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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.
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.
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“.
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.
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.
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.
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.
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.
α-, β- und γ-Asaron gehören zur Gruppe der Phenylpropanoide und kommen überwiegend in Pflanzen der Familien Aristolochiaceae, Acoraceae und Lauraceae vor. Asarone sind im etherischen Öl dieser Pflanzen enthalten, welches hauptsächlich als Aromastoff in
alkoholischen Getränken wie Bitterlikören oder in der traditionellen Pflanzenmedizin
eingesetzt wird. α- und β-Asaron besitzen pharmakologische Eigenschaften und könnten potentiell in der Therapie von verschiedenen Krankheiten eingesetzt werden, jedoch haben Studien gezeigt, dass diese Verbindungen sowie indisches Kalmusöl im Tierversuch im Nager
krebserregend sind (Dünndarm und Leber). Der Mechanismus dieser kanzerogenen Wirkung ist derzeit noch unklar, wobei ein gentoxischer Weg nicht ausgeschlossen werden kann. Studien zur Gentoxizität der propenylischen Verbindungen α- und β-Asaron sind bislang uneinheitlich. Daten zur Kanzerogenität und Gentoxizität des allylischen γ-Asarons fehlen
gänzlich. Basierend auf der aktuellen Datenlage ist eine Risikobewertung für Zubereitungen, die Asarone enthalten, nicht möglich. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation sollte daher
mithilfe von verschiedenen in vitro Testsystemen ein Beitrag zur Aufklärung des Wirkmechanismus der Kanzerogenität geleistet und die Frage nach der Gentoxizität der Asarone geklärt werden. Dazu wurde zunächst ein bakterieller Mutagenitätstest (Ames-Fluktuationstest) mit und ohne exogene metabolische Aktivierung (S9-Mix) in den Salmonella
typhimurium-Stämmen TA97a, TA98, TA100 und TA102 eingesetzt. Zusätzlich wurden Untersuchungen zur Zytotoxizität und Gentoxizität in Säugerzellen durchgeführt. Zur Überprüfung der Mutagenität diente der Hypoxanthinphosphoribosyltransferase (HPRT)-Test in V79-Zellen und gentechnisch veränderten V79-Zellen (V79-hCYP1A2-hSULT1A1*1 und V79-
rCYP1A2-rSULT1C1) und zur Bestimmung des gentoxischen Potentials wurde der
Mikrokerntest in V79-Zellen und metabolisch kompetenten HepG2-Zellen herangezogen. α- und β-Asaron zeigten im Ames-Fluktuationstest nur nach metabolischer Aktivierung ein mutagenes Potential. Diese Ergebnisse deuten auf die wichtige Rolle des Metabolismus in der
Toxizität der propenylischen Asarone hin. Deshalb wurden neben den drei Asaron-Isomeren auch ausgewählte oxidative Metaboliten ((E/Z)-Asaron-1',2'-epoxid, γ-Asaron-2',3'-epoxid, erythro- und threo-1',2'-Dihydro-1',2'-dihydroxyasaron, (E/Z)-3'-Oxoasaron und 2,4,5-Trimethoxyphenyl-2-propanon) auf Mutagenität getestet. Dabei konnte festgestellt werden, dass die mutagene Wirkung von α- und β-Asaron auf die Epoxidierung der Seitenkette
zurückzuführen ist, da die entsprechenden Epoxide im Ames-Fluktuationstest ebenfalls mutagen waren. Außerdem führte der HPRT-Test in den gentechnisch veränderten V79-hCYP1A2-hSULT1A1*1-Zellen zu einer leichten Erhöhung der Mutationsfrequenz nach Inkubation mit den Asaronen, während der Test in den Standard-V79- und V79-rCYP1A2-rSULT1C1-Zellen für diese Verbindungen keine Veränderung im Vergleich zur Negativkontrolle zeigte. Im Mikrokerntest in HepG2-Zellen konnte ebenfalls ein gentoxisches Potential für die
propenylischen Asarone nachgewiesen werden. Welchen Einfluss dabei der Metabolismus der Substanzen hat, wurde mithilfe einer Vorinkubation mit TCDD überprüft, welches vor allem zur Induktion von CYP1A-Enzymen in HepG2-Zellen führt. Bei allen drei Asaron-Isomeren
wurde dadurch eine Erhöhung der relativen Mikrokernrate erreicht, insbesondere jedoch bei α-Asaron. Die Inkubation mit den oxidativen Metaboliten gab Hinweise darauf, dass die gentoxische Wirkung hier vermutlich auf die Bildung von (E/Z)-3'-Oxoasaron zurückzuführen ist. In der vorliegenden Arbeit konnte somit gezeigt werden, dass nicht nur zwischen allylischen und propenylischen Asaronen Unterschiede in der Gentoxizität vorliegen, sondern auch zwischen dem trans(α)- und cis(β)-Isomer. Dieser Befund geht mit den neuesten Untersuchungen zum Metabolismus dieser Substanzen einher, der sich ebenfalls zwischen den propenylischen Asaronen unterscheidet. Dem allylischen γ-Asaron liegt wiederum ein anderer Wirkmechanismus zugrunde. Der postulierte Metabolismusweg für vergleichbare allylische Alkenylbenzene basiert auf einer CYP-Hydroxylierung der Seitenkette und einer weiteren Sulfonierung durch Sulfotransferasen. Durch eine spontane Abspaltung der Sulfat-Gruppe entsteht ein reaktives Carbokation, das mit nukleophilen Zentren (z.B. Proteinen oder DNA) reagieren und somit letztlich zu Mutationen und der Entstehung von Krebs beitragen
kann. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit geben jedoch keinen Hinweis darauf, dass es bei γ-Asaron analog zu anderen allylischen Propenylbenzenen zu einer Bildung eines ultimaten Kanzerogens kommt, da keine mutagene Wirkung in den hier verwendeten Testsystemen zu
beobachten war, die zum Großteil eine Aktivierung über Sulfotransferasen ermöglichten.
