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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.
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.
Thermoplastic composite materials are being widely used in the automotive and aerospace industries. Due to the limitations of shape complexity, different components
need to be joined. They can be joined by mechanical fasteners, adhesive bonding or
both. However, these methods have several limitations. Components can be joined
by fusion bonding due to the property of thermoplastics. Thermoplastics can be melted on heating and regain their shape on cooling. This property makes them ideal for
joining through fusion bonding by induction heating. Joining of non-conducting or
non-magnetic thermoplastic composites needs an additional material that can generate heat by induction heating.
Polymers are neither conductive nor electromagnetic so they don’t have inherent potential for inductive heating. A susceptor sheet having conductive materials (e.g. carbon fiber) or magnetic materials (e.g. nickel) can generate heat during induction. The
main issues related with induction heating are non-homogeneous and uncontrolled
heating.
In this work, it was observed that to generate heat with a susceptor sheet depends
on its filler, its concentration, and its dispersion. It also depends on the coil, magnetic
field strength and coupling distance. The combination of different fillers not only increased the heating rate but also changed the heating mechanism. Heating of 40ºC/
sec was achieved with 15wt.-% nickel coated short carbon fibers and 3wt.-% multiwalled carbon nanotubes. However, only nickel coated short carbon fibers (15wt-.%)
attained the heating rate of 24ºC/ sec. In this study, electrical conductivity, thermal
conductivity and magnetic properties testing were also performed. The results also
showed that electrical percolation was achieved around 15wt.-% in fibers and (13-
6)wt.-% with hybrid fillers. Induction heating tests were also performed by making
parallel and perpendicular susceptor sheet as fibers were uni-directionally aligned.
The susceptor sheet was also tested by making perforations.
The susceptor sheet showed homogeneous and fast heating, and can be used for
joining of non-conductive or non-magnetic thermoplastic composites.
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.
Die Forschung zum amerikanischen Exzeptionalismus als Teil der kollektiven
Identität der USA lässt eine systematische Einordnung der
exzeptionellen Selbstzuschreibungen der USA im Kontext militärischer
Interventionspolitik bisher weitgehend vermissen. Basierend auf den beiden
grundlegenden Dimensionen einer exemplarischen und einer missionarischen
Selbstzuschreibung werden in dieser Studie vier Idealtypen
des amerikanischen Exzeptionalismus gebildet, die als ideationales Analyseraster
der amerikanischen Interventionspolitik dienen können. Ausgehend
von der Doppelfunktion des amerikanischen Exzeptionalismus
als Movens außenpolitischer Präferenzen und als strategische Legitimationsgrundlage
wird in einem historisch angeleiteten Vergleich gezeigt,
dass Elemente dieser vier Idealtypen die außenpolitischen Traditionen
der USA maßgeblich (mit)geprägt haben. Zur weiteren Einordnung des
amerikanischen Exzeptionalismus in den außenpolitischen Präferenzbildungsprozess
der USA wird in einem zweiten Schritt die ideationale Variante
der liberalen Außenpolitiktheorie nach Andrew Moravcsik um den
Faktor der politischen Kommunikation ergänzt. Der amerikanische
Exzeptionalismus dient dem Präsidenten dabei als narrativer Diskursrahmen
außenpolitischer Interpretations- und Deutungsangebote, mit denen
er die Öffentlichkeit zu mobilisieren und den Kongress von seinen
außenpolitischen Absichten zu überzeugen versucht. In diesem Zusammenhang
gilt: Je kongruenter die außenpolitischen Deutungsangebote
mit dem Narrativ des amerikanischen Exzeptionalismus, desto wirkmächtiger
ihre Bedeutung für den gesellschaftlichen Diskurs der USA
über Außenpolitik. Entgegen den Annahmen der liberalen Außenpolitiktheorie
zeigt sich, dass der Präsident als Strategic Narrator des amerikanischen
Exzeptionalismus die Öffentlichkeit nicht nur repräsentieren,
sondern auch zu seinen Gunsten mobilisieren kann.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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“.
Stochastic Network Calculus (SNC) emerged from two branches in the late 90s:
the theory of effective bandwidths and its predecessor the Deterministic Network
Calculus (DNC). As such SNC’s goal is to analyze queueing networks and support
their design and control.
In contrast to queueing theory, which strives for similar goals, SNC uses in-
equalities to circumvent complex situations, such as stochastic dependencies or
non-Poisson arrivals. Leaving the objective to compute exact distributions behind,
SNC derives stochastic performance bounds. Such a bound would, for example,
guarantee a system’s maximal queue length that is violated by a known small prob-
ability only.
This work includes several contributions towards the theory of SNC. They are
sorted into four main contributions:
(1) The first chapters give a self-contained introduction to deterministic net-
work calculus and its two branches of stochastic extensions. The focus lies on the
notion of network operations. They allow to derive the performance bounds and
simplifying complex scenarios.
(2) The author created the first open-source tool to automate the steps of cal-
culating and optimizing MGF-based performance bounds. The tool automatically
calculates end-to-end performance bounds, via a symbolic approach. In a second
step, this solution is numerically optimized. A modular design allows the user to
implement their own functions, like traffic models or analysis methods.
(3) The problem of the initial modeling step is addressed with the development
of a statistical network calculus. In many applications the properties of included
elements are mostly unknown. To that end, assumptions about the underlying
processes are made and backed by measurement-based statistical methods. This
thesis presents a way to integrate possible modeling errors into the bounds of SNC.
As a byproduct a dynamic view on the system is obtained that allows SNC to adapt
to non-stationarities.
(4) Probabilistic bounds are fundamentally different from deterministic bounds:
While deterministic bounds hold for all times of the analyzed system, this is not
true for probabilistic bounds. Stochastic bounds, although still valid for every time
t, only hold for one time instance at once. Sample path bounds are only achieved by
using Boole’s inequality. This thesis presents an alternative method, by adapting
the theory of extreme values.
(5) A long standing problem of SNC is the construction of stochastic bounds
for a window flow controller. The corresponding problem for DNC had been solved
over a decade ago, but remained an open problem for SNC. This thesis presents
two methods for a successful application of SNC to the window flow controller.
Buses not arriving on time and then arriving all at once - this phenomenon is known from
busy bus routes and is called bus bunching.
This thesis combines the well studied but so far separate areas of bus-bunching prediction
and dynamic holding strategies, which allow to modulate buses’ dwell times at stops to
eliminate bus bunching. We look at real data of the Dublin Bus route 46A and present
a headway-based predictive-control framework considering all components like data
acquisition, prediction and control strategies. We formulate time headways as time series
and compare several prediction methods for those. Furthermore we present an analytical
model of an artificial bus route and discuss stability properties and dynamic holding
strategies using both data available at the time and predicted headway data. In a numerical
simulation we illustrate the advantages of the presented predictive-control framework
compared to the classical approaches which only use directly available data.
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.
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.
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.
This thesis presents a novel, generic framework for information segmentation in document images.
A document image contains different types of information, for instance, text (machine printed/handwritten), graphics, signatures, and stamps.
It is necessary to segment information in documents so that to process such segmented information only when required in automatic document processing workflows.
The main contribution of this thesis is the conceptualization and implementation of an information segmentation framework that is based on part-based features.
The generic nature of the presented framework makes it applicable to a variety of documents (technical drawings, magazines, administrative, scientific, and academic documents) digitized using different methods (scanners, RGB cameras, and hyper-spectral imaging (HSI) devices).
A highlight of the presented framework is that it does not require large training sets, rather a few training samples (for instance, four pages) lead to high performance, i.e., better than previously existing methods.
