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Machining is very common in industry, e.g. automotive industry and aerospace industry, which is a nonlinear dynamic problem including large deformations, large strain, large strain rates and high temperatures, that implies some difficulties for numerical methods such as Finite element method. One way to simulate such kind of problems is the Particle Finite Element Method (PFEM) which combines the advantages of continuum mechanics and discrete modeling techniques. In this work we introduce an improved PFEM called the Adaptive Particle Finite Element Method (A-PFEM). The A-PFEM introduces particles and removes wrong elements along the numerical simulation to improve accuracy, precision, decrease computing time and resolve the phenomena that take place in machining in multiple scales. At the end of this paper, some examples are present to show the performance of the A-PFEM.
Abstract: We present experimental and theoretical results of a detailed study of laser-induced continuum structures (LICS) in the photoionization continuum of helium out of the metastable state 2s^1 S_0. The continuum dressing with a 1064 nm laser, couples the same region of the continuum to the 4s^1 S_0 state. The experimental data, presented for a range of intensities, show pronounced ionization suppression (by asmuch as 70% with respect to the far-from-resonance value) as well as enhancement, in a Beutler-Fano resonance profile. This ionization suppression is a clear indication of population trapping mediated by coupling to a contiuum. We present experimental results demonstrating the effect of pulse delay upon the LICS, and for the behavior of LICS for both weak and strong probe pulses. Simulations based upon numerical solution of the Schrödinger equation model the experimental results. The atomic parameters (Rabi frequencies and Stark shifts) are calculated using a simple model-potential method for the computation of the needed wavefunctions. The simulations of the LICS profiles are in excellent agreement with experiment. We also present an analytic formulation of pulsed LICS. We show that in the case of a probe pulse shorter than the dressing one the LICS profile is the convolution of the power spectra of the probe pulse with the usual Fano profile of stationary LICS. We discuss some consequences of deviation from steady-state theory.
This work introduces a promising concept for the preparation of new nano-sized receptors. Mixed monolayer protected gold nanoparticles (AuNPs) for low molecular weight compounds were prepared featuring functional groups on their surfaces. It has been shown that these AuNPs can engage in interactions with peptides in aqueous media. Quantitative binding information was obtained from DOSY-NMR titrations indicating that nanoparticles containing a combination of three orthogonal functional groups are more efficient in binding to dipeptides than mono or difunctionalised analogues. The strategy is highly modular and easily allows adapting the receptor selectivity to a
given substrate by varying the type, number, and ratio of binding sites on the nanoparticle
surface.
Für die lösbare Verbindung von Bauteilen aus Polymerwerkstoffen sind Direktver-schraubungen das kostengünstigen Fügeverfahren. Nachteilig sind allerdings die durch das viskoelastische Verhalten der Polymerwerkstoffe bedingte zeit- und tem-peraturabhängige Abnahme der Vorspannkraft und deren weitere Beeinflussung durch den Wärmeausdehnungsunterschied von Polymerwerkstoff und Metall. Ziel der Arbeit ist es, durch den gekoppelten Einsatz von Experiment und FE-Simulation den Einfluss von Zeit und Temperatur auf die Vorspannkraft bei Direktverschraubungen in Polymerwerkstoffen zu beschreiben. Der Tubus aus Polymerwerkstoff, der auf-grund der Faserorientierung inhomogen und anisotrop ist, wird ortsaufgelöst unter-sucht, und hierauf aufbauend werden die lokalen Werkstoffparameter für die FE-Analyse ermittelt. Die FE-Analyse der Direktverschraubung selbst wird experimentell anhand des Vorspannkraftverlaufs sowie der Oberflächendeformation überprüft. Beim betrachteten Verbindungssystem ist deutlich zu beobachten, dass der Vor-spannkraftabbau hauptsächlich im Bereich der Entlastungsbohrung bis zu einer be-stimmten Einschraubtiefe stattfindet.
The safety of embedded systems is becoming more and more important nowadays. Fault Tree Analysis (FTA) is a widely used technique for analyzing the safety of embedded systems. A standardized tree-like structure called a Fault Tree (FT) models the failures of the systems. The Component Fault Tree (CFT) provides an advanced modeling concept for adapting the traditional FTs to the hierarchical architecture model in system design. Minimal Cut Set (MCS) analysis is a method that works for qualitative analysis based on the FTs. Each MCS represents a minimal combination of component failures of a system called basic events, which may together cause the top-level system failure. The ordinary representations of MCSs consist of plain text and data tables with little additional supporting visual and interactive information. Importance analysis based on FTs or CFTs estimates the contribution of each potential basic event to a top-level system failure. The resulting importance values of basic events are typically represented in summary views, e.g., data tables and histograms. There is little visual integration between these forms and the FT (or CFT) structure. The safety of a system can be improved using an iterative process, called the safety improvement process, based on FTs taking relevant constraints into account, e.g., cost. Typically, relevant data regarding the safety improvement process are presented across multiple views with few interactive associations. In short, the ordinary representation concepts cannot effectively facilitate these analyses.
