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Ein Großteil der elektrischen Energie wird zum Betrieb von Pumpen benötigt. Bei drehzahlkonstanten Pumpen werden als Antrieb oft Käfigläufer-Asynchronmotoren (ASM) eingesetzt, die direkt an das Drehstromnetz angeschlossen sind. ASM sind günstig und robust, ihre Effizienz wird jedoch durch die prinzipbedingten Rotorverluste begrenzt. Um höchsten Effizienzanforderungen zu genügen, bieten daher verschiedene Hersteller permanentmagneterregte Line-Start (PMLS) Motoren an, die den Vorteil der Netzanlauffähigkeit mit einem hohen Wirkungsgrad verbinden. Die hierbei verwendeten Seltenen-Erd-Magnetmaterialien verursachen jedoch hohe Anschaffungskosten.
Als Alternative werden in dieser Arbeit PMLS-Motoren in Ferrittechnik vorgestellt. Ferritmagnete zeichnen sich durch ihre geringen Anschaffungskosten und eine gute Verfügbarkeit ihrer Bestandteile aus, sind jedoch im Hinblick auf ihre magnetischen Eigenschaften Seltenen-Erd-Magneten unterlegen. Diese Nachteile müssen über einen geschickten Motoraufbau kompensiert werden.
Zur Entwicklung geeigneter Motoren werden zunächst analytische Modelle für das stationäre und das transiente Betriebsverhalten physikalisch hergeleitet und ihre mathematische Behandlung erläutert. Im stationären Modell wird die Eisensättigung über einen nichtlinearen magnetischen Kreis und die Motorerwärmung über ein thermisches, drehzahlabhängiges Netzwerk berücksichtigt. Die Güte der Modelle wird durch entsprechende FEM-Simulationen überprüft. Mit diesen Modellen werden zwei Funktionsmuster ausgelegt, wobei der Schutz der Ferritmagnete vor Entmagnetisierung beim Hochlauf im Fokus steht. Die so ausgelegten Motoren werden messtechnisch untersucht und die Mess- mit den Simulationsergebnissen abgeglichen. Ein abschließender Konzeptvergleich rundet die Arbeit ab.
Das Fachgebiet Stadtsoziologie der RPTU Kaiserslautern-Landau hat im Jahr 2022 eine teilstandardisierte Befragung der 50- bis 75-jährigen Einwohner:innen von sieben Modellkommunen durchgeführt. Urbane, suburbane und ländliche Kommunen aus drei Bundesländern wurden ausgewählt. Dieser „Steckbrief“ für die Stadt Jena beinhaltet die Ergebnisse für die zentralen soziodemografischen, sozialstrukturellen und wohnungsbezogenen Merkmale der Babyboomer (53- bis 67-jährigen).
Die Ergebnisse bilden einen kleinen Ausschnitt der Befragung zum Wohnen, der Wohnumgebung, der Freizeitgestaltung und digitaler Affinität der älteren Menschen und vor allem der Babyboomer-Kohorte in den Kommunen. Insgesamt wurden über 5.000 Menschen befragt. Eingebettet ist die Umfrage in das Projekt „Ageing Smart – Räume intelligent gestalten“, das die geburtenstarken Jahrgänge 1955 bis 1969 ("Babyboomer") adressiert. Mit dem sukzessiven Übergang der Babyboomer in den Ruhestand sind die Gesellschaft und insbesondere die Kommunen gefordert, angemessene Angebote zum Wohnen und für Betätigungsmöglichkeiten zu entwickeln.
Das Projekt wird durch die Carl-Zeiss-Stiftung sowie von der RPTU Kaiserslautern-Landau von 04/2021 bis 03/2026 gefördert. Zehn Fachgebiete der RPTU Kaiserslautern-Landau führen das Projekt gemeinsam mit dem Fraunhofer IESE und dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) durch.
Comparative analysis of scalar fields in scientific visualization often involves distance functions on topological abstractions. This paper focuses on the merge tree abstraction (representing the nesting of sub- or superlevel sets) and proposes the application of the unconstrained deformation-based edit distance. Previous approaches on merge trees often suffer from instability: small perturbations in the data can lead to large distances of the abstractions. While some existing methods can handle so-called vertical instability, the unconstrained deformation-based edit distance addresses both vertical and horizontal instabilities, also called saddle swaps. We establish the computational complexity as NP-complete, and provide an integer linear program formulation for computation. Experimental results on the TOSCA shape matching ensemble provide evidence for the stability of the proposed distance. We thereby showcase the potential of handling saddle swaps for comparison of scalar fields through merge trees.
