekoppelt wurden, ist eine mögliche Eisenmigration aus den Partikeln in den Wein ebenfalls ein wichtiges Kriterium und wurde entsprechend untersucht. Dabei konnten durch den Einsatz der Magnetit-Partikel im Wein teilweise ein stark erhöhter Eisengehalt festgestellt werden. Eine erhöhte Eisen-Konzentration im Wein kann zu drastischen Qualitätseinbußen und zu vermehrter Oxidation führen. In Folge dessen stellt die Eisenmigration aus den Partikeln noch ein erhebliches Problem bei einem späteren Einsatz in der Winzertechnik dar. Untersuchungen zum Phenolgehalt der mit Magnetit-Partikel behandelten Weinproben ließen auf einen solchen oxidativen Abbau durch die erhöhten Eisen-Konzentrationen schließen. Weitere Untersuchungen einiger Einzelphenole bestätigten diese Annahme. Neben verminderten Phenolgehalten konnten dagegen einige Phenole, wie Kaffeesäure, p Coumarsäure und Resveratrol, durch den Enzymeinsatz signifikant gesteigert werden.
Weitere Untersuchungen zeigten, dass die gekoppelten Enzyme fähig waren, Aromastoffe im Wein freizusetzen. Der Terpengehalt konnte signifikant durch Enzymeinsatz, sowohl frei als auch immobilisiert, gesteigert werden. Dies betraf besonders die Monoterpene Nerol und Geraniol. Ein Vergleich zwischen gekoppelten und freien Glycosidasen zeigte, dass durch das nicht-immobilisierte Enzymgemisch etwas mehr der untersuchten Verbindungen freigesetzt wurde. Dieser Effekt kann mit der durch die Kopplung veränderten Enzym-Zusammensetzung erklärt werden, da ein größerer Anteil an β-Glucosidase an die Magnetit-Partikel koppelte, aufgrund des sequentiellen Mechanismus, aber auch andere Glycosidasen von Bedeutung sind, um das entsprechende Aglykon freizusetzen.
An Magnetit-Partikel gekoppelte Glycosidasen können gut in bestehende Batch-Prozesse der Weinherstellung integriert werden. Außerdem sind, abgesehen vom Magnet-Separator, nur geringe Investitionen in neue Anlagen nötig. Weitere Vorteile sind eine gute Abtrennung und Wiederverwendbarkeit der gekoppelten Enzyme, enzymfreies Produkt, nahezu identische Anwendung im Vergleich zu bestehenden Enzympräparaten und es ist kaum neue Prozess-Expertise für die Winzer notwendig. Die Prozessbetrachtung zeigte allerdings auch die Komplexität der Hydrolyse glykosidisch gebundener Stoffe im Wein, da eine Vielzahl von Faktoren die Hydrolyse der Glykoside im Wein beeinflusst. Somit ist eine Vorhersage bzw. Abschätzung der Freisetzung an Aromastoffen im Wein durch einen Enzymeinsatz äußerst kompliziert und es ist zurzeit noch nicht möglich die erworbenen Kenntnisse zur Hydrolyse der Glykoside den Weingütern effizient zur Verfügung zu stellen.
Die Glycosidasen β-Glucosidase, Arabinosidase, Rhamnosidase und Xylosidase konnten erfolgreich auf die verwendeten Magnetit-Partikel immobilisiert, deren mögliche Wiederverwendbarkeit gezeigt und durch den Einsatz dieser Enzyme der Gehalt an Terpenen und einiger Phenole signifikant gesteigert werden. Diese Erkenntnisse zeigen, dass ein Einsatz der an Magnetit-Partikel gekoppelten Glycosidasen in der Winzertechnik möglich ist. Allerdings können die erhöhten Eisengehalte durch die Verwendung der Magnetit-Partikel zu Qualitätseinbußen führen. Daher sind die verwendeten Partikeln noch nicht für einen Einsatz in der Winzertechnik geeignet. Diese bedürfen weiterer Entwicklung, da für einen erfolgreichen Einsatz möglichst inerte Partikel vorliegen sollten, um die beschriebenen negativen Effekte zu minimieren.