We propose a set of visualization approaches for addressing the issues above mentioned in order to facilitate those analyses in terms of the representations.
Contribution:
1. To support the MCS analysis, we propose a matrix-based visualization that allows detailed data of the MCSs of interest to be viewed while maintaining a satisfactory overview of a large number of MCSs for effective navigation and pattern analysis. Engineers can also intuitively analyze the influence of MCSs of a CFT.
2. To facilitate the importance analysis based on the CFT, we propose a hybrid visualization approach that combines the icicle-layout-style architectural views with the CFT structure. This approach facilitates to identify the vulnerable components taking the hierarchies of system architecture into account and investigate the logical failure propagation of the important basic events.
3. We propose a visual safety improvement process that integrates an enhanced decision tree with a scatter plot. This approach allows one to visually investigate the detailed data related to individual steps of the process while maintaining the overview of the process. The approach facilitates to construct and analyze improvement solutions of the safety of a system.
Using our visualization approaches, the MCS analysis, the importance analysis, and the safety improvement process based on the CFT can be facilitated.
The noise issue in manufacturing system is widely discussed from legal and health aspects. Regarding the existing laws and guidelines, various investigation methods are implemented in industry. The sound pressure level can be measured and reduced by using established approaches in reality. However, a straightforward and low cost approach to study noise issue using existing digital factory models is not found.
This thesis attempts to develop a novel concept for sound pressure level investigation in a virtual environment. With this, the factory planners are able to investigate the noise issue during factory design and layout planning phase.
Two computer aided tools are used in this approach: acoustic simulation and virtual reality (VR). The former enables the planner to simulate the sound pressure level by given factory layout and facility sound features. And the latter provides a visualization environment to view and explore the simulation results. The combination of these two powerful tools provides the planners a new possibility to analyze the noise in a factory.
To validate the simulations, the acoustic measurements are implemented in a real factory. Sound pressure level and sound intensity are determined respectively. Furthermore, a software tool is implemented using the introduced concept and approach. With this software, the simulation results are represented in a Cave Automatic Virtual Environment (CAVE).
This thesis describes the development of the approach, the measurement of sound features, the design of visualization framework, and the implementation of VR software. Based on this know-how, the industry users are able to design their own method and software for noise investigation and analysis.
The broad engineering applications of polymers and composites have become the
state of the art due to their numerous advantages over metals and alloys, such as
lightweight, easy processing and manufacturing, as well as acceptable mechanical
properties. However, a general deficiency of thermoplastics is their relatively poor
creep resistance, impairing service durability and safety, which is a significant barrier
to further their potential applications. In recent years, polymer nanocomposites have
been increasingly focused as a novel field in materials science. There are still many
scientific questions concerning these materials leading to the optimal property
combinations. The major task of the current work is to study the improved creep
resistance of thermoplastics filled with various nanoparticles and multi-walled carbon
nanotubes.
A systematic study of three different nanocomposite systems by means of
experimental observation and modeling and prediction was carried out. In the first
part, a nanoparticle/PA system was prepared to undergo creep tests under different
stress levels (20, 30, 40 MPa) at various temperatures (23, 50, 80 °C). The aim was
to understand the effect of different nanoparticles on creep performance. 1 vol. % of
300 nm and 21 nm TiO2 nanoparticles and nanoclay was considered. Surface
modified 21 nm TiO2 particles were also investigated. Static tensile tests were
conducted at those temperatures accordingly. It was found that creep resistance was
significantly enhanced to different degrees by the nanoparticles, without sacrificing
static tensile properties. Creep was characterized by isochronous stress-strain curves,
creep rate, and creep compliance under different temperatures and stress levels.
Orientational hardening, as well as thermally and stress activated processes were
briefly introduced to further understanding of the creep mechanisms of these
nanocomposites. The second material system was PP filled with 1 vol. % 300 nm and 21 nm TiO2
nanoparticles, which was used to obtain more information about the effect of particle
size on creep behavior based on another matrix material with much lower Tg. It was
found especially that small nanoparticles could significantly improve creep resistance.
Additionally, creep lifetime under high stress levels was noticeably extended by
smaller nanoparticles. The improvement in creep resistance was attributed to a very
dense network formed by the small particles that effectively restricted the mobility of
polymer chains. Changes in the spherulite morphology and crystallinity in specimens
before and after creep tests confirmed this explanation.