Immobilisierung von Glycosidasen an magnetische Partikel mit dem Ziel einer Weinaromaverbesserung
(2016)
In der Winzertechnik werden Enzympräparate für diverse Anwendungen eingesetzt. Dabei gibt es zahlreiche kommerzielle Enzyme zur Verbesserung bzw. Freisetzung von Aromen. Solche Enzympräparate werden nach einiger Zeit durch eine Bentonitschönung inaktiviert bzw. ausgefällt und gehen damit verloren. Der Einsatz von neuem Enzympräparat bei jedem weiteren Gärungsansatz stellt dabei einen Kostenfaktor für den Winzer dar und es bleibt eine gewisse Rest-Enzymaktivität im Wein erhalten. Letzteres führt dazu, dass solche Weine sensorisch nach einem halben bis einem Jahr abbauen. Um sensorische Beeinträchtigungen und Qualitätsminderungen vorzubeugen ist eine vollständige Entfernung der Enzyme wichtig. Eine Immobilisierung dieser Enzyme an Magnetit-Partikel stellt eine Möglichkeit dar, dieses Problem zu lösen. Besonders die vollständige Entfernung durch eine Magnet-Separation und die anschließende Wiederverwendbarkeit der Enzyme sind dabei wichtige Vorteile für den Winzer.
Bei Enzympräparaten zur Weinaromaverbesserung handelt es sich um pektolytische Enzymmischungen mit einer β-Glucosidase-Nebenaktivität. Gerade in Weißwein kommen viele Aromen glykosidisch gebunden vor und sind dadurch sensorisch nicht wirksam. Diese glykosidischen Verbindungen können durch eine β Glucosidase-Aktivität gespalten und das entsprechende Aroma-Aglykon freigesetzt werden. Allerdings liegt bei der Freisetzung der Aromastoffe ein sequentieller Mechanismus vor, d.h. es werden ebenfalls andere Glycosidasen, wie Arabinosidase, Rhamnosidase oder Xylosidase, benötigt, um Aroma freizusetzen. Daher muss es sich bei den für die Aromafreisetzung eingesetzten Enzymen immer um eine Mischung aus Glycosidasen handeln. Die Immobilisierung verschiedener Enzyme auf einen Träger ist dahingehend eine Herausforderung, indem jedes Enzym andere Voraussetzungen hat, um erfolgreich an einen Träger zu koppeln. Aus diesem Grund ist die simultane Immobilisierung mehrere Enzyme immer nur ein Kompromiss.