Ausgangspunkt und Vorgehen:
Smartphones bieten zahlreiche interessante Experimentiermöglichkeiten und weisen dabei Vorteile gegenüber herkömmlichen Experimenten auf: Die Geräte besitzen verschie- dene interne Sensoren, so dass mit nur einem Medium viele verschiedene physikalische Phänomene untersucht werden können. Smartphones eignen sich zur Behandlung der Mechanik, der Akustik, des Elektromagnetismus, der Optik und der Radioaktivität, wobei Experimente sowohl innerhalb, als auch außerhalb der Schule möglich sind. Hinzu kommt, dass heute nahezu alle Jugendlichen ein eigenes Smartphone besitzen, so dass auch die Möglichkeit besteht, Versuche als Hausaufgabe einzusetzen. Diese Vorteile sind in der fachdidaktischen Forschung bekannt, weswegen bereits zahlreiche experimentelle Konzep- te in der Literatur vorhanden sind.
Im Gegensatz zur Erstellung experimenteller Konzepte wurde die empirische Untersu- chung der Lerneffekte von Smartphones allerdings von der Forschung bisher kaum in den Blick genommen, obwohl Auswirkungen auf Motivation, Neugier und Leistung auf der Grundlage verschiedener theoretischer Rahmenwerke (kontextorientiertes Lernen, Neu- gier, Cognitive Load Theory und Cognitive-Affective Theory of Learning with Media) ange- nommen werden können. Eine schrittweise Erkundung der Auswirkungen des Einsatzes der Geräte auf affektive und kognitive Variablen des Lernens ist daher notwendig. In die- sem Sinne wird als ein erster Schritt hin zu einem umfänglichen Verständnis der Möglich- keiten der Förderung des Lernens in Physik durch das Experimentieren mit Smartphones und den darin verbauten Beschleunigungssensoren eine Untersuchung in einer traditionel- len Unterrichtssituation mit bewährten Experimenten im Themenbereich Mechanik durch- geführt. Auch wenn so das Potenzial der Geräte nicht vollständig ausgenutzt wird, wurde diese Vorgehensweise aus zwei Gründen beschritten: Zum einen muss das Lernen außer- halb des Unterrichts im Unterricht vorbereitet werden; zum anderen lässt sich so eine gute Kontrollierbarkeit und geringe Konfundierung der untersuchten Variablen bei gleichzeitig hoher ökologischer Validität realisieren.
Zur Untersuchung der Lerneffekte durch den Einsatz der Beschleunigungssensoren von Smartphones wurde zunächst eine Pilotstudie mit 122 Schülerinnen und Schülern durch- geführt. An der anschließenden Hauptstudie nahmen 245 Schülerinnen und Schüler aus 15 Klassen und Kursen von sechs Gymnasien aus Rheinland-Pfalz teil. Für beide Studien wurden experimentelle Aufbauten und zugehörige Instruktionsmaterialien für inhaltsgleiche Experimente mit dem Beschleunigungssensor von Smartphones einerseits und mit traditio- nellem Equipment andererseits entwickelt. Außerdem wurden verschiedene Testinstrumen- te konstruiert oder adaptiert.
Ausgewählte Ergebnisse:
Außer den bereits bekannten praktischen und experimentellen Vorteilen von Smartphones kann der Einsatz des Beschleunigungssensors der Geräte förderlich für das Lernen sein. Zunächst wurde festgestellt, dass keine der häufig befürchteten Nachteile der Nutzung moderner Kommunikationsmedien im Unterricht auftraten. Die Schülerinnen und Schüler waren durch den zielgerichteten Medieneinsatz nicht überfordert: Der von den Schülerin- nen und Schülern wahrgenommene allgemeine Cognitive Load war in der Smartphone- Gruppe nicht größer als in der Kontrollgruppe, der speziell auf die Nutzung der Geräte be- zogene Cognitive Load wurde als eher klein empfunden. Die Lernleistung der Schülerinnen und Schüler war außerdem unabhängig von ihrer Vorerfahrung mit Experimenten oder mit Technik, eine befürchtete Limitierung der positiven Effekte von Smartphones auf bestimmte Schülergruppen war also nicht festzustellen. Häufig wird als Argument gegen Smartphones in der Schule ins Feld geführt, dass diese zu stark vom Unterricht ablenkten. Eine beson- ders große Ablenkung konnte jedoch in der Intervention nicht beobachtet werden: Die Schülerinnen und Schüler der Smartphone-Gruppe arbeiteten ebenso konzentriert wie die der Kontrollgruppe (die bisweilen ebenfalls durch Gespräche oder Ähnliches abgelenkt waren). Dementsprechend war auch keine Minderung des Lernerfolgs in der Smartphone- Gruppe festzustellen.