In the third material system, the objective was to explore the creep behavior of PP
reinforced with multi-walled carbon nanotubes. Short and long aspect ratio nanotubes
with 1 vol. % were used. It was found that nanotubes markedly improved the creep
resistance of the matrix, with reduced creep deformation and rate. In addition, the
creep lifetime of the composites was dramatically extended by 1,000 % at elevated
temperatures. This enhancement contributed to efficient load transfer between
carbon nanotubes and surrounding polymer chains.
Finally, a modeling analysis and prediction of long-term creep behaviors presented a
comprehensive understanding of creep in the materials studied here. Both the
Burgers model and Findley power law were applied to satisfactorily simulate the
experimental data. The parameter analysis based on Burgers model provided an
explanation of structure-to-property relationships. Due to their intrinsic difference, the
power law was more capable of predicting long-term behaviors than Burgers model.
The time-temperature-stress superposition principle was adopted to predict long-term
creep performance based on the short-term experimental data, to make it possible to
forecast the future performance of materials.
Radiotherapy is one of the major forms in cancer treatment. The patient is irradiated with high-energetic photons or charged particles with the primary goal of delivering sufficiently high doses to the tumor tissue while simultaneously sparing the surrounding healthy tissue. The inverse search for the treatment plan giving the desired dose distribution is done by means of numerical optimization [11, Chapters 3-5]. For this purpose, the aspects of dose quality in the tissue are modeled as criterion functions, whose mathematical properties also affect the type of the corresponding optimization problem. Clinical practice makes frequent use of criteria that incorporate volumetric and spatial information about the shape of the dose distribution. The resulting optimization problems are of global type by empirical knowledge and typically computed with generic global solver concepts, see for example [16]. The development of good global solvers to compute radiotherapy optimization problems is an important topic of research in this application, however, the structural properties of the underlying criterion functions are typically not taken into account in this context.
Recently, phase field modeling of fatigue fracture has gained a lot of attention from many researches and studies, since the fatigue damage of structures is a crucial issue in mechanical design. Differing from traditional phase field fracture models, our approach considers not only the elastic strain energy and crack surface energy, additionally, we introduce a fatigue energy contribution into the regularized energy density function caused by cyclic load. Comparing to other type of fracture phenomenon, fatigue damage occurs only after a large number of load cycles. It requires a large computing effort in a computer simulation. Furthermore, the choice of the cycle number increment is usually determined by a compromise between simulation time and accuracy. In this work, we propose an efficient phase field method for cyclic fatigue propagation that only requires moderate computational cost without sacrificing accuracy. We divide the entire fatigue fracture simulation into three stages and apply different cycle number increments in each damage stage. The basic concept of the algorithm is to associate the cycle number increment with the damage increment of each simulation iteration. Numerical examples show that our method can effectively predict the phenomenon of fatigue crack growth and reproduce fracture patterns.
In the last decades, the phase field method has drawn much attention for its application in fracture mechanics because it offers a simple unified framework for crack propagation. The core idea of phase field models for fracture is to introduce a continuous scalar field representing the discontinuous crack. Recently, a phase field model for fatigue has been proposed along this path. The fatigue failure differs from the other fracture scenarios since cracks only occur after a considerable number of load cycles. As fracturing happens, changes of the material microstructure are involved, which causes the evolution of the structural configuration. Thus, a new mathematical description not based on traditional spatial coordinates but the material manifold is desired, which will serve as an elegant analysis tool to understand the energetic forces for crack propagation. Configurational forces are a suitable choice for this purpose, as they describe the energetic driving forces associated with phenomena changing the material itself. In this work, we present a phase field model for fatigue. Furthermore, the phase field fatigue model is analyzed within the concept of configurational forces, which provides a straightforward way to understand the phase field simulations of fatigue fracture.
Phospho-regulation of the Shugoshin - Condensin interaction at the centromere in budding yeast
(2020)
Correct bioriented attachment of sister chromatids to the mitotic spindle is essential for chromosome segregation. In budding yeast, the conserved protein shugoshin (Sgo1) contributes to biorientation by recruiting the protein phosphatase PP2A-Rts1 and the condensin complex to centromeres. Using peptide prints, we identified a Serine-Rich Motif (SRM) of Sgo1 that mediates the interaction with condensin and is essential for centromeric condensin recruitment and the establishment of biorientation. We show that the interaction is regulated via phosphorylation within the SRM and we determined the phospho-sites using mass spectrometry. Analysis of the phosphomimic and phosphoresistant mutants revealed that SRM phosphorylation disrupts the shugoshin–condensin interaction. We present evidence that Mps1, a central kinase in the spindle assembly checkpoint, directly phosphorylates Sgo1 within the SRM to regulate the interaction with condensin and thereby condensin localization to centromeres. Our findings identify novel mechanisms that control shugoshin activity at the centromere in budding yeast.