In addition, the presented framework is simple and can be adapted quickly to new problem domains.
This thesis is divided into three major parts on the basis of document digitization method (scanned, hyper-spectral imaging, and camera captured) used.
In the area of scanned document images, three specific contributions have been realized.
The first of them is in the domain of signature segmentation in administrative documents.
In some workflows, it is very important to check the document authenticity before processing the actual content.
This can be done based on the available seal of authenticity, e.g., signatures.
However, signature verification systems expect pre-segmented signature image, while signatures are usually a part of document.
To use signature verification systems on document images, it is necessary to first segment signatures in documents.
This thesis shows that the presented framework can be used to segment signatures in administrative documents.
The system based on the presented framework is tested on a publicly available dataset where it outperforms the state-of-the-art methods and successfully segmented all signatures, while less than half of the found signatures are false positives.
This shows that it can be applied for practical use.
The second contribution in the area of scanned document images is segmentation of stamps in administrative documents.
A stamp also serves as a seal for documents authenticity.
However, the location of stamp on the document can be more arbitrary than a signature depending on the person sealing the document.
This thesis shows that a system based on our generic framework is able to extract stamps of any arbitrary shape and color.
The evaluation of the presented system on a publicly available dataset shows that it is also able to segment black stamps (that were not addressed in the past) with a recall and precision of 83% and 73%, respectively.
%Furthermore, to segment colored stamps, this thesis presents a novel feature set which is based on intensity gradient, is able to extract unseen, colored, arbitrary shaped, textual as well as graphical stamps, and outperforms the state-of-the-art methods.
The third contribution in the scanned document images is in the domain of information segmentation in technical drawings (architectural floorplans, maps, circuit diagrams, etc.) containing usually a large amount of graphics and comparatively less textual components. Further, as in technical drawings, text is overlapping with graphics.
Thus, automatic analysis of technical drawings uses text/graphics segmentation as a pre-processing step.
This thesis presents a method based on our generic information segmentation framework that is able to detect the text, which is touching graphical components in architectural floorplans and maps.
Evaluation of the method on a publicly available dataset of architectural floorplans shows that it is able to extract almost all touching text components with precision and recall of 71% and 95%, respectively.
This means that almost all of the touching text components are successfully extracted.
In the area of hyper-spectral document images, two contributions have been realized.
Unlike normal three channels RGB images, hyper-spectral images usually have multiple channels that range from ultraviolet to infrared regions including the visible region.
First, this thesis presents a novel automatic method for signature segmentation from hyper-spectral document images (240 spectral bands between 400 - 900 nm).
The presented method is based on a part-based key point detection technique, which does not use any structural information, but relies only on the spectral response of the document regardless of ink color and intensity.
The presented method is capable of segmenting (overlapping and non-overlapping) signatures from varying backgrounds like, printed text, tables, stamps, logos, etc.
Importantly, the presented method can extract signature pixels and not just the bounding boxes.
This is substantial when signatures are overlapping with text and/or other objects in image. Second, this thesis presents a new dataset comprising of 300 documents scanned using a high-resolution hyper-spectral scanner. Evaluation of the presented signature segmentation method on this hyper-spectral dataset shows that it is able to extract signature pixels with the precision and recall of 100% and 79%, respectively.
Further contributions have been made in the area of camera captured document images. A major problem in the development of Optical Character Recognition (OCR) systems for camera captured document images is the lack of labeled camera captured document images datasets. In the first place, this thesis presents a novel, generic, method for automatic ground truth generation/labeling of document images. The presented method builds large-scale (i.e., millions of images) datasets of labeled camera captured / scanned documents without any human intervention. The method is generic and can be used for automatic ground truth generation of (scanned and/or camera captured) documents in any language, e.g., English, Russian, Arabic, Urdu. The evaluation of the presented method, on two different datasets in English and Russian, shows that 99.98% of the images are correctly labeled in every case.
Another important contribution in the area of camera captured document images is the compilation of a large dataset comprising 1 million word images (10 million character images), captured in a real camera-based acquisition environment, along with the word and character level ground truth. The dataset can be used for training as well as testing of character recognition systems for camera-captured documents. Various benchmark tests are performed to analyze the behavior of different open source OCR systems on camera captured document images. Evaluation results show that the existing OCRs, which already get very high accuracies on scanned documents, fail on camera captured document images.
Using the presented camera-captured dataset, a novel character recognition system is developed which is based on a variant of recurrent neural networks, i.e., Long Short Term Memory (LSTM) that outperforms all of the existing OCR engines on camera captured document images with an accuracy of more than 95%.
Finally, this thesis provides details on various tasks that have been performed in the area closely related to information segmentation. This includes automatic analysis and sketch based retrieval of architectural floor plan images, a novel scheme for online signature verification, and a part-based approach for signature verification. With these contributions, it has been shown that part-based methods can be successfully applied to document image analysis.
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.
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.
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.
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.
Interconnected, autonomously driving cars shall realize the vision of a zero-accident, low energy mobility in spite of a fast increasing traffic volume. Tightly interconnected medical devices and health care systems shall ensure the health of an aging society. And interconnected virtual power plants based on renewable energy sources shall ensure a clean energy supply in a society that consumes more energy than ever before. Such open systems of systems will play an essential role for economy and society.
Open systems of systems dynamically connect to each other in order to collectively provide a superordinate functionality, which could not be provided by a single system alone. The structure as well as the behavior of an open system of system dynamically emerge at runtime leading to very flexible solutions working under various different environmental conditions. This flexibility and adaptivity of systems of systems are a key for realizing the above mentioned scenarios.
On the other hand, however, this leads to uncertainties since the emerging structure and behavior of a system of system can hardly be anticipated at design time. This impedes the indispensable safety assessment of such systems in safety-critical application domains. Existing safety assurance approaches presume that a system is completely specified and configured prior to a safety assessment. Therefore, they cannot be applied to open systems of systems. In consequence, safety assurance of open systems of systems could easily become a bottleneck impeding or even preventing the success of this promising new generation of embedded systems.
For this reason, this thesis introduces an approach for the safety assurance of open systems of systems. To this end, we shift parts of the safety assurance lifecycle into runtime in order to dynamically assess the safety of the emerging system of system. We use so-called safety models at runtime for enabling systems to assess the safety of an emerging system of system themselves. This leads to a very flexible runtime safety assurance framework.
To this end, this thesis describes the fundamental knowledge on safety assurance and model-driven development, which are the indispensable prerequisites for defining safety models at runtime. Based on these fundamentals, we illustrate how we modularized and formalized conventional safety assurance techniques using model-based representations and analyses. Finally, we explain how we advanced these design time safety models to safety models that can be used by the systems themselves at runtime and how we use these safety models at runtime to create an efficient and flexible runtime safety assurance framework for open systems of systems.
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.
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.
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.
Wie entwickelte sich der europäische Stadtblock von der Antike bis in die Gegenwart und was bedeutet er heute für den urbanen Raum? Dies sind die zentralen Fragestellungen dieser Arbeit. Aufbauend auf den methodischen Werkzeugen der diachronischen und synchronischen Linien nach Carl E. Schorske, mit deren Hilfe parallele Entwicklungsströme zwischen Architektur und Gesellschaft aufgezeigt werden können, sowie dem Prinzip der Paradigmenwechsel nach Thomas S. Kuhn, welches den Übergang eines Gedankenmodells zum nächsten mittels revolutionären Vorgängen beschreibt, wird die Chronik des europäischen Stadtblocks auf die Korrelation zwischen Gebautem und Gedachtem analysiert. Der Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung und den Eigenschaften des urbanen Stadtblocks innerhalb der europäischen Stadt. Dieser definiert sich über das Dreigespann »Straße – Haus – Hof« als zusammenhängendes, städtebauliches Konstrukt, welches von öffentlichem Raum umgeben ist und einen gemeinschaftlichen Raum einschließt.