Ziel dieser Arbeit war es, die Enzyme erfolgreich an Magnetit-Partikel zu koppeln und mittels analytischer und sensorischer Untersuchungen die Wirksamkeit und die Eigenschaften der Enzyme hinsichtlich eines Einsatzes in der Winzertechnik zu bewerten. Zur Immobilisierung wurden superparamagnetische Magnetit-Partikel, die in einer Matrix aus Polyvinylalkohol eingeschlossen waren, verwendet und die Konjugation der Enzyme wurde mit Carbodiimid durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist mehrere Glycosidasen verschiedener Spezifität aus einem kommerziellen, önologischen Enzympräparat erfolgreich an Magnetit-Partikel zu koppeln und dadurch die Aroma-Ausprägung von Wein positiv zu beeinflussen. Bei den untersuchten Bedingungen stellten sich pH 3,8 bis 4,0 als beste Voraussetzung heraus, um möglichst viele Glycosidasen aktiv an den Träger zu konjugieren. Generell hatte die β-Glucosidase eine relativ hohe Kopplungsaffinität zum Träger, sodass im immobilisierten Enzymgemisch andere Mengenverhältnisse der einzelnen Glycosidasen vorlagen als im Ausgangsprodukt. Untersuchungen hinsichtlich einer möglichen Änderung im Aktivitätsprofil zeigten keine signifikanten Unterschiede. Durch die Kopplungsreaktion kam es zu keiner negativen Beeinträchtigung. Für alle Enzympräparate wurde allerdings eine deutliche Inhibition der β-Glucosidase-Aktivität durch Glucose festgestellt. Die Enzyme sollten daher erst am Ende bzw. nach der Gärung eingesetzt werden, da dort die Glucose-Konzentration am niedrigsten ist. Stabilitätsuntersuchungen der gekoppelten Glycosidasen im Wein zeigten lediglich leichte Aktivitätsverluste. Somit war die Kopplung stabil und stellte kein Hindernis für einen Einsatz im Wein dar. Die Rückgewinnung der Magnetit-Partikel aus Wein wurde mit Hilfe eines Hochgradient-Magnet-Separators durchgeführt. Die Separation hatte ebenfalls keinen negativen Einfluss auf die Enzymaktivität der gekoppelten Enzyme.
Da die Enzyme an Magnetit-Partikel gekoppelt wurden, ist eine mögliche Eisenmigration aus den Partikeln in den Wein ebenfalls ein wichtiges Kriterium und wurde entsprechend untersucht. Dabei konnten durch den Einsatz der Magnetit-Partikel im Wein teilweise ein stark erhöhter Eisengehalt festgestellt werden. Eine erhöhte Eisen-Konzentration im Wein kann zu drastischen Qualitätseinbußen und zu vermehrter Oxidation führen. In Folge dessen stellt die Eisenmigration aus den Partikeln noch ein erhebliches Problem bei einem späteren Einsatz in der Winzertechnik dar. Untersuchungen zum Phenolgehalt der mit Magnetit-Partikel behandelten Weinproben ließen auf einen solchen oxidativen Abbau durch die erhöhten Eisen-Konzentrationen schließen. Weitere Untersuchungen einiger Einzelphenole bestätigten diese Annahme. Neben verminderten Phenolgehalten konnten dagegen einige Phenole, wie Kaffeesäure, p Coumarsäure und Resveratrol, durch den Enzymeinsatz signifikant gesteigert werden.
Weitere Untersuchungen zeigten, dass die gekoppelten Enzyme fähig waren, Aromastoffe im Wein freizusetzen. Der Terpengehalt konnte signifikant durch Enzymeinsatz, sowohl frei als auch immobilisiert, gesteigert werden. Dies betraf besonders die Monoterpene Nerol und Geraniol. Ein Vergleich zwischen gekoppelten und freien Glycosidasen zeigte, dass durch das nicht-immobilisierte Enzymgemisch etwas mehr der untersuchten Verbindungen freigesetzt wurde. Dieser Effekt kann mit der durch die Kopplung veränderten Enzym-Zusammensetzung erklärt werden, da ein größerer Anteil an β-Glucosidase an die Magnetit-Partikel koppelte, aufgrund des sequentiellen Mechanismus, aber auch andere Glycosidasen von Bedeutung sind, um das entsprechende Aglykon freizusetzen.
An Magnetit-Partikel gekoppelte Glycosidasen können gut in bestehende Batch-Prozesse der Weinherstellung integriert werden. Außerdem sind, abgesehen vom Magnet-Separator, nur geringe Investitionen in neue Anlagen nötig. Weitere Vorteile sind eine gute Abtrennung und Wiederverwendbarkeit der gekoppelten Enzyme, enzymfreies Produkt, nahezu identische Anwendung im Vergleich zu bestehenden Enzympräparaten und es ist kaum neue Prozess-Expertise für die Winzer notwendig. Die Prozessbetrachtung zeigte allerdings auch die Komplexität der Hydrolyse glykosidisch gebundener Stoffe im Wein, da eine Vielzahl von Faktoren die Hydrolyse der Glykoside im Wein beeinflusst. Somit ist eine Vorhersage bzw. Abschätzung der Freisetzung an Aromastoffen im Wein durch einen Enzymeinsatz äußerst kompliziert und es ist zurzeit noch nicht möglich die erworbenen Kenntnisse zur Hydrolyse der Glykoside den Weingütern effizient zur Verfügung zu stellen.