Estimation and Portfolio Optimization with Expert Opinions in Discrete-time Financial Markets
(2021)
In this thesis, we mainly discuss the problem of parameter estimation and
portfolio optimization with partial information in discrete-time. In the portfolio optimization problem, we specifically aim at maximizing the utility of
terminal wealth. We focus on the logarithmic and power utility functions. We consider expert opinions as another observation in addition to stock returns to improve estimation of drift and volatility parameters at different times and for the purpose of asset optimization.
In the first part, we assume that the drift term has a fixed distribution, and
the volatility term is constant. We use the Kalman filter to combine the two
types of observations. Moreover, we discuss how to transform this problem
into a non-linear problem of Gaussian noise when the expert opinion is uniformly distributed. The generalized Kalman filter is used to estimate the parameters in this problem.
In the second part, we assume that drift and volatility of asset returns are both driven by a Markov chain. We mainly use the change-of-measure technique to estimate various values required by the EM algorithm. In addition,
we focus on different ways to combine the two observations, expert opinions and asset returns. First, we use the linear combination method. At the same time, we discuss how to use a logistic regression model to quantify expert
opinions. Second, we consider that expert opinions follow a mixed Dirichlet distribution. Under this assumption, we use another probability measure to
estimate the unnormalized filters, needed for the EM algorithm.
In the third part, we assume that expert opinions follow a mixed Dirichlet distribution and focus on how we can obtain approximate optimal portfolio
strategies in different observation settings. We claim the approximate strategies from the dynamic programming equations in different settings and analyze the dependence on the discretization step. Finally we compute different
observation settings in a simulation study.
Print path-dependent contact temperature dependency for 3D printing using fused filament fabrication
(2022)
This paper focuses on the effects of different time spans and thus different contact temperatures when a molten strand contacts an adjacent already solidified strand in a plane during 3D printing with fused filament fabrication. For this purpose, both the manufacturing parameters and the geometry of the component are systematically varied and the effect on morphology and mechanical properties is investigated. The results clearly show that even with identical printing parameters, the transitions between the individual layers are much more visible with long time spans until fusion and lead to low mechanical properties. In contrast, short spans lead to hardly visible welds and high mechanical properties. Transferring the findings to different component sizes ultimately verifies that the average temperature at the time of contact between the already solidified and the currently deposited strand is decisive for component quality. In order to generate high component qualities, this finding must therefore be taken into account in the future in the path generation strategy, i.e., in so-called slicing.
Elastomers and their various composites, and blends are frequently used as engineering working parts subjected to rolling friction movements. This fact already substantiates the importance of a study addressing the rolling tribological properties of elastomers and their compounds. It is worth noting that until now the research and development works on the friction and wear of rubber materials were mostly focused on abrasion and to lesser extent on sliding type of loading. As the tribological knowledge acquired with various counterparts, excluding rubbers, can hardly be adopted for those with rubbers, there is a substantial need to study the latter. Therefore, the present work was aimed at investigating the rolling friction and wear properties of different kinds of elastomers against steel under unlubricated condition. In the research the rolling friction and wear properties of various rubber materials were studied in home-made rolling ball-on-plate test configurations under dry condition. The materials inspected were ethylene/propylene/diene rubber (EPDM) without and with carbon black (EPDM_CB), hydrogenated acrylonitrile/butadiene rubber (HNBR) without and with carbon black/silica/multiwall carbon nanotube (HNBR_CB/silica/MWCNT), rubber-rubber hybrid (HNBR and fluororubber (HNBR-FKM)) and rubber-thermoplastic blend (HNBR and cyclic butylene terephthalate oligomers (HNBR-CBT)). The dominant wear mechanisms were investigated by scanning electron microscopy (SEM), and analyzed as a function of composition and testing conditions. Differential scanning calorimetry (DSC), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), atomic force microscopy (AFM), and transmission electron microscopy (TEM) along with other auxiliary measurements, were adopted to determine the phase structure and network-related properties of the rubber systems. The changes of the friction and wear as a function of type and amount of the additives were explored. The friction process of selected rubbers was also modelled by making use of the finite element method (FEM). The results show that incorporation of filler enhanced generally the wear resistance, hardness, stiffness (storage modulus), and apparent crosslinking of the related rubbers (EPDM-, HNBR- and HNBR-FKM based ones), but did not affect their glass transition temperature. Filling of rubbers usually reduced the coefficient of friction (COF). However, the tribological parameters strongly depended also on the test set-up and test duration. High wear loss was noticed for systems showing the occurrence of Schallamach-type wavy pattern. The blends HNBR-FKM and HNBR-CBT were two-phase structured. In HNBR-FKM, the FKM was dispersed in form of large microscaled domains in the HNBR matrix. This phase structure did not change by incorporation of MWCNT. It was established that the MWCNT was preferentially embedded in the HNBR matrix. Blending HNBR with FKM reduced the stiffness and degree of apparent crosslinking of the blend, which was traced to the dilution of the cure recipe with FKM. The coefficient of friction increased with increasing FKM opposed to the expectation. On the other hand, the specific wear rate (Ws) changed marginally with increasing content of FKM. In HNBR-CBT hybrids the HNBR was the matrix, irrespective to the rather high CBT content. Both the partly and mostly polymerized CBT ((p)CBT and pCBT, respectively) in the hybrids worked as active filler and thus increased the stiffness and hardness. The COF and Ws decreased with increasing CBT content. The FEM results in respect to COF achieved on systems possessing very different structures and thus properties (EPDM_30CB, HNBR-FKM 100-100 and HNBR-(p)CBT 100-100, respectively) were in accordance with the experimental results. This verifies that FEM can be properly used to consider the complex viscoelastic behaviour of rubber materials under dry rolling condition.