Die Evolution des Stadtblocks entlang der gesellschaftlichen Entwicklungen führt unweigerlich in die Gegenwart. Auf diesem Weg lädt sich der Block mit epochenspezifischen Inhalten auf, welche er kontinuierlich weiterführt. So erfährt er aus der Antike den sozialen Grundgedanken der Gemeinschaft. Mit dem gesellschaftlichen Paradigmenwechsel der aufkommenden Bürgerlichkeit erhält der Stadtblock im Mittelalter eine wirtschaftliche Komponente auf Grundlage der Multifunktionalität. Aufklärung und Absolutismus überführen die Typologie schließlich in die Renaissance und den Barock, aus denen wiederum ein repräsentativer Charakter sowie ein grundlegendes städtebauliches Prinzip resultiert. Die politischen, sozialen wie technischen Revolutionen der Neuzeit geben dem Stadtblock einen programmatischen Charakter, da er nicht nur zum Programm erhoben, sondern gleichzeitig auch Grundtyp der gegenwärtigen Blockbebauungen wird. Die Weltkriege sowie die Abkehr vom traditionellen Stadtbild lassen die Planer von der Blocktypologie abkommen hin zu einem vom Kontext gelösten, aufgelockerten Städtebau der Moderne. Hieraus entsteht weniger ein städtebaulicher Mehrwert für den Block, durchaus aber ein funktionaler im Hinblick auf Bautechnik und Organisation. Die Auswirkungen der autogerechten und funktionalen Stadt bewirken den Paradigmenwechsel zur Nachmoderne, in welcher Multifunktionalität und Dichte erneut zum Leitbild des Baugeschehens erhoben werden.
Am Ende der Untersuchung erweist sich die These der Korrelation zwischen Gebautem und Gedachtem als belegt. Wenn sich Gesellschaft und Architektur nun von der Antike an parallel entwickelten, so ist es nur folgerichtig anzunehmen, dass der Stadtblock als kontinuierlich gewachsenes Konstrukt auch eine Analogie zur Gesellschaft der Gegenwart darstellen kann. Als regressiver Stadtbaustein, also als Typologie, die dank ihrer fortdauernden Weiterentwicklung die Bedingung vom Bedingten abzuleiten vermag, ist es dem Stadtblock möglich auf die immanenten Inhalte seines Werdeganges zurückzugreifen und diese gleich der Gesellschaft für die Gegenwart und Zukunft zu nutzen.
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 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.
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.
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.
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 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.
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.
Annual Report 2015
(2016)
Annual Report, Jahrbuch AG Magnetismus
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 paper, we discuss the problem of approximating ellipsoid uncertainty sets with bounded (gamma) uncertainty sets. Robust linear programs with ellipsoid uncertainty lead to quadratically constrained programs, whereas robust linear programs with bounded uncertainty sets remain linear programs which are generally easier to solve.
We call a bounded uncertainty set an inner approximation of an ellipsoid if it is contained in it. We consider two different inner approximation problems. The first problem is to find a bounded uncertainty set which sticks close to the ellipsoid such that a shrank version of the ellipsoid is contained in it. The approximation is optimal if the required shrinking is minimal. In the second problem, we search for a bounded uncertainty set within the ellipsoid with maximum volume. We present how both problems can be solved analytically by stating explicit formulas for the optimal solutions of these problems.
Further, we present in a computational experiment how the derived approximation techniques can be used to approximate shortest path and network flow problems which are affected by ellipsoidal uncertainty.
Most of today’s wireless communication devices operate on unlicensed bands with uncoordinated spectrum access, with the consequence that RF interference and collisions are impairing the overall performance of wireless networks. In the classical design of network protocols, both packets in a collision are considered lost, such that channel access mechanisms attempt to avoid collisions proactively. However, with the current proliferation of wireless applications, e.g., WLANs, car-to-car networks, or the Internet of Things, this conservative approach is increasingly limiting the achievable network performance in practice. Instead of shunning interference, this thesis questions the notion of „harmful“ interference and argues that interference can, when generated in a controlled manner, be used to increase the performance and security of wireless systems. Using results from information theory and communications engineering, we identify the causes for reception or loss of packets and apply these insights to design system architectures that benefit from interference. Because the effect of signal propagation and channel fading, receiver design and implementation, and higher layer interactions on reception performance is complex and hard to reproduce by simulations, we design and implement an experimental platform for controlled interference generation to strengthen our theoretical findings with experimental results. Following this philosophy, we introduce and evaluate a system architecture that leverage interference.
First, we identify the conditions for successful reception of concurrent transmissions in wireless networks. We focus on the inherent ability of angular modulation receivers to reject interference when the power difference of the colliding signals is sufficiently large, the so-called capture effect. Because signal power fades over distance, the capture effect enables two or more sender–receiver pairs to transmit concurrently if they are positioned appropriately, in turn boosting network performance. Second, we show how to increase the security of wireless networks with a centralized network access control system (called WiFire) that selectively interferes with packets that violate a local security policy, thus effectively protecting legitimate devices from receiving such packets. WiFire’s working principle is as follows: a small number of specialized infrastructure devices, the guardians, are distributed alongside a network and continuously monitor all packet transmissions in the proximity, demodulating them iteratively. This enables the guardians to access the packet’s content before the packet fully arrives at the receiver. Using this knowledge the guardians classify the packet according to a programmable security policy. If a packet is deemed malicious, e.g., because its header fields indicate an unknown client, one or more guardians emit a limited burst of interference targeting the end of the packet, with the objective to introduce bit errors into it. Established communication standards use frame check sequences to ensure that packets are received correctly; WiFire leverages this built-in behavior to prevent a receiver from processing a harmful packet at all. This paradigm of „over-the-air“ protection without requiring any prior modification of client devices enables novel security services such as the protection of devices that cannot defend themselves because their performance limitations prohibit the use of complex cryptographic protocols, or of devices that cannot be altered after deployment.
This thesis makes several contributions. We introduce the first software-defined radio based experimental platform that is able to generate selective interference with the timing precision needed to evaluate the novel architectures developed in this thesis. It implements a real-time receiver for IEEE 802.15.4, giving it the ability to react to packets in a channel-aware way. Extending this system design and implementation, we introduce a security architecture that enables a remote protection of wireless clients, the wireless firewall. We augment our system with a rule checker (similar in design to Netfilter) to enable rule-based selective interference. We analyze the security properties of this architecture using physical layer modeling and validate our analysis with experiments in diverse environmental settings. Finally, we perform an analysis of concurrent transmissions. We introduce a new model that captures the physical properties correctly and show its validity with experiments, improving the state of the art in the design and analysis of cross-layer protocols for wireless networks.
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.
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.
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.
The task of printed Optical Character Recognition (OCR), though considered ``solved'' by many, still poses several challenges. The complex grapheme structure of many scripts, such as Devanagari and Urdu Nastaleeq, greatly lowers the performance of state-of-the-art OCR systems.
Moreover, the digitization of historical and multilingual documents still require much probing. Lack of benchmark datasets further complicates the development of reliable OCR systems. This thesis aims to find the answers to some of these challenges using contemporary machine learning technologies. Specifically, the Long Short-Term Memory (LSTM) networks, have been employed to OCR modern as well historical monolingual documents. The excellent OCR results obtained on these have led us to extend their application for multilingual documents.