Die Glycosidasen β-Glucosidase, Arabinosidase, Rhamnosidase und Xylosidase konnten erfolgreich auf die verwendeten Magnetit-Partikel immobilisiert, deren mögliche Wiederverwendbarkeit gezeigt und durch den Einsatz dieser Enzyme der Gehalt an Terpenen und einiger Phenole signifikant gesteigert werden. Diese Erkenntnisse zeigen, dass ein Einsatz der an Magnetit-Partikel gekoppelten Glycosidasen in der Winzertechnik möglich ist. Allerdings können die erhöhten Eisengehalte durch die Verwendung der Magnetit-Partikel zu Qualitätseinbußen führen. Daher sind die verwendeten Partikeln noch nicht für einen Einsatz in der Winzertechnik geeignet. Diese bedürfen weiterer Entwicklung, da für einen erfolgreichen Einsatz möglichst inerte Partikel vorliegen sollten, um die beschriebenen negativen Effekte zu minimieren.
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.
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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)
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.
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.
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.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Möglichkeiten zur Steigerung der Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetondecken mit integrierten Leitungen untersucht. Hierbei wurde der Einfluss auf die Tragfähigkeit von Wendeln um die Leitungen herum, der Einfluss von Gitterträgern in Elementdecken mit Leitungen, Gitterträger neben Leitungen als örtliche Zulagebewehrung und Unterstützungskörbe über Leitungen untersucht. Zudem wurden Versuche mit lokaler Verbundstörung der Biegebewehrung zur Vermeidung eines Biegeschubrisses im Bereich der Leitungen durchgeführt.
Die Wendel wird aus Betonstahl gebogen und mit handelsüblichen Betonabstandhaltern an der Leitung fixiert. Die Betondeckung zur Leitung soll sowohl die Kraftübertragung, als auch den Korrosionsschutz sicherstellen. In insgesamt 70 Bauteilversuchen wurden verschiedene Parameter variiert. Hierzu zählen der Leitungsdurchmesser, die Anzahl der Windungen der Wendel, der Stabdurchmesser der Wendel sowie die Lage der Öffnung im Bauteil. Mit relativ geringen Bewehrungsmengen konnte die Tragfähigkeit des ungeschwächten, unbewehrten Vollquerschnitts erreicht werden. Die Ergebnisse der Versuche führten abschließend zu einem an den Querkraftnachweis des Eurocode 2 angelehnten Bemessungsvorschlag, der die verschiedenen Einflussparameter der Wendel berücksichtigt.
Zur Untersuchung des Tragverhaltens von Elementdecken mit Gitterträgern und integrierten Leitungen in der Ortbetonergänzung wurde in 31 Versuchen der Querkraftbewehrungsgrad variiert. Der Öffnungsdurchmesser betrug dabei maximal 80 mm. Größere Leitungen können ohne Beschädigung der Diagonalen der Gitterträger nicht verbaut werden. Hierbei konnte eine Reduktion der Querkrafttragfähigkeit bezogen auf den ungeschwächten Querschnitt mit Gitterträgern festgestellt werden. Diese Reduktion wird in einem Bemessungskonzept durch Abminderung des Betontraganteils berücksichtigt. Ab einer Querkraft-bewehrungsmenge von ca. 11 cm²/m² konnte die Querkrafttragfähigkeit des unbewehrten Vollquerschnitts erreicht werden. Diese Bewehrungsmenge entspricht in etwa dem Mindestquerkraftbewehrungsgrad nach Eurocode 2.
Des Weiteren wurden Versuche an Elementdecken mit Gitterträgern neben bzw. Unterstützungskörben über Leitungen durchgeführt. Bei diesen Versuchen wurde sowohl der Fall des in das Fertigteil einbetonierten Bewehrungselements als auch der Fall des nachträglich auf die Fertigteilplatte aufgestellten Bewehrungselements untersucht. Die Versuchsergebnisse führten zu einem Bemessungsansatz, welcher an das Bemessungskonzept des Eurocode 2 anschließt. Durch zusätzliche Faktoren in Abhängigkeit des Bewehrungselements, Bewehrungsgrades und des Leitungs-durchmessers kann die Querkrafttragfähigkeit solcher Decken bemessen werden.
Eine lokale Verbundstörung der Biegebewehrung unterhalb der Öffnungen führt zu einer deutlich erhöhten Traglast. Ein Biegeschubversagen konnte in diesem Fall nicht herbeigeführt werden. Diese Versuche führen zwar zu keiner praxistauglichen Verstärkungsmethode, veranschaulichen aber sehr gut das Querkrafttragverhalten von Stahlbetondecken.