Indoor positioning system (IPS) is becoming more and more popular in recent years in industrial, scientific and medical areas. The rapidly growing demand of accurate position information attracts much attention and effort in developing various kinds of positioning systems that are characterized by parameters like accuracy,robustness,
latency, cost, etc. These systems have been successfully used in many applications such as automation in manufacturing, patient tracking in hospital, action detection for human-machine interacting and so on.
The different performance requirements in various applications lead to existence of greatly diverse technologies, which can be categorized into two groups: inertial positioning(involving momentum sensors embedded on the object device to be located) and external sensing (geometry estimation based on signal measurement). In positioning
systems based on external sensing, the input signal used for locating refers to many sources, such as visual or infrared signal in optical methods, sound or ultra-sound in acoustic methods and radio frequency based methods. This dissertation gives a recapitulative survey of a number of existence popular solutions for indoor positioning systems. Basic principles of individual technologies are demonstrated and discussed. By comparing the performances like accuracy, robustness, cost, etc., a comprehensive review of the properties of each technologies is presented, which concludes a guidance for designing a location sensing systems for indoor applications. This thesis will lately focus on presenting the development of a high precision IPS
prototype system based on RF signal from the concept aspect to the implementation up to evaluation. Developing phases related to this work include positioning scenario, involved technologies, hardware development, algorithms development, firmware generation, prototype evaluation, etc.. The developed prototype is a narrow band RF system, and it is suitable for a flexible frequency selection in UHF (300MHz3GHz) and SHF (3GHz30GHz) bands, enabling this technology to meet broad service preferences. The fundamental of the proposed system classified itself as a hyperbolic position fix system, which estimates a location by solving non-linear equations derived from time difference of arrival (TDoA) measurements. As the positioning accuracy largely depends on the temporal resolution of the signal acquisition, a dedicated RF front-end system is developed to achieve a time resolution in range of multiple picoseconds down to less than 1 pico second. On the algorithms aspect, two processing units: TDoA estimator and the Hyperbolic equations solver construct the digital signal processing system. In order to implement a real-time positioning system, the processing system is implemented on a FPGA platform. Corresponding firmware is generated from the algorithms modeled in MATLAB/Simulink, using the high level synthesis (HLS) tool HDL Coder. The prototype system is evaluated and an accuracy of better than 1 cm is achieved. A better performance is potential feasible by manipulating some of the controlling conditions such as ADC sampling rate, ADC resolution, interpolation process, higher frequency, more stable antenna, etc. Although the proposed system is initially dedicated to indoor applications, it could also be a competitive candidate for an outdoor positioning service.