The first major contribution of this thesis is to demonstrate the usability of LSTM networks for monolingual documents. The LSTM networks yield very good OCR results on various modern and historical scripts, without using sophisticated features and post-processing techniques. The set of modern scripts include modern English, Urdu Nastaleeq and Devanagari. To address the challenge of OCR of historical documents, this thesis focuses on Old German Fraktur script, medieval Latin script of the 15th century, and Polytonic Greek script. LSTM-based systems outperform the contemporary OCR systems on all of these scripts. To cater for the lack of ground-truth data, this thesis proposes a new methodology, combining segmentation-based and segmentation-free OCR approaches, to OCR scripts for which no transcribed training data is available.
Another major contribution of this thesis is the development of a novel multilingual OCR system. A unified framework for dealing with different types of multilingual documents has been proposed. The core motivation behind this generalized framework is the human reading ability to process multilingual documents, where no script identification takes place.
In this design, the LSTM networks recognize multiple scripts simultaneously without the need to identify different scripts. The first step in building this framework is the realization of a language-independent OCR system which recognizes multilingual text in a single step. This language-independent approach is then extended to script-independent OCR that can recognize multiscript documents using a single OCR model. The proposed generalized approach yields low error rate (1.2%) on a test corpus of English-Greek bilingual documents.
In summary, this thesis aims to extend the research in document recognition, from modern Latin scripts to Old Latin, to Greek and to other ``under-privilaged'' scripts such as Devanagari and Urdu Nastaleeq.
It also attempts to add a different perspective in dealing with multilingual documents.
Software is becoming increasingly concurrent: parallelization, decentralization, and reactivity necessitate asynchronous programming in which processes communicate by posting messages/tasks to others’ message/task buffers. Asynchronous programming has been widely used to build fast servers and routers, embedded systems and sensor networks, and is the basis of Web programming using Javascript. Languages such as Erlang and Scala have adopted asynchronous programming as a fundamental concept with which highly scalable and highly reliable distributed systems are built.
Asynchronous programs are challenging to implement correctly: the loose coupling between asynchronously executed tasks makes the control and data dependencies difficult to follow. Even subtle design and programming mistakes on the programs have the capability to introduce erroneous or divergent behaviors. As asynchronous programs are typically written to provide a reliable, high-performance infrastructure, there is a critical need for analysis techniques to guarantee their correctness.
In this dissertation, I provide scalable verification and testing tools to make asyn- chronous programs more reliable. I show that the combination of counter abstraction and partial order reduction is an effective approach for the verification of asynchronous systems by presenting PROVKEEPER and KUAI, two scalable verifiers for two types of asynchronous systems. I also provide a theoretical result that proves a counter-abstraction based algorithm called expand-enlarge-check, is an asymptotically optimal algorithm for the coverability problem of branching vector addition systems as which many asynchronous programs can be modeled. In addition, I present BBS and LLSPLAT, two testing tools for asynchronous programs that efficiently uncover many subtle memory violation bugs.
Congress Report 2016.01-04
(2016)
Nachhaltige Chemie beinhaltet die Nutzung stofflicher Ressourcen und deren Umwandlung ohne Schaden für zukünftige Generationen. Dabei hat sich insbesondere die Katalyse als nützliche Technologie etabliert, durch die Syntheserouten zu hochwertigen Produkten abgekürzt und dabei die CO2-Bilanz des Gesamtprozesses verbessert wird. Im Rahmen dieser Dissertation wurden nachhaltige, homogen-katalytische Prozesse zur Einbindung nachwachsender Rohstoffe in die chemische Wertschöpfungskette und zur abfallminimierten Synthese von Amiden und Peptiden entwickelt.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die isomerisierende Metathese als Methode zur Valorisierung nachwachsender Rohstoffe etabliert. Mit einem bimetallischen Katalysatorsystem, bestehend aus dem Isomerisierungskatalysator [Pd(µ-Br)(tBu3P)]2 und NHC-basierten Ruthenium-Metathesekatalysatoren, werden Doppelbindungen ungesättigter Verbindungen kontinuierlich entlang der Kohlenwasserstoffkette verschoben und können gleichzeitig, ungeachtet ihrer Position, eine Metathese durchlaufen. Dies erlaubt die Umwandlung von zwei unterschiedlichen Olefinen in ein Gemisch mit homogener Produktverteilung und einstellbarer mittlerer Kettenlänge. Das synthetische Potential dieser Transformation wurde anhand der Darstellung von Dieselersatzkraftstoffen demonstriert, die vollständig auf erneuerbaren Ressourcen basieren und aufgrund ihres Siedeverhaltens in modernen Motoren in unverdünnter Form eingesetzt werden können. Der neu entwickelte Tandemprozess ermöglicht weiterhin die gezielte Kürzung olefinischer Seitenketten in Gegenwart von Ethen. Die isomerisierende Ethenolyse der natürlich vorkommenden Allylbenzole Eugenol, Allylanisol, Safrol und Methyleugenol wurde zur Synthese wertvoller Styrole mit komplexen Substitutionsmustern eingesetzt. Die isomerisierende Ethenolyse stellt außerdem die Schlüsseltechnologie zur Valorisierung von Cashew-Nussschalenöl dar. Ausgehend von dem bisher ungenutzten Abfallstoff wurde die Synthese der Tsetsefliegen-Lockstoffe 3-Ethyl- und 3-Propylphenol sowie des Polymervorläufers 3,3’-Hydroxystilben demonstriert.
Der zweite Teil dieser Doktorarbeit umfasste die rationale Entwicklung einer abfallminimierten und umweltfreundlichen Methode zur Synthese von Amiden aus Carbonsäuren und Aminen. Dazu wurde ein hocheffektives, luft- und wasserstabiles Ru(IV)-Katalysatorsystem identifiziert, das die Addition von Carbonsäuren an Alkine unter Bildung von Enolestern sowie die weitere Umsetzung dieser Aktivester mit Aminen zu Amiden vermittelt. Ein einstufiges Eintopf-Verfahren zur Synthese von Amiden, bei dem alle Reagenzien zu Beginn der Reaktion zugegeben werden, wurde unter Verwendung von Ethoxyacetylen als Aktivierungsreagenz entwickelt. Hierbei werden die Carbonsäuren in Gegenwart eines Amins intermediär in hochreaktive Ketenacetale überführt, die nach Aminolyse die entsprechenden Amide in sehr guten Ausbeuten liefern. Die Anwendungsbreite dieses milden Reaktionsprotokolls umfasst aliphatische und aromatische Carbonsäuren sowie N- und C terminal geschützten Aminosäuren.
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.