Neben dem Ausbleiben befürchteter Nachteile traten außerdem explizite Vorteile durch das Lernen mit Beschleunigungssensoren von Smartphones auf: Das Interesse und Engage- ment der Schülerinnen und Schüler in der Smartphone-Gruppe war signifikant größer als das in der Kontrollgruppe (d = 0,4). Dabei ist der gefundene Gruppenunterschied so groß, dass davon ausgegangen werden kann, dass hier mehr als ein bloßer Neuigkeitseffekt vorliegt. Hinzu kommt, dass durch das Lernen mit Smartphones vor allem das Interesse bezüglich des Physikunterrichts bei den Schülerinnen und Schülern geweckt wurde, die vor der Intervention eher wenig interessiert waren.
Ein weiterer Effekt durch das Lernen mit den Beschleunigungssensoren von Smartphones betrifft die Neugier bezüglich der Inhalte der Experimente: Diese Neugier war in der Smartphone-Gruppe signifikant stärker ausgeprägt als in der Kontrollgruppe (d = 0,25). Dabei konnte kein Einfluss der experimentellen Vorerfahrung oder der fachlichen Vor- kenntnisse auf die Neugier festgestellt werden, es liegt also eine weitgehend vorausset- zungsfreie Förderung vor. Die Einstellung gegenüber Smartphones war bei den meisten Schülerinnen und Schülern eher positiv, unabhängig von ihrem Interesse am Physikunter- richt oder ihrem Selbstkonzept. Bei leistungsschwächeren Schülerinnen und Schülern war die positive Haltung gegenüber dem Einsatz von Smartphones im Unterricht sogar stärker ausgeprägt als bei leistungsstarken.
Kognitive Vorteile durch das Lernen mit dem Beschleunigungssensor von Smartphones konnten nicht festgestellt werden. Es traten allerdings auch keine Nachteile auf: In beiden Gruppen gab es mittlere gewichtete Lernzuwächse (gSG = 0,38, gKG = 0,33) mit großen Effektstärken (dSG = 0,95, dKG = 1,09), wobei die Smartphone-Gruppe genau so gut ab- schnitt wie die Kontrollgruppe.
Abgesehen von den Erkenntnissen bezüglich der Lerneffekte von Smartphones konnten die beiden neu erstellten Testinstrumente der primären Fragestellung übergeordnete Er- kenntnisse liefern: Der für die Hauptstudie entwickelte Konzepttest zur Periodizität mecha- nischer harmonischer Schwingungen liefert Hinweise auf bisher unbekannte Präkonzepte. So glaubten einige Schülerinnen und Schüler, dass ein kleiner Ortsfaktor die Bewegung eines Federpendels verlangsamen würde, was zu einer größeren Schwingungsdauer führ- te. Zum anderen bestand die intuitive Vorstellung, dass die Dämpfung eines Fadenpendels durch die Gravitationskraft verursacht würde, da diese das Pendel an den tiefsten Punkt seiner Bahn ziehe.
Außerdem wurden in der vorliegenden Arbeit erste Schritte hin zu einem Testinstrument für das episodische Gedächtnis in instruktionalen Kontexten unternommen. Drei Itemformate stellten sich als geeignet für die Untersuchung heraus, unter anderem die Wiedererken- nung von Bildern beim Experimentieren verwendeter Gegenstände. Zum Zusammenhang zwischen dem episodischen Gedächtnis und dem Lernen ergaben sich erste Hinweise, die vielversprechende Ansätze für weitere Forschungen bieten.