Das aktuelle Design von Wirkstoffen ist fokussiert auf die Entwicklung von Molekülen, die das Tumorzellwachstum durch Inhibition mehrerer Signalwege unterdrücken können. Indirubin wurde als Hauptwirkstoff von Dangui Longhui Wan, einem Mittel der Traditionellen Chinesischen Medizin identifiziert, welches in China zur Behandlung vieler Krankheiten wie Leukämie benutzt wurde. Indirubine wurden als potente ATP-kompetitive CDK-Inhibitoren identifiziert, die in der ATP-Bindungstasche binden, Apoptose induzieren und das Wachstum von Tumorzellen effizient hemmen. Darüber hinaus zeigten Indirubin-Derivate Hemmwirkungen auf eine ganze Reihe anderer Kinasen wie z. B. GSK-3ß, VEGFR und c-Src, die beim Tumorzellwachstum eine entscheidende Rolle spielen. Ziel war es, Substituenten am Indirubingrundgerüst in die 5-, 5’- und 3’-Position einzuführen, um die Wasserlöslichkeit weiter zu verbessern, die metabolische Stabilität zu erhöhen, ohne jedoch Antitumorwirksamkeit abzuschwächen. Durch Einführung weiterer N-Atome in das Indirubingrundgerüst sollten CYP450-induzierte Hydroxylierungen am Kern vermieden werden, die zur Wirkungsabschwächung führten, wie frühere Arbeiten gezeigt haben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 19 neue Indirubin-Derivate und 3 neue Aza- und Diazaindirubine hergestellt und mittels CHN-Analyse und NMR-spektroskopisch charakterisiert. Für das bei der Kondensation zu 7-Aza- und 7,7’-Diazaindirubin benötigte 7-Azaisatin wurde eine neue Synthesemethode entwickelt. Die Wasserlöslichkeit der neuen Indirubine wurde photometrisch und ihre Zytotoxizität mit Hilfe von SRB-Assays an LXFL529L-Tumorzellen bestimmt. Durch Inkubation mit Rinderlebermikrosomen wurde der Phase-I-Metabolismus von Indirubin-5- carboxamiden und Indirubin-3’-oximethern untersucht. Die Hauptmetaboliten von E748, E857, E857a, E860 und E860a wurden mittels HPLC, HPLC-NMR und LC-MS/MS identifiziert. Weitere Untersuchungen zum Wirkmechanismus ausgewählter neuer Verbindungen, wie z. B. die Hemmung von Topoisomerasen und die Erstellung eines Hemmprofils an 30 verschiedenen Kinasen wurden durch andere Institute durchgeführt. Im Vergleich zu Indirubin-5-carboxamiden zeigen Indirubin-5’-carboxamide mit gleichem Substituenten eine 2 – 15 fache schwächere Wachstumshemmung an LXFL529L-Zellen und trotz basischem Zentrums auch keine signifikant verbesserte Wasserlöslichkeit. 5,5’-Disubstituierte Indirubine mit Carboxyl- oder Carboxamid- Gruppe als Substituent zeigten sogar bis zu einer Konzentration von 100 μM keine Hemmwirkung mehr. Eine Erklärung hierfür könnte der knapp bemessene Raum der ATP-Bindungstasche im Bereich der 5’-Position sein. Die Oximether E857 und E860, sowie die Hydrochloride E857a und E860a zeigten eine sehr potente Proliferationshemmung an LXFL529L-Zellen mit IC50-Werten von ca. 1 μM. Die Hydrochloride wiesen hervorragende Werte für die Wasserlöslichkeit mit über 25000 mg/L auf, so dass in vivo Applikationen ohne weitere Formulierungen durchführbar sind. 7,7’-Diazaindirubin (E864) zeigte eine äußerst potente Wachstumshemmung von humanen Tumorzellen. Die IC50-Werte im SRB-Assay von E864 lagen im unteren nanomolaren Bereich an verschiedenen Tumorzellen. 7-Azaindirubin (E866) zeigte im Vergleich mit Indirubin eine erhöhte Wasserlöslichkeit und verbesserte antiproliferative Wirkung, insbesondere löst es sich in vielen organischen Lösungsmitteln. E865 ist das 7’-Aza-Analoge von E857, einem 3’-Oximether mit basischen Zentrum und zeigt 7-fach verbesserte Wasserlöslichkeit ohne Abschwächung der Hemmwirkung an der Tumorzelllinie LXFL529L. Ergebnisse des Kinaseprofilings ergaben jedoch, dass die ATP-Bindungsstelle von Proteinkinasen vermutlich nicht das Haupttarget dieser Wirkstoffe sind. Beim Testen von 277 Proteinkinasen konnte keine Proteinkinase als Target für E864, dem potentesten Inhibitor der Tumorzellproliferation, identifiziert werden. Bei Inkubationen mit Rinderlebermikrosomen von E748, einem Indirubin-5- carboxamid, fand eine Hydroxylierung an der 7’-Position statt. Weil eine Hydroxylierung an dieser Position eine Bindung des Moleküls in der ATP-Bindungstasche erschwert oder verhindert, ist der Metabolit vermutlich ein schwächerer Tumorzellwachstumsinhibitor. Zur Vermeidung einer derartigen Hydroxylierung erschien es sinnvoll, die Substituenten zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit in 3’-Position anzubringen, was die Ergebnisse der Metabolisierung von E857 und E857a bestätigten. Nach Inkubation mit Lebermikrosomen fanden die Metabolisierungen nicht am Indirubin-Gerundgerüst statt. Als Hauptmetaboliten konnten das N-oxid (E867) und ein Hydroxymethylpiperazin-Derivat identifiziert werden. Das Kinaseprofiling, das Rückschlüsse auf den Wirkmechanismus ermöglicht, zeigte, dass E857 nicht nur CDKs und GSK-3ß hemmt (IC50 = 1-10 μM), sondern auch andere für eine Tumorentstehung relevante Targets wie z. B. FAK und IGF1-R (IC50 < 1 μM). Damit scheinen E857 und E857a die bisher am besten geeigneten Indirubine für eine Weiterentwicklung zum Antitumortherapeutikum zu sein und weitere Untersuchungen sollen in vivo durchgeführt werden, um die Ergebnisse mit den in vitro-Daten zu vergleichen und abzusichern.