Während der Maillard-Reaktion entsteht eine Vielzahl an Verbindungen, die neben
antioxidativen oder antikanzerogenen Effekten auch adverse Eigenschaften aufweisen
können. Das Ziel dieser Arbeit war daher zum einen die Charakterisierung der zellulären
Effekte von Lebensmittelextrakten aus den traditionellen chinesischen Lebensmitteln
Peking Ente (PE) und Jinhua Schinken (JS). In den Extrakten JS und PE konnten u. a. die
Lebensmittelkontaminante Acrylamid (AA) identifiziert werden. Das B-Vitamin Niacin führte
in Lebensmittelsystemen bereits zu einer Reduktion des AA-Gehalts unter Entstehung eines
Acrylamid-Niacin-Addukts (ANA). Da die Reaktionspartner AA und Niacin natürlicherweise
während der Kaffeeröstung entstehen, wurde die Hypothese formuliert, dass auch ANA
während der Kaffeeröstung gebildet werden könnte. Dies konnte mittels LC/MS-Analyse
bestätigt werden. Somit liegt eine Aufnahme von ANA über Kaffee im Rahmen des
Möglichen und eine Niacin-Supplementierung könnte sich als effektive Möglichkeit
erweisen, um den AA-Gehalt bei der Zubereitung von Lebensmitteln zu senken. Bevor
jedoch diese Methode in Betracht gezogen werden kann, ist ein Nachweis der
gesundheitlichen Unbedenklichkeit von ANA insbesondere im Vergleich zu AA notwendig.
Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit zu N-Methylpyridinium (NMP), einem möglichen
Nrf2-Aktivator, wurde angenommen, dass ANA ebenfalls den Nrf2/ARE-Signalweg
aktivieren könnte. Der Schwerpunkt der Untersuchungen in HT29 Zellen wurde dabei auf
Zytotoxizität, pro- und antioxidative Eigenschaften, Gentoxizität und Beeinflussung des
Nrf2-Signalwegs gelegt. JS zeigte in den verwendeten Testsystemen kaum zelluläre
Wirkungen, mit Ausnahme der schwachen DNA-schädigenden Wirkung und des stärkeren
Effekts auf die UGT1A1-Transkription, die jedoch keine Schutzwirkung gegenüber eines
Menadion-induzierten oxidativen Stresses gezeigt hatte. PE induzierte (oxidative) DNASchäden
und ROS, in dessen Folge vermutlich die Erhöhung des redoxsensitiven Gens
UGT1A1 sowie die Hemmung der Zellproliferation zu erklären ist. Eine Beeinflussung des
Nrf2-Signalwegs sowie eine antioxidative Wirkung konnte nach Inkubation mit ANA nicht
beobachtet werden. Jedoch führte die Bindung von AA an das B-Vitamin Niacin zu einem
Addukt mit verminderten DNA-schädigenden und zytotoxischen Eigenschaften im Vergleich
zu AA.
Congress Report 2016.05-08
(2016)
Congress Report 2016.09-10
(2016)
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.
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.
An Adaptive and Dynamic Simulation Framework for Incremental, Collaborative Classifier Fusion
(2016)
Abstract. To investigate incremental collaborative classifier fusion techniques, we have developed a comprehensive simulation framework. It is highly flexible and customizable, and can be adapted to various settings and scenarios. The toolbox is realized as an extension to the NetLogo multi-agent based simulation environment using its comprehensive Java- API. The toolbox has been integrated in two di↵erent environments, one for demonstration purposes and another, modeled on persons using re- alistic motion data from Zurich, who are communicating in an ad hoc fashion using mobile devices.
Die heutige Epigenetik erfordert eine evolutionstheoretische Neubewertung zum Verhältnis von Entwicklung, Vererbung und Anpassungsfähigkeit der Lebewesen. Heutige Fragen zur Entstehung und Weitergabe epigenetischer Veränderungen reichen zurück bis in die Anfänge mytho-, theo- und kosmologischer Betrachtungen. Platon, Augustinus und Cusanus lösen metaphysische Probleme des Anfangs durch einen Übergang vom Sein zum Werden. Eine Übertragung kosmologischer Konzepte in die Embryologie findet sowohl bei Aristoteles als auch in der Renaissance statt. Harvey und Wolff beschreiben die Epigenese in Anlehnung an die kosmologische Revolution von Planeten und Gestirnen als epigenetische Revolution von Henne und Ei. Die Transformation von der zeitlosen, natürlichen Ordnung zu einer Genealogie der Natur und der Triumph der Epigenesis-Theorie über die Präformationslehre ermöglichen zu Beginn des 19. Jahrhundert eine Biologie, die in ihren epigenetischen Grundannahmen unterschiedliche Autoren wie Goethe, Schelling, Lamarck, Mendel und Darwin verbindet. Mit der Umdeutung der revolutionären Epigenese bei Lamarck werden onto- und phylogenetische Prozesse unterscheidbar, deren Verhältnis bei Darwin und in den postdarwinschen Debatten durch verschiedene Theorien der Entwicklung, Vererbung und Anpassung bestimmt wird. Schon bei Darwin kommt es zu einer pangenetischen Synthese von neolamarckistischen, selektions- und organisationstheoretischen Mechanismen der Anpassung. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entsteht die heute noch prägende genetische Evolutionstheorie, bei der Entwicklung und Anpassung vererbungs- und selektionstheoretisch verengt werden. Mit Waddingtons Epigenetik wird das Verhältnis von Onto- und Phylogenese durch die epigenetische Landschaft verräumlicht und das Konzept der Anpassungsfähigkeit konkretisiert. Die Molekularisierung von genetischer und epigenetischer Evolution lässt epigenetische Fragen der Biologie des 19. Jahrhunderts und das protobiologische Erbe wieder aktuell werden. Epigenetische Evolution beruht auf einer Synergie von natürlicher Selektion und epigenetischer Systemdynamik. Diese Synergie erzeugt anpassungs- und lernfähige Organismen, die auf ihre eigene Entwicklung, Vererbung und Anpassungsfähigkeit Einfluss nehmen können. Mit den jüngsten theoretischen Entwicklungen der Epigenetik hat eine Temporalisierung des biologischen Informationsverständnisses begonnen. Aufgabe der genealogischen Annäherung ist die Erhellung dieser historischen Entwicklung und ihrer Relevanz für die heutige Theoriebildung.
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.
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.
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.
The biodiversity of the cyanobacterial lichen flora of Vietnam is chronically understudied. Previous studies often neglected the lichens that inhabit lowlands especially outcrops and sand dunes that are common habitats in Vietnam.
A cyanolichen collection was gathered from lowlands of central and southern Vietnam to study their diversity and distribution. At the same time, cultured photobionts from those lichens were used for olyphasic taxonomic approach.
A total of 66 cyanolichens were recorded from lowland regions in central and southern of Vietnam, doubles the number of cyanolichens for Vietnam. 80% of them are new records for Vietnam in which a new species Pyrenopsis melanophthalma and two new unidentified lichinacean taxa were described.
A notably floristic segregation by habitats was indicated in the communities. Saxicolous Lichinales dominated in coastal outcrops that corresponded to 56% of lichen species richness. Lecanoralean cyanolichens and basidiolichens were found in the lowland forests. Precipitation correlated negatively to species richness in this study, indicating a competitive relationship.
Eleven cyanobacterial strains including 8 baeocyte-forming members of the genus Chroococcidiopsis and 3 heterocyte-forming species of the genera Nostoc and Scytonema were successfully isolated from lichens.
Phylogenetic and morphological analyses indicated that Chroococcidiopsis was the unique photobiont in Peltula. New mophological characters were found in two Chroococcidiopsis strains: (1) the purple content of cells in one photobiont strain that was isolated from a new lichinacean taxon, and (2) the pseudofilamentous feature by binary division from a strain that was isolated from Porocyphus dimorphus.
With respect to heterocyte-forming cyanobiont, Scytonema was confirmed as the photobiont in the ascolichen Heppia lutosa applying the polyphasic method. The genus Scytonema in the basidiolichens Cyphellostereum was morphologically examinated in lichen thalli. For the first time the intracellular haustorial system of basidiolichen genus Cyphellostereum was noted and investigated.