Computer Vision (CV) problems, such as image classification and segmentation, have traditionally been solved by manual construction of feature hierarchies or incorporation of other prior knowledge. However, noisy images, varying viewpoints and lighting conditions of images, and clutters in real-world images make the problem challenging. Such tasks cannot be efficiently solved without learning from data. Therefore, many Deep Learning (DL) approaches have recently been successful for various CV tasks, for instance, image classification, object recognition and detection, action recognition, video classification, and scene labeling. The main focus of this thesis is to investigate a purely learning-based approach, particularly, Multi-Dimensional LSTM (MD-LSTM) recurrent neural networks to tackle the challenging CV tasks, classification and segmentation on 2D and 3D image data. Due to the structural nature of MD-LSTM, the network learns directly from raw pixel values and takes the complex spatial dependencies of each pixel into account. This thesis provides several key contributions in the field of CV and DL.
Several MD-LSTM network architectural options are suggested based on the type of input and output, as well as the requiring tasks. Including the main layers, which are an input layer, a hidden layer, and an output layer, several additional layers can be added such as a collapse layer and a fully connected layer. First, a single Two Dimensional LSTM (2D-LSTM) is directly applied on texture images for segmentation and show improvement over other texture segmentation methods. Besides, a 2D-LSTM layer with a collapse layer is applied for image classification on texture and scene images and have provided an accurate classification results. In addition, a deeper model with a fully connected layer is introduced to deal with more complex images for scene labeling and outperforms the other state-of-the-art methods including the deep Convolutional Neural Networks (CNN). Here, several input and output representation techniques are introduced to achieve the robust classification. Randomly sampled windows as input are transformed in scaling and rotation, which are integrated to get the final classification. To achieve multi-class image classification on scene images, several pruning techniques are introduced. This framework provides a good results in automatic web-image tagging. The next contribution is an investigation of 3D data with MD-LSTM. The traditional cuboid order of computations in Multi-Dimensional LSTM (MD-LSTM) is re-arranged in pyramidal fashion. The resulting Pyramidal Multi-Dimensional LSTM (PyraMiD-LSTM) is easy to parallelize, especially for 3D data such as stacks of brain slice images. PyraMiD-LSTM was tested on 3D biomedical volumetric images and achieved best known pixel-wise brain image segmentation results and competitive results on Electron Microscopy (EM) data for membrane segmentation.
To validate the framework, several challenging databases for classification and segmentation are proposed to overcome the limitations of current databases. First, scene images are randomly collected from the web and used for scene understanding, i.e., the web-scene image dataset for multi-class image classification. To achieve multi-class image classification, the training and testing images are generated in a different setting. For training, images belong to a single pre-defined category which are trained as a regular single-class image classification. However, for testing, images containing multi-classes are randomly collected by web-image search engine by querying the categories. All scene images include noise, background clutter, unrelated contents, and also diverse in quality and resolution. This setting can make the database possible to evaluate for real-world applications. Secondly, an automated blob-mosaics texture dataset generator is introduced for segmentation. Random 2D Gaussian blobs are generated and filled with random material textures. These textures contain diverse changes in illumination, scale, rotation, and viewpoint. The generated images are very challenging since they are even visually hard to separate the related regions.
Overall, the contributions in this thesis are major advancements in the direction of solving image analysis problems with Long Short-Term Memory (LSTM) without the need of any extra processing or manually designed steps. We aim at improving the presented framework to achieve the ultimate goal of accurate fine-grained image analysis and human-like understanding of images by machines.
This paper presents a method for classifying traffic participants based on high-resolution automotive radar sensors for autonomous driving applications. The major classes of traffic participants addressed in this work are pedestrians, bicyclists and passenger cars. The preprocessed radar detections are first segmented into distinct clusters using density-based spatial clustering of applications with noise (DBSCAN) algorithm. Each cluster of detections would typically have different properties based on the respective characteristics of the object that they originated from. Therefore, sixteen distinct features based on radar detections, that are suitable for separating pedestrians, bicyclists and passenger car categories are selected and extracted for each of the cluster. A support vector machine (SVM) classifier is constructed, trained and parametrised for distinguishing the road users based on the extracted features. Experiments are conducted to analyse the classification performance of the proposed method on real data.
Synthetisch hergestelltes Siliziumdioxid (SiO2) im Submikro- und Nanopartikelmaßstab findet bereits in Farben und Lacken, sowie in Kunst- und Klebstoffen Einsatz, um deren Brillanz, Kratz- und Kohäsionsfestigkeit zu verbessern. Die gute Verfügbarkeit und der geringe Preis des SiO2 machen es für viele Anwendungen zu einem interessanten Füllstoff.