Global trends such as climate change and the scarcity of sustainable raw materials require adaptive, more flexible and resource-saving wastewater infrastructures for rural areas. Since 2018, in the community Reinighof, an isolated site in the countryside of Rhineland Palatinate (Germany), an autarkic, decentralized wastewater treatment and phosphorus recovery concept has been developed, implemented and tested. While feces are composted, an easy-to-operate system for producing struvite as a mineral fertilizer was developed and installed to recover phosphorus from urine. The nitrogen-containing supernatant of this process stage is treated in a special soil filter and afterwards discharged to a constructed wetland for grey water treatment, followed by an evaporation pond. To recover more than 90% of the phosphorus contained in the urine, the influence of the magnesium source, the dosing strategy, the molar ratio of Mg:P and the reaction and sedimentation time were investigated. The results show that, with a long reaction time of 1.5 h and a molar ratio of Mg:P above 1.3, constraints concerning magnesium source can be overcome and a stable process can be achieved even under varying boundary conditions. Within the special soil filter, the high ammonium nitrogen concentrations of over 3000 mg/L in the supernatant of the struvite reactor were considerably reduced. In the effluent of the following constructed wetland for grey water treatment, the ammonium-nitrogen concentrations were below 1 mg/L. This resource efficient decentralized wastewater treatment is self-sufficient, produces valuable fertilizer and does not need a centralized wastewater system as back up. It has high potential to be transferred to other rural communities.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch Lagerung hervorgerufene unerwünschte Alterungsphänomene in Fruchtsäften und Konzentraten aus anthocyanhaltigen Früchten aufzuklären und zu minimieren. Ein wesentlicher Schwerpunkt lag dabei in der Betrachtung der Veränderung der komplexen Stoffgruppe der Polyphenole, die aufgrund ihrer Vielzahl an gesundheitlich positiven Wirkungen in jüngster Zeit immer mehr in den Focus einer gesunden Ernährung gerückt sind. Buntsäfte und Buntsaftkonzentrate aus roter Traube (Vitis Vinifera, nur Saft), schwarzer Johannisbeere (Ribes nigrum L.), und Aronia (Aronia melanocarpa) wurden hergestellt und anschließend über einen Zeitraum von zwölf Monaten bei 4 °C, 20 °C und 37 °C unter Lichtausschluss gelagert. Bei allen Buntsäften und Buntsaftkonzentraten wirkt sich die Zunahme von Lagertemperatur und Lagerdauer negativ aus. Die Intensität der Auswirkung differierte stark zwischen den untersuchten Parametern: Die Gesamtphenolgehalte (Folin-Ciocalteu) sowie die damit häufig korrelierende antioxidative Kapazität (TEAC) unterlagen in allen Säften und Konzentraten bei 4 °C und 20 °C über einen Zeitraum von 12 Monaten nur geringen Schwankungen. Möglicherweise entstehen während der Lagerung neue Pigmente wie polymere oder kondensierte Polyphenole, die ebenfalls eine hohe antioxidative Kapazität besitzen. Die originäre Farbe (CIELAB, Sensorik) blieb bei sehr stark gefärbten Proben (z.B. schwarze Johannisbeere) länger erhalten als bei nur schwach gefärbten Proben (z.B. Rebsorte cv. Spätburgunder), die zu einer wesentlich schnelleren Bräunung auch bei niedrigeren Lagertemperaturen neigten. Die Phenolprofile (HPLC) sind frucht- und sortenabhängig, die Phenolgehalte (HPLC) sind frucht-, sorten- und jahrgangsabhängig. Die höchsten Gehalte an farblosen Phenolen wurden im Rahmen dieser Arbeit für Aroniasaft und –konzentrat (1000 mg/L) gemessen. Während der Lagerung blieben die Werte für 4 °C in fast allen Proben relativ stabil, wohingegen für 20 °C bereits deutliche Abnahmen, insbesondere der Phenolcarbonsäuren und Flavan-3-ole, gemessen wurden. Die temperaturabhängige Abnahme von Flavan-3-olen in rotem Traubensaft cv. Spätburgunder steht wahrscheinlich im Zusammenhang mit der Bildung von Anthocyan-Tannin-Addukten, diese konnten als solche nach Größenausschlusschromatographie und anschließender LC-MS-Analytik identifiziert werden. Die