Comparative visualization of scalar fields is often facilitated using similarity measures such as edit distances. In this paper, we describe a novel approach for similarity analysis of scalar fields that combines two recently introduced techniques: Wasserstein geodesics/barycenters as well as path mappings, a branch decomposition-independent edit distance. Effectively, we are able to leverage the reduced susceptibility of path mappings to small perturbations in the data when compared with the original Wasserstein distance. Our approach therefore exhibits superior performance and quality in typical tasks such as ensemble summarization, ensemble clustering, and temporal reduction of time series, while retaining practically feasible runtimes. Beyond studying theoretical properties of our approach and discussing implementation aspects, we describe a number of case studies that provide empirical insights into its utility for comparative visualization, and demonstrate the advantages of our method in both synthetic and real-world scenarios. We supply a C++ implementation that can be used to reproduce our results.
Infobrief FBK 72/24
(2024)
World2Go – Der digitale Botanische Garten mit handlungsorientierten Stationen im Klassenzimmer
(2024)
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation sind zwei Geobotanik-Boxen konzipiert worden, die sich nahtlos in einen interdisziplinären Unterricht der beiden naturwissenschaftlichen Fächer Erdkunde und Biologie integrieren lassen. Die Geobotanik-Boxen basieren auf einem digital gestützten Lernzirkel, der sich thematisch mit den Anpassungsstrategien von Pflanzen an die tropische und subtropische Klimazone beschäftigt, der den Schüler*innen adressatengerechte Hinweise und Aufgaben zur Verfügung stellt und gleichzeitig das analoge Experimentieren und Durchführen von Versuchen ermöglicht. Dadurch sollen sowohl das digitale Lernen als auch naturwissenschaftliche Arbeitsweisen bei den Schüler*innen der Klassenstufen 5-13 gefordert und gefördert werden.
Begleitet wird der Einsatz der beiden Geobotanik-Boxen von einer zweigleisigen Studie, die sich sowohl auf die Schüler*innen als auch die Lehrer*innen bezieht. Durch ein quantitatives Forschungsdesign (Fragebogen für die Schüler*innen) soll zum einen herausgefunden werden, ob ein digitaler Lernzirkel in den Schulunterricht integriert werden kann, und zum anderen ein Überblick geschaffen werden, welchen Umgang die Schüler*innen mit digitalen Medien bereits erlernt haben. Der Schwerpunkt der Forschung befindet sich im zweiten Teilbereich der Studie. Hier werden die Lehrkräfte, die an dem Projekt „World2Go“ teilgenommen haben, in Interviews zum Lernzirkel und dem Einsatz von digitalen Medien im Unterricht befragt.
Da im Zuge des Projektes auch eine Lehrer*innenfort- und -weiterbildung konzipiert werden soll, die sich an den Wünschen und Bedürfnissen der Lehrkräfte orientiert, werden auch diese beiden Bereiche in den Interviews abgedeckt. Gestützt durch die Ergebnisse aus beiden Forschungsbereichen, beabsichtigt diese Arbeit die Entwicklung einer Lehrer*innenfort- und -weiterbildung. Diese Bildungsmaßnahme hat zum Ziel, einerseits das Projekt „World2Go“ vorzustellen und Lehrkräften die Integration der Geobotanik-Boxen in ihren Unterricht zu erleichtern und andererseits die Erkenntnisse aus der projektbezogenen Forschung aufzugreifen, um Lehrkräften die Gestaltung eines digital gestützten Unterrichts zu erleichtern.
In the first part of this thesis, the synthesis of several molecularly imprinted polymers (MIPs) and non imprinted polymers (NIPs) and the characterization of their ability to bind glyphosate and AMPA in the aqueous enviroment is described. These polymers are to be used as concentrators in a mobile water monitoring system, and were developed in the framework of the EU-funded Interreg V project „WaterPollutionSensor“. They were produced using block copolymerization of different functional monomers and crosslinkers in various ratios. Phenylphosphonic acid was used as template. For comparison, homopolymers containing only the crosslinkers were also synthesized and all polymers were referend against the commerically available MIP Affinimip® from Affinisep.
The composition of the polymers was determined using elemental analysis. Brunauer–Emmett–Teller (BET) and scanning electron microscope (SEM) measurements were carried out to characterize the polymer morphology. The most polymers showed a specific surface between 100 – 400 m2g-1, which is typical for MIPs. The adsorption and elution behavior of the polymers was investigated using NMR and UV/Vis in modified batch and flow experiments. While the polymers based on DMAPMA showed very good adsorption for glyphosate and AMPA, the polymers based on ATH were suitable for both adsorption and elution. The polymers based on EGDMA and ATH showed an imprinting effect while the crosslinker TAHT formed attractive interactions with glyphosate and AMPA and therefore no imprinting effect was observed. The results obtained provided insight into structural parameters that influenced the adsorption properties.