Ziel dieser Arbeit war es, durch werkstoffwissenschaftliche, grundlagenorientierte Betrachtungen ein tieferes Verständnis für die Funktionsmechanismen von modifizierten SiO2-Partikeln in einer EP-Matrix zu erlangen und eine Verbesserung der tribologischen Eigenschaften (Reibungskoeffizient und Verschleißrate) der Komposite zu erreichen. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von modifizierten Siliziumdioxid-Partikeln mittels eines modifizierten Stöberprozess. Es wurden die Katalysatoren Ammoniak, Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) und Tetramethylethylendiamin (TMED) getestet. Als Referenz wurden kommerziell erhältliche SiO2-Nanopartikel (Aerosil 200) sowie ein ebenfalls kommerziell erhältliches Partikelgemisch (NanoVit) als Füllstoffe getestet. Zur Ermittlung der tribologischen Eigenschaften wurde an den Kompositen eine Gleitverschleißuntersuchung (Stift-auf-Scheibe (PoD)) mit unterschiedlichen Parametervarianten (Geschwindigkeit-/Druckvariationen) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die modifizierten SiO2-Partikel einen positiven Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften der EP-Komposite haben. Weiter konnte bewiesen werden, dass durch die Zugabe der neu synthetisierten SiO2-Partikel auf eine Zugabe von Graphit als Schmiermittel verzichtet werden kann. Auch wurde festgestellt, dass durch das Eleminieren des Graphites sich ein sehr dünner Gleitfilm auf dem Gegenkörper ausbildete, der als ein Indiz für die Ursache der Verbesserung des Reibwertes gelten kann. Ein Prozess für dieses Kompositverhalten wurde in dieser Arbeit postuliert.
The thesis consists of two parts. In the first part we consider the stable Auslander--Reiten quiver of a block \(B\) of a Hecke algebra of the symmetric group at a root of unity in characteristic zero. The main theorem states that if the ground field is algebraically closed and \(B\) is of wild representation type, then the tree class of every connected component of the stable Auslander--Reiten quiver \(\Gamma_{s}(B)\) of \(B\) is \(A_{\infty}\). The main ingredient of the proof is a skew group algebra construction over a quantum complete intersection. Also, for these algebras the stable Auslander--Reiten quiver is computed in the case where the defining parameters are roots of unity. As a result, the tree class of every connected component of the stable Auslander--Reiten quiver is \(A_{\infty}\).\[\]
In the second part of the thesis we are concerned with branching rules for Hecke algebras of the symmetric group at a root of unity. We give a detailed survey of the theory initiated by I. Grojnowski and A. Kleshchev, describing the Lie-theoretic structure that the Grothendieck group of finite-dimensional modules over a cyclotomic Hecke algebra carries. A decisive role in this approach is played by various functors that give branching rules for cyclotomic Hecke algebras that are independent of the underlying field. We give a thorough definition of divided power functors that will enable us to reformulate the Scopes equivalence of a Scopes pair of blocks of Hecke algebras of the symmetric group. As a consequence we prove that two indecomposable modules that correspond under this equivalence have a common vertex. In particular, we verify the Dipper--Du Conjecture in the case where the blocks under consideration have finite representation type.
Die Entwicklung von Revitalisierungskonzepten für Wohnimmobilien ist ein komplexer und zeitintensiver Prozess, bei dem umfassendes Fachwissen und weitreichende Erfahrungen notwendig sind. Heterogene Gebäudetypen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Handlungsbedarfen machen den Konzeptentwicklungsprozess noch komplizierter. Diese Arbeit bietet einen Katalog mit priorisierten Handlungsempfehlungen zur Entwicklung von Revitalisierungsvarianten für Mehrfamilienhäuser aus den 1970er Jahren in den alten Bundesländern. Die Immobilien tragen mit ca. 2,4 Mio. Wohnung wesentlich zur Wohnraumversorgung in den alten Bundesländern bei und wurden bisher unzureichend erforscht. Darüber hinaus stehen durch das Alter, den häufig geringen Modernisierungszustand und vorhandene Potenziale der Mehrfamilienhäuser meist kurz- bis mittelfristig grundlegende Revitalisierungen an.