Phylogenetic analysis of photobiont strains Nostoc from Pannaria tavaresii and Parmeliella brisbanensis indicated that a high selectivity occurred in Parmeliella brisbanensis that were from different regions of the world, while low photobiont selectivity occurred among Pannaria tavaresii samples from different geographical regions.
The herewith presented dissertation is therefore an important contribution to the lichen flora of Vietnam and a significant improvement of the actual knowledge about cyanolichens in this country.
This thesis is concerned with a phase field model for martensitic transformations in metastable austenitic steels. Within the phase field approach an order parameter is introduced to indicate whether the present phase is austenite or martensite. The evolving microstructure is described by the evolution of the order parameter, which is assumed to follow the time-dependent Ginzburg-Landau equation. The elastic phase field model is enhanced in two different ways to take further phenomena into account. First, dislocation movement is considered by a crystal plasticity setting. Second, the elastic model for martensitic transformations is combined with a phase field model for fracture. Finite element simulations are used to study the single effects separately which contribute to the microstructure formation.
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.
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.
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.
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.
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.
Entwicklung von TDMA-basierten QoS-Routing-Protokollen und Simulationskomponenten für Ad-Hoc-Netze
(2016)
Ad-Hoc-Netze sind selbstorganisierende Netze ohne zentrale Infrastruktur, die heutzutage in vielen Bereichen Verwendung finden. Sie bestehen aus drahtlosen Knoten, die zur Erfüllung ihrer Aufgaben miteinander kommunizieren. Jedoch befinden sich nicht notwendigerweise alle Knoten in Reichweite zueinander. Damit entfernte Knoten einander erreichen können, werden Routingverfahren benötigt. Die Etablierung einer beliebigen Route ist jedoch oft nicht ausreichend, denn viele Anwendungen stellen spezielle Dienstgüteanforderungen (QoS-Anforderungen) an die Verbindung, beispielsweise die Gewährleistung einer Mindestbandbreite. Um diese QoS-Anforderungen erfüllen zu können, werden sie bereits bei der Ermittlung einer Route berücksichtigt, und die benötigten Ressourcen werden entlang der Route reserviert. Dazu dienen QoS-Routing- und Reservierungsprotokolle.
In dieser Arbeit wird zunächst der Aspekt der deterministischen Reservierung von Bandbreite in Form von konkreten Zeitslots einer TDMA-basierten MAC-Schicht betrachtet. Da sich die Übertragungen verschiedener Knoten in drahtlosen Netzen gegenseitig stören können, wurde ein Interferenzmodell entwickelt. Dieses identifiziert Bedingungen, unter denen Zeitslots innerhalb eines Netzes für mehr als eine Übertragung verwendet werden können. Zudem definiert es durch Aggregation der Informationen anderer Knoten Möglichkeiten zur Ermittlung der benötigten Informationen, um zu entscheiden, welche Zeitslots für eine störungsfreie Übertragung verwendet werden können.
Weiterhin werden existierende QoS-Routing- und Reservierungsprotokolle auf inhärente Probleme untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Protokollen liegt, die deterministische Reservierungen von Zeitslots vornehmen. In diese Kategorie fällt auch das im Rahmen der Arbeit entwickelte Protokoll RBBQR, dessen Hauptziel darin besteht, die identifizierten Probleme zu eliminieren. Ferner wird das ebenfalls zu dieser Kategorie gehörende Protokoll QMRP beschrieben, welches zentralisiert Multicast-Routen inklusive der zugehörigen Reservierungen in teilstationären Netzen ermittelt.
Ein weiterer Bestandteil der Arbeit behandelt die Entwicklung von Simulationskomponenten, welche beispielsweise zur Evaluation von QoS-Routing- und Reservierungsprotokollen genutzt werden können. Das existierende Simulationsframework FERAL wurde um eine Komponente erweitert, die die Verwendung von Kommunikationstechnologien des Netzwerksimulators ns-3 ermöglicht. Weiterhin wurde ein Modul zur Simulation eines CC2420-Transceivers entwickelt, welches in eigenständigen ns-3-Simulationen und in Simulationen mit FERAL verwendet werden kann.
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.
Whole-body vibrations (WBV) have adverse effects on ride comfort and human health. Suspension seats have an important influence on the WBV severity. In this study, WBV were measured on a medium-sized compact wheel loader (CWL) in its typical operations. The effect of short-term exposure to the WBV on the ride comfort was evaluated according to ISO 2631-1:1985 and ISO 2631-1:1997. ISO 2631-1:1997 and ISO 2631-5:2004 were adopted to evaluate the effect of long-term exposure to the WBV on the human health. Reasons for the different evaluation results obtained according to ISO 2631-1:1997 and ISO 2631-5:2004 were explained in this study. The WBV measurements were carried out in cases where the driver wore a lap belt or a four-point seat harness and in the case where the driver did not wear any safety belt. The seat effective amplitude transmissibility (SEAT) and the seat transmissibility in the frequency domain in these three cases were analyzed to investigate the effect of a safety belt on the seat transmissibility. Seat tests were performed on a multi-axis shaking table in laboratory to study the dynamic behavior of a suspension seat under the vibration excitations measured on the CWL. The WBV intensity was reduced by optimizing the vertical and the longitudinal seat suspension systems with the help of computational simulations. For the optimization multi-body models of the seat-dummy system in the laboratory seat tests and the seat-driver system in the field vibration measurements were built and validated.
The recently established technologies in the areas of distributed measurement and intelligent
information processing systems, e.g., Cyber Physical Systems (CPS), Ambient
Intelligence/Ambient Assisted Living systems (AmI/AAL), the Internet of Things
(IoT), and Industry 4.0 have increased the demand for the development of intelligent
integrated multi-sensory systems as to serve rapid growing markets [1, 2]. These increase
the significance of complex measurement systems, that incorporate numerous advanced
methodological implementations including electronics circuit, signal processing,
and multi-sensory information fusion. In particular, in multi-sensory cognition applications,
to design such systems, the skill-required tasks, e.g., method selection, parameterization,
model analysis, and processing chain construction are elaborated with immense
effort, which conventionally are done manually by the expert designer. Moreover, the
strong technological competition imposes even more complicated design problems with
multiple constraints, e.g., cost, speed, power consumption,
exibility, and reliability.
Thus, the conventional human expert based design approach may not be able to cope
with the increasing demand in numbers, complexity, and diversity. To alleviate the issue,
the design automation approach has been the topic for numerous research works [3-14]
and has been commercialized to several products [15-18]. Additionally, the dynamic
adaptation of intelligent multi-sensor systems is the potential solution for developing
dependable and robust systems. Intrinsic evolution approach and self-x properties [19],
which include self-monitoring, -calibrating/trimming, and -healing/repairing, are among
the best candidates for the issue. Motivated from the ongoing research trends and based
on the background of our research work [12, 13] among the pioneers in this topic, the
research work of the thesis contributes to the design automation of intelligent integrated
multi-sensor systems.
In this research work, the Design Automation for Intelligent COgnitive system with self-
X properties, the DAICOX, architecture is presented with the aim of tackling the design
effort and to providing high quality and robust solutions for multi-sensor intelligent
systems. Therefore, the DAICOX architecture is conceived with the defined goals as
listed below.
Perform front to back complete processing chain design with automated method
selection and parameterization,
Provide a rich choice of pattern recognition methods to the design method pool,
Associate design information via interactive user interface and visualization along
with intuitive visual programming,
Deliver high quality solutions outperforming conventional approaches by using
multi-objective optimization,
Gain the adaptability, reliability and robustness of designed solutions with self-x
properties,
Derived from the goals, several scientific methodological developments and implementations,
particularly in the areas of pattern recognition and computational intelligence,
will be pursued as part of the DAICOX architecture in the research work of this thesis.