Anthocyangehalte der originären Anthocyane (berechnet als Cya-3-glc bzw. Mal-3-glc, HPLC) nahmen in Abhängigkeit von der Lagertemperatur und der Lagerdauer in allen untersuchten Proben deutlich ab. Der Vergleich der aus den kinetischen Berechnungen auf der Basis der HPLC-Daten hervor gehenden Halbwertszeiten der Anthocyane verdeutlicht die unterschiedlichen Stabilitäten in den Säften. Generell ging eine hohe Ausgangskonzentration an Anthocyanen auch mit einer höheren Halbwertszeit und damit einer höheren Stabilität einher. Mit der Anthocyankonzentration (HPLC) korreliert der Monomerindex (pH-Shift-Methode), der auch als Marker zur Beschreibung der Alterung von Anthocyanen geeignet ist. Ein weiterer Schwerpunkt lag bei der Erhaltung der Farbe auf dem Zusatz von farblosen Phenolen, die durch sogenannte Copigmentierungsreaktionen Anthocyane stabilisieren. Während sich einige farblose Phenole (Kaffeesäure, Coumarsäure, Chlorogensäure) in Modellversuchen farbstabilisierend auf das Anthocyan Cyanidin-3-glucosid auswirkten, haben sich die verhältnismäßig geringen Konzentrationen in rotem Traubensaft nicht positiv bemerkbar gemacht. Die erst durch sehr hohe Dosen an Copigmenten eintretende Farbstabilisierung ist für die Praxis nicht realistisch und finanziell nicht umsetzbar. Ein stark farbdestabilisierender Effekt sowie eine deutliche Verstärkung der Bräunung sowohl in den Modelllösungen als auch in Realmedien wurden beim Zusatz von Ascorbinsäure beobachtet. Basierend auf den Ergebnissen aller Lagerstudien können klare Empfehlungen für die Eindämmung von Alterungsprozessen ausgesprochen werden: 1. Sehr gute Qualität der Rohware (reich insbesondere an Anthocyanen) 2. Vermeidung von Prozessschritten und Behandlungsmaßnahmen während der Verarbeitung, die eine starke Abnahme des Anthocyangehaltes verursachen (z.B. durch kurze Erhitzungsprozesse, Ausschluss von Sauerstoff, möglichst niedrige Verarbeitungstemperaturen, Inaktivierung von Polyphenoloxidasen) 3. Dauerhaft niedrige Lagertemperaturen (ca. 4 °C) 4. Lichtausschluss während der Lagerung 5. Möglichst kurze Lagerdauer, entsprechend des jeweiligen Produktes 6. Kein Zusatz von farblosen Phenolen als Copigmente sowie Ascorbinsäure, evtl. Verschnitt mit sehr farbintensiven Buntsäften 7. Lagerung als Direktsaft Für die Praxis können unter Berücksichtigung dieser Aspekte Grundlagen geschaffen werden, die Qualität von Buntsäften zu erhalten und im Hinblick der aktuellen functional food Diskussion einen Beitrag zu einem gesundheitsbewussten Lebenstil mit natürlichen Lebensmitteln zu leisten.
This paper discusses the problem of automatic off-line programming and motion planning for industrial robots. At first, a new concept consisting of three steps is proposed. The first step, a new method for on-line motion planning is introduced. The motion planning method is based on the A*-search algorithm and works in the implicit configuration space. During searching, the collisions are detected in the explicitly represented Cartesian workspace by hierarchical distance computation. In the second step, the trajectory planner has to transform the path into a time and energy optimal robot program. The practical application of these two steps strongly depends on the method for robot calibration with high accuracy, thus, mapping the virtual world onto the real world, which is discussed in the third step.
This paper presents a new approach to parallel motion planning for industrial robot arms with six degrees of freedom in an on-line given 3D environment. The method is based on the A-search algorithm and needs no essential off-line computations. The algorithm works in an implicitly descrete configuration space. Collisions are detected in the Cartesian workspace by hierarchical distance computation based on the given CAD model. By decomposing the 6D configuration space into hypercubes and cyclically mapping them onto multiple processing units, a good load distribution can be achieved. We have implemented the parallel motion planner on a workstation cluster with 9 PCs and tested the planner for several benchmark environments. With optimal discretisation, the new