Die erarbeiteten Handlungsempfehlungen basieren auf Auswertungen von Daten professionell-gewerblicher Wohnungsanbieter, über 13.700 Energieverbrauchsausweisen, Mieterbefragungen und der Datenbasis Gebäudebestand des IWU. Außerdem stützen sich die Empfehlungen auf eine Sekundäranalyse einer repräsentativen Wohnnachfrageuntersuchung für Deutschland sowie auf zwanzig Expertenbefragungen und umfangreiche Literaturanalysen. Durch eine Immobilienanalyse werden verallgemeinerungsfähige Aussagen über bauliche und technische Eigenschaften und Handlungsbedarfe für die Mehrfamilienhäuser gewonnen. Daneben erfolgt anhand einer Nachfrageanalyse die Bestimmung potenzieller Nachfragegruppen und deren Wohnanforderungen sowie daraus abgeleitet nachfrageseitige Handlungsbedarfe für die Mehrfamilienhäuser. Für die ermittelten baulichen und technischen sowie nachfrageseitigen Handlungsbedarfe werden durch eine Maßnahmenanalyse geeignete Revitalisierungsmaßnahmen gefunden. Diese Maßnahmen werden im Katalog der Handlungsempfehlungen angelehnt an ein Kundenanforderungsmodell nach technischen Gesichtspunkten und Nachfrageaspekten priorisiert. Anwender des Empfehlungskatalogs können ihre individuelle kaufmännische Perspektive einbringen, um ganzheitliche Revitalisierungskonzepte zu entwickeln. Durch eine entwickelte Berechnungshilfe können Kosten und Wirtschaftlichkeit der Konzepte bewertet werden.
Die Handlungsempfehlungen zielen auf technische, funktionale, energetische, wirtschaftliche, soziale und architektonische Verbesserungen bei den Mehrfamilienhäusern. In zwei Fallstudien werden der Katalog der Handlungsempfehlungen und die Berechnungshilfe angewendet. Die Fallstudien deuten darauf hin, dass mit Hilfe des Katalogs der Handlungsempfehlungen und der Berechnungshilfe Revitalisierungsvarianten für Mehrfamilienhäuser aus den 1970er Jahren effizient entwickelt und deren Kosten und Wirtschaftlichkeit effizient eingeschätzt werden können. Die Forschungsergebnisse der Arbeit sind insbesondere für Wohnungseigentümer, Projektentwickler, Ingenieure, Berater und Investoren nützlich.
Die Planung von Bushaltestellen in Innenstädten ist ein authentisches Thema, welches sich für den Einsatz in einem realitätsbezogenen Unterricht in unterschiedlichen Klassenstufen eignet. Verschiedene Interessen und Gegebenheiten müssen in einem Modell und in einer Lösungsstrategie vereint werden. Durch eine sehr offen gewählte Fragestellung sind verschiedene Ansätze und Modelle möglich. Somit wird mathematisches Modellieren trainiert und das Durchlaufen eines Modellierungsprozesses in einem interessanten Projekt ermöglicht. Die mathematischen Hintergründe sowie das vielseitige Lösungsspektrum von Schülerinnen und Schülern unterschiedlicher Jahrgangsstufen zu derselben Fragestellung werden im Folgenden vorgestellt.
Gröbner bases are one of the most powerful tools in computer algebra and commutative algebra, with applications in algebraic geometry and singularity theory. From the theoretical point of view, these bases can be computed over any field using Buchberger's algorithm. In practice, however, the computational efficiency depends on the arithmetic of the coefficient field.
In this thesis, we consider Gröbner bases computations over two types of coefficient fields. First, consider a simple extension \(K=\mathbb{Q}(\alpha)\) of \(\mathbb{Q}\), where \(\alpha\) is an algebraic number, and let \(f\in \mathbb{Q}[t]\) be the minimal polynomial of \(\alpha\). Second, let \(K'\) be the algebraic function field over \(\mathbb{Q}\) with transcendental parameters \(t_1,\ldots,t_m\), that is, \(K' = \mathbb{Q}(t_1,\ldots,t_m)\). In particular, we present efficient algorithms for computing Gröbner bases over \(K\) and \(K'\). Moreover, we present an efficient method for computing syzygy modules over \(K\).