The method pool is aimed to contain a rich choice of methods and algorithms covering
data acquisition and sensor configuration, signal processing and feature computation,
dimensionality reduction, and classification. These methods will be selected and parameterized
automatically by the DAICOX design optimization to construct a multi-sensory
cognition processing chain. A collection of non-parametric feature quality assessment
functions for the purpose of Dimensionality Reduction (DR) process will be presented.
In addition, to standard DR methods, the variations of feature selection method, in
particular, feature weighting will be proposed. Three different classification categories
shall be incorporated in the method pool. Hierarchical classification approach will be
proposed and developed to serve as a multi-sensor fusion architecture at the decision
level. Beside multi-class classification, one-class classification methods, e.g., One-Class
SVM and NOVCLASS will be presented to extend functionality of the solutions, in particular,
anomaly and novelty detection. DAICOX is conceived to effectively handle the
problem of method selection and parameter setting for a particular application yielding
high performance solutions. The processing chain construction tasks will be carried
out by meta-heuristic optimization methods, e.g., Genetic Algorithms (GA) and Particle
Swarm Optimization (PSO), with multi-objective optimization approach and model
analysis for robust solutions. In addition, to the automated system design mechanisms,
DAICOX will facilitate the design tasks with intuitive visual programming and various
options of visualization. Design database concept of DAICOX is aimed to allow the
reusability and extensibility of the designed solutions gained from previous knowledge.
Thus, the cooperative design of machine and knowledge from the design expert can also
be utilized for obtaining fully enhanced solutions. In particular, the integration of self-x
properties as well as intrinsic optimization into the system is proposed to gain enduring
reliability and robustness. Hence, DAICOX will allow the inclusion of dynamically
reconfigurable hardware instances to the designed solutions in order to realize intrinsic
optimization and self-x properties.
As a result from the research work in this thesis, a comprehensive intelligent multisensor
system design architecture with automated method selection, parameterization,
and model analysis is developed with compliance to open-source multi-platform software.It is integrated with an intuitive design environment, which includes visual programming
concept and design information visualizations. Thus, the design effort is minimized as
investigated in three case studies of different application background, e.g., food analysis
(LoX), driving assistance (DeCaDrive), and magnetic localization. Moreover, DAICOX
achieved better quality of the solutions compared to the manual approach in all cases,
where the classification rate was increased by 5.4%, 0.06%, and 11.4% in the LoX,
DeCaDrive, and magnetic localization case, respectively. The design time was reduced
by 81.87% compared to the conventional approach by using DAICOX in the LoX case
study. At the current state of development, a number of novel contributions of the thesis
are outlined below.
Automated processing chain construction and parameterization for the design of
signal processing and feature computation.
Novel dimensionality reduction methods, e.g., GA and PSO based feature selection
and feature weighting with multi-objective feature quality assessment.
A modification of non-parametric compactness measure for feature space quality
assessment.
Decision level sensor fusion architecture based on proposed hierarchical classification
approach using, i.e., H-SVM.
A collection of one-class classification methods and a novel variation, i.e.,
NOVCLASS-R.
Automated design toolboxes supporting front to back design with automated
model selection and information visualization.
In this research work, due to the complexity of the task, neither all of the identified goals
have been comprehensively reached yet nor has the complete architecture definition been
fully implemented. Based on the currently implemented tools and frameworks, ongoing
development of DAICOX is pursuing towards the complete architecture. The potential
future improvements are the extension of method pool with a richer choice of methods
and algorithms, processing chain breeding via graph based evolution approach, incorporation
of intrinsic optimization, and the integration of self-x properties. According to
these features, DAICOX will improve its aptness in designing advanced systems to serve
the increasingly growing technologies of distributed intelligent measurement systems, in
particular, CPS and Industrie 4.0.
Alkylcyclopentadienylchrom(II)-Verbindungen und Stickstoffkomplexe des Molybdäns und Wolframs
(2016)
Der Einsatz von Chrom(II)acetat als Ausgangsverbindung führte in einer Reaktion mit Na\( ^4 \)Cp zum dimeren, Acetato-verbrückten Tetraisopropylcyclopentadienylchrom(II)-Halbsandwich-komplex [\( ^4Cp \)Cr(OAc)]\( _2 \) 13.
Die sehr gut zugängliche Verbindung 13 wurde auf ihre Reaktivität untersucht und als Startmaterial für die Herstellung weiterer Chromverbindungen eingesetzt. Der Tetraisopropylcyclopentadienylchrom(II)-Halbsandwichkomplex 13 ergab bei der Reduktion mit Kalium in einer Stickstoffatmosphäre den zweikernigen Nitrido-Komplex [\( ^4Cp \)Cr(N)]\( _2 \) und bei der Substitution mit Cyanid das quadratische Tetramer [\( ^4Cp \)Cr(CN)]\( _4 \).
Mit anderen Reaktionspartnern wie z. B. den Pseudohalogeniden Azid und Cyanid wurden dagegen unvollständige Umsetzungen beobachtet, die den Wunsch nach einer besser geeigneten Ausgangsverbindung weckten. Dies gelang durch den Einsatz von Trimethylhalogensilanen, welche die Acetato-Liganden von 13 gegen Chlorid, Bromid, Iodid und im Falle des Trimethylsilylesters der Trifluormethansulfonsäure auch gegen Trifluormethansulfonat austauschen.
Die Reduktion der Halbsandwichkomplexe des Typs [\( ^RCp \)MoCl\( _4 \)] mit Kalium in Gegenwart ungesättigter Ringsysteme (Toluol, Cycloheptatrien oder Cyclooctatetraen) knüpfte an die noch unveröffentlichten Ergebnisse mit Cyclopentadienylnickel- und eisenverbindungen an und erbrachte folgendes Resultat: Während die Formeln der Reaktionsprodukte [\( ^RCp \)Mo\( _2 \)(Ring)] zur Interpretation als Tripeldecker-Sandwichkomplexe mit einem Ringsystem als Mitteldeck zwischen den beiden Metallatomen einluden, gaben die Massenspektren Hinweise auf eine Reaktivität, die dazu nicht passt.
Die unter Argon hergestellte Verbindung musste am Spektrometer aus messtechnischen Gründen unter Stickstoff gehandhabt werden und die Spektren gaben Hinweise auf den Einbau von Stickstoff.
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.
The main theme of this thesis is the interplay between algebraic and tropical intersection
theory, especially in the context of enumerative geometry. We begin by exploiting
well-known results about tropicalizations of subvarieties of algebraic tori to give a
simple proof of Nishinou and Siebert’s correspondence theorem for rational curves
through given points in toric varieties. Afterwards, we extend this correspondence
by additionally allowing intersections with psi-classes. We do this by constructing
a tropicalization map for cycle classes on toroidal embeddings. It maps algebraic
cycle classes to elements of the Chow group of the cone complex of the toroidal
embedding, that is to weighted polyhedral complexes, which are balanced with respect
to an appropriate map to a vector space, modulo a naturally defined equivalence relation.
We then show that tropicalization respects basic intersection-theoretic operations like
intersections with boundary divisors and apply this to the appropriate moduli spaces
to obtain our correspondence theorem.