In the secound project of this thesis, two bis(cyclopeptides) (BCP) isomers containing a photo-switchable linker were successfully synthesized and isolated. The successful synthesis of both products was confirmed using NMR, elemental analysis, ESI and MALDI mass spectrometry. In cooperation with the Wezenberg group, the switching and binding properties of the two BCPs were analyzed using NMR, ESI and ITC. These experiments showed that both BCPs bind strongly to sulfate anions in DMSO with a 1:1 stoichiometry for the Z and a 2:2 stoichiometry for the E isomer. The high stability of these both sulfate complexes prevented switching from one complex to the other by light. Switching could be achieved by additionally changing the protonation state of the anion using an acid/base mediated stimulus, since hydrogen sulfate is less strongly bound by both isomers.
Intelligent formal methods
(2022)
Information technology has become an indispensable part of our daily lives, with a significant proportion of our everyday activities relying on the safe and reliable operation of computer systems. One promising approach to ensuring these critical properties is the use of so-called formal methods, a broad range of rigorous, mathematical techniques for specifying, developing, and verifying hardware, software, cyber-physical systems, and artificial intelligence. Unlike traditional quality assurance approaches, such as testing, formal methods offer the unique ability to provide formal proof of the absence of errors, a trait particularly desirable in the context of today's ubiquitous safety-critical systems. However, this advantage comes at a cost: formal methods require extensive training, often assume idealized or limited settings, and typically demand substantial computational resources.
Inspired by the vision of artificial intelligence, this work seeks to automate formal methods and dramatically expand their applicability. To achieve this goal, we develop a novel, innovative type of formal method that combines inductive techniques from machine learning with deductive techniques from logic. We name this new approach "intelligent formal methods" and apply it to three fundamental areas: software verification, hardware and software synthesis, and the generation of formal specifications.
Objective. Gradient-based optimization using algorithmic derivatives can be a useful technique to improve engineering designs with respect to a computer-implemented objective function. Likewise, uncertainty quantification through computer simulations can be carried out by means of derivatives of the computer simulation. However, the effectiveness of these techniques depends on how 'well-linearizable' the software is. In this study, we assess how promising derivative information of a typical proton computed tomography (pCT) scan computer simulation is for the aforementioned applications. Approach. This study is mainly based on numerical experiments, in which we repeatedly evaluate three representative computational steps with perturbed input values. We support our observations with a review of the algorithmic steps and arithmetic operations performed by the software, using debugging techniques. Main results. The model-based iterative reconstruction (MBIR) subprocedure (at the end of the software pipeline) and the Monte Carlo (MC) simulation (at the beginning) were piecewise differentiable. However, the observed high density and magnitude of jumps was likely to preclude most meaningful uses of the derivatives. Jumps in the MBIR function arose from the discrete computation of the set of voxels intersected by a proton path, and could be reduced in magnitude by a 'fuzzy voxels' approach. The investigated jumps in the MC function arose from local changes in the control flow that affected the amount of consumed random numbers. The tracking algorithm solves an inherently non-differentiable problem. Significance. Besides the technical challenges of merely applying AD to existing software projects, the MC and MBIR codes must be adapted to compute smoother functions. For the MBIR code, we presented one possible approach for this while for the MC code, this will be subject to further research. For the tracking subprocedure, further research on surrogate models is necessary.
We discuss the dynamics of the formation of a Bose polaron when an impurity is injected into a weakly interacting one-dimensional Bose condensate. While for small impurity-boson couplings this process can be described within the Froehlich model as generation, emission and binding of Bogoliubov phonons, this is no longer adequate if the coupling becomes strong. To treat this regime we consider a mean-field approach beyond the Froehlich model which accounts for the backaction to the condensate, complemented with Truncated Wigner simulations to include quantum fluctuation. For the stationary polaron we find a periodic energy-momentum relation and non-monotonous relation between impurity velocity and polaron momentum including regions of negative impurity velocity. Studying the polaron formation after turning on the impurity-boson coupling quasi-adiabatically and in a sudden quench, we find a very rich scenario of dynamical regimes. Due to the build-up of an effective mass, the impurity is slowed down even if its initial velocity is below the Landau critical value. For larger initial velocities we find deceleration and even backscattering caused by emission of density waves or grey solitons and subsequent formation of stationary polaron states in different momentum sectors. In order to analyze the effect of quantum fluctuations we consider a trapped condensate to avoid 1D infrared divergencies. Using Truncated Wigner simulations in this case we show under what conditions the influence of quantum fluctuations is small.