To compute Gröbner bases over \(K\), starting from the ideas of Noro [35], we proceed by joining \(f\) to the ideal to be considered, adding \(t\) as an extra variable. But instead of avoiding superfluous S-pair reductions by inverting algebraic numbers, we achieve the same goal by applying modular methods as in [2,4,27], that is, by inferring information in characteristic zero from information in characteristic \(p > 0\). For suitable primes \(p\), the minimal polynomial \(f\) is reducible over \(\mathbb{F}_p\). This allows us to apply modular methods once again, on a second level, with respect to the
modular factors of \(f\). The algorithm thus resembles a divide and conquer strategy and
is in particular easily parallelizable. Moreover, using a similar approach, we present an algorithm for computing syzygy modules over \(K\).
On the other hand, to compute Gröbner bases over \(K'\), our new algorithm first specializes the parameters \(t_1,\ldots,t_m\) to reduce the problem from \(K'[x_1,\ldots,x_n]\) to \(\mathbb{Q}[x_1,\ldots,x_n]\). The algorithm then computes a set of Gröbner bases of specialized ideals. From this set of Gröbner bases with coefficients in \(\mathbb{Q}\), it obtains a Gröbner basis of the input ideal using sparse multivariate rational interpolation.
At current state, these algorithms are probabilistic in the sense that, as for other modular Gröbner basis computations, an effective final verification test is only known for homogeneous ideals or for local monomial orderings. The presented timings show that for most examples, our algorithms, which have been implemented in SINGULAR [17], are considerably faster than other known methods.
We investigate a PDE-ODE system describing cancer cell invasion in a tissue network. The model is an extension of the multiscale setting in [28,40], by considering two subpopulations of tumor cells interacting mutually and with the surrounding tissue. According to the go-or-grow hypothesis, these subpopulations consist of moving and proliferating cells, respectively. The mathematical setting also accommodates the effects of some therapy approaches. We prove the global existence of weak solutions to this model and perform numerical simulations to illustrate its behavior for different therapy strategies.
We propose and study a strongly coupled PDE-ODE-ODE system modeling cancer cell invasion through a tissue network
under the go-or-grow hypothesis asserting that cancer cells can either move or proliferate. Hence our setting features
two interacting cell populations with their mutual transitions and involves tissue-dependent degenerate diffusion and
haptotaxis for the moving subpopulation. The proliferating cells and the tissue evolution are characterized by way of ODEs
for the respective densities. We prove the global existence of weak solutions and illustrate the model behaviour by
numerical simulations in a two-dimensional setting.
The present study investigated the effects of two methods of shared book reading on children´s emergent literacy skills, such as language skills (expressive vocabulary and semantic skills) and grapheme awareness, i.e. before the alphabetic phase of reading acquisition (Lachmann & van Leeuwen, 2014) in home and in kindergarten contexts. The two following shared book reading methods were investigated: Method I - literacy enrichment: 200 extra children's books were distributed in kindergartens and children were encouraged every week to borrow a book to take home and read with their parents. Further, a written letter was sent to the parents encouraging them to frequently read the books with their children at home. Method II - teacher training: kindergarten teachers participated in structured training which included formal instruction on how to promote child language development through shared book reading. The training was an adaptation of the Heidelberger Interaktionstraining für pädagogisches Fachpersonal zur Förderung ein- und mehrsprachiger Kinder - HIT (Buschmann & Jooss, 2011). In addition, the effects of the two methods in combination were investigated. Three questions were addressed in the present study: (1) What effect does method I (literacy enrichment), method II (teacher training) and the combination of both methods have on children's expressive vocabulary? (2) What effect does method I (literacy enrichment), method II (teacher training) and the combination of both methods have on children's semantic skills? (3) What effect does method I (literacy enrichment), method II (teacher training) and the combination of both methods have on children's grapheme awareness? Accordingly, 69 children, ranged in age from 3;0 to 4;8 years, were recruited from four kindergartens in the city of Kaiserslautern, Germany. The kindergartens were divided into: kindergarten 1 – Method I (N = 13); kindergarten 2 - Method II (N = 18); kindergarten 3 - Combination of both methods (N = 17); kindergarten 4 - Control group (N = 21). Half of the participants (N = 35) reported having a migration background. All groups were similar in regards to socioeconomic status and literacy activities at home. In a pre- posttest design, children performed three tests: expressive vocabulary (AWSTR, 3-5; Kiese-Himmel, 2005), semantic skills (SETK, 3-5 subtests ESR; Grimm, 2001), and grapheme awareness which is a task developed with the purpose of testing children’s familiarity with grapheme forms. The intervention period had duration of six months. The data analysis was performed using the software IBM SPSS Statistics version 22. Regarding language skills, Method I showed no significant effects on children expressive vocabulary and semantic skills. Method II showed significant effects for children expressive vocabulary. In addition, the children with migration background took more advantage of the method. Regarding semantic skills, no significant effects were found. No significant effects of the combination of both methods in children's language skills were found. For grapheme awareness, however, results showed positive effects for Method I, and Method II, as well as for the combination of both methods. The combination group, as reported by a large effect size, showed to be more effective than Method I and Method II alone. Moreover, the results indicated that in grapheme awareness, all children (in regards to age, gender, with and without migration background) took equal advantage in all three intervention groups. Overall, it can be concluded with the results of the present study, that by providing access to good books, Method I may help parents involve themselves in the active process of their child's literacy skills development. However, in order to improve language skills, access to books alone showed to be not enough. Therefore, it is suggested that access combined with additional support to parents in how to improve their language interactions with their children is highly recommended. In respect to Method II, the present study suggests that shared book reading through professional training is an important tool that supports children´s language development. For grapheme awareness it is concluded that with the combination of the two performed methods, high exposure to shared book reading helps children to informally learn about the surface characteristics of print, acquire some familiarity with the visual characteristics of the letters and learn to differentiate them from other visual patterns. Finally, it is suggested to organizations and institutions as well as to future research, the importance of having more programs that offer different possibilities to children to have more contact with adequate language interaction as well as more experiences with print through shared book reading as showed in the present study.
Es ist eine Alltagsbeobachtung für welche sich zahlreiche empirische Belege finden, dass ge-sundheitsbewusste Verhaltensweisen wie etwa das regelmäßige Betreiben von Sport oder der Konsum von als gesund geltenden Lebensmitteln in bestimmten Kreisen der Bevölkerung zu-nehmen. Parallel ist ein weiterer Trend zu beobachten: die Zunahme umweltbewusster Verhal-tensweisen. Gerade im Bereich des Konsums gehen solche gesundheits- und umweltbewusste Verhaltensweisen häufig miteinander einher. Wer sich gesundheitsbewusst ernähren möchte, greift in aller Regel auf umweltbewusste Produkte zurück. Die Vermutung liegt nahe, dass ge-sundheits- und umweltbewussten Verhaltensweisen bestimmten gemeinsamen Einstellungen, Überzeugungen und Werten zugrunde liegen. Als ein solches Wertecluster kann auf theoreti-scher Ebene eine postmaterialistische Werteorientierung identifiziert werden. Gesundheits- und Umweltbewusstsein würden demnach in wechselseitiger Beziehung zueinander stehen und durch eine postmaterialistische Werteorientierung determiniert werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eben diesen Zusammenhang mittels Strukturgleichungsmodellierung empirisch zu überprüfen. Dies geschieht anhand von Daten des Sozio-Ökonomischen Panels aus dem Jahr 2006 (n=661). Während sich ein positiver und durchaus starker Zusammenhang zwischen Ge-sundheits- und Umweltbewusstsein findet und auch das Umweltbewusstsein positiv von einer postmaterialistischen Werteorientierung abhängig ist, zeigt sich für das Gesundheitsbewusst-sein kein signifikanter, bzw. in verschiedenen Modellvariationen sogar eine negative Abhän-gigkeit von einer postmaterialistischen Werteorientierung. Aufgrund dieser Ergebnisse wird vorgeschlagen, das Gesundheitsbewusstsein als mehrdimensionales Konstrukt zu betrachten. Differenziert wird in ein lebensstilbedingtes Gesundheitsbewusstsein, über welches z.B. Hobby- und Leistungssportler verfügen, und ein defensives Gesundheitsbewusstsein, wie es z.B. bei chronisch Kranken Personen wie Diabetikern zu finden ist. Jedoch sind weitere Ana-lysen nötig, um diese Theorie zu testen.