Trying to apply similar methods in higher genera inevitably confronts us with moduli
spaces which are not toroidal. This motivates the last part of this thesis, where we
construct tropicalizations of cycles on fine logarithmic schemes. The logarithmic point of
view also motivates our interpretation of tropical intersection theory as the dualization
of the intersection theory of Kato fans. This duality gives a new perspective on the
tropicalization map; namely, as the dualization of a pull-back via the characteristic
morphism of a logarithmic scheme.
Bedingt durch den Zusammenstoß zweier Objekte im Crashlastfall existieren im Bereich
des Güter- und Personentransports eine Vielzahl an Konzepten und Mechanismen
für einen kontrollierten Abbau der kinetischen Impactenergie unter äußerer
Druckbelastung. Im Gegensatz dazu ist der Wissensstand für eine Energieabsorption
unter äußerer Zugbelastung vergleichsweise gering. Für den Anwendungsfall in einer
modernen Flugzeugrumpfstruktur aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK),
deren Crashkinematik eine Integration von zugbelasteten Energieabsorberelementen
ermöglicht, liefert diese Arbeit sowohl eine Entscheidungsgrundlage für eine Vorauswahl
durch einen methodischen Vergleich zugbelasteter Absorberkonzepte als
auch Methoden für eine Vorauslegung entsprechender Absorberelemente.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Vielzahl möglicher, zugbelasteter Energieabsorberkonzepte
erarbeitet und detailliert untersucht. Die Bewertung der Absorberkonzepte
unter den Gesichtspunkten Leichtbaupotenzial (Gewicht, Integrationsmöglichkeiten),
Robustheit und Funktionsweise erfolgt anhand charakteristischer Absorberkennwerte,
wie gewichtsspezifische Energieabsorption, effektive Geometrie- und
Lastausnutzung, Lastschwankung sowie Einfluss von Temperatur und Lastrate auf das Energieabsorptionsvermögen. Dabei lassen sich die Absorberkonzepte in die
Kategorien Materialien und Strukturen unter globaler Zugbelastung unterteilen.
Auf Materialebene, welche die unterste Betrachtungsebene für eine Energieabsorption
unter Zugbelastung darstellt, wird das Energieabsorptionsvermögen typischer
Leichtbauwerkstoffe unter Zugbelastung bestimmt. Der zugrunde liegende Energieabsorptionsmechanismus
der plastischen Deformation von Materialien bietet aufgrund
der vergleichsweise einfachen konstruktiven Lösung ein hohes Leichtbaupotenzial.
Hauptnachteil ist jedoch die fehlende Einstellbarkeit sowie die direkte Abhängigkeit
der Absorbercharakteristik vom mechanischen Verhalten der betrachteten
Werkstoffklasse, was sich, bedingt durch die Bruchdehnung, bei gegebenem Bauraum
in der Beschränkung der maximalen Absorptionslänge widerspiegelt.
Die Strukturebene bildet eine weitere Betrachtungsebene für eine Energieabsorption
unter Zugbelastung. Hier werden Absorberelemente unter globaler Zugbelastung
sowie unter lokaler Druckbelastung, die über eine entsprechende Lastumleitung in
eine globale Zugbelastung überführt werden kann, untersucht. Letztere bieten jedoch
nur für den Fall einer Integration in vorhandene Strukturen ein ausreichend hohes Leichtbaupotenzial, um mit Materialien oder rein zugbelasteten Absorberelementen
zu konkurrieren. Im Vergleich zu einfachen Materialien unter Zugbelastung zeichnen
sich Absorberelemente auf Strukturebene durch eine generelle Einstellbarkeit der
Absorbercharakteristik sowie eine höhere Flexibilität in der Auslegung aus.
Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung eines Energieabsorberkonzepts
basierend auf dem progressiven Lochleibungsversagen von Faser-Kunststoff-
Verbunden (FKV), das sich nicht nur durch eine hohe gewichtsspezifische Energieabsorption,
sondern auch durch eine annähernd ideale Absorbercharakteristik sowie
eine potenzielle Integration in eine Nietverbindung der betrachteten Flugzeugrumpfstruktur
aus CFK auszeichnet. Vor dem Hintergrund der Vorauslegung dieses Absorberelements
werden der Einfluss des Faser- und Matrixmaterials, der Faserorientierung
und -architektur, der Lastrate (200 mm/min bis 3 m/s) und Temperatur
(-20 °C bis 60 °C) sowie geometrischer Parameter wi e Plattendicke und Bolzendurchmesser
in einer experimentellen Studie analysiert. Für spröde FKV stellt sich
ein kontrolliert ablaufendes progressives Versagen als Kombination aus Transversalschub
und Laminatbiegung ein. Die Bildung eines Fragmentkeils vor dem Bolzen begünstigt
zudem den Anteil der Reibung an der Gesamtenergieabsorption.
Auf Basis der experimentellen Daten wird ein analytischer Ansatz zur Vorhersage der
sich einstellenden mittleren Deformationskraft entwickelt. Dieser vereinfachte, energetische
Ansatz ermöglicht unter Verwendung materieller (Biegefestigkeit, Reibungseigenschaften,
intra- und interlaminare Bruchenergie) sowie geometrischer
(Fragmentkeil) Parameter den linearen Zusammenhang zwischen mittlerer Deformationskraft
und Bolzendurchmesser bzw. den nichtlinearen Zusammenhang zwischen
mittlerer Deformationskraft und Plattendicke abzubilden.
Die generelle Eignung numerischer Berechnungsmethoden für eine Vorhersage des
progressiven Lochleibungsversagens wird für eine industrielle Anwendung mittels
geeigneter Modellierungsansätze in der kommerziellen, expliziten Berechnungssoftware
Abaqus/Explicit untersucht. Dies geschieht auf Basis von konventionellen intraund
interlaminaren Materialmodellen für gewebeverstärkte FKV. Mit den gezeigten
Modellansätzen lässt sich das generelle Deformationsverhalten des FKV abbilden.
Aufgrund der starken Vereinfachung der in der Schädigungszone vor dem Bolzen
ablaufenden Mechanismen sowie der unrealistisch frühen interlaminaren Schädigung
lassen sich die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen mittlerer Deformationskraft
und Plattendicke jedoch nur bedingt abbilden.
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.
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.
Congress Report 2016.11-12
(2016)
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.
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.
Dual-Pivot Quicksort and Beyond: Analysis of Multiway Partitioning and Its Practical Potential
(2016)
Multiway Quicksort, i.e., partitioning the input in one step around several pivots, has received much attention since Java 7’s runtime library uses a new dual-pivot method that outperforms by far the old Quicksort implementation. The success of dual-pivot Quicksort is most likely due to more efficient usage of the memory hierarchy, which gives reason to believe that further improvements are possible with multiway Quicksort.
In this dissertation, I conduct a mathematical average-case analysis of multiway Quicksort including the important optimization to choose pivots from a sample of the input. I propose a parametric template algorithm that covers all practically relevant partitioning methods as special cases, and analyze this method in full generality. This allows me to analytically investigate in depth what effect the parameters of the generic Quicksort have on its performance. To model the memory-hierarchy costs, I also analyze the expected number of scanned elements, a measure for the amount of data transferred from memory that is known to also approximate the number of cache misses very well. The analysis unifies previous analyses of particular Quicksort variants under particular cost measures in one generic framework.
A main result is that multiway partitioning can reduce the number of scanned elements significantly, while it does not save many key comparisons; this explains why the earlier studies of multiway Quicksort did not find it promising. A highlight of this dissertation is the extension of the analysis to inputs with equal keys. I give the first analysis of Quicksort with pivot sampling and multiway partitioning on an input model with equal keys.
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 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.
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.
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.
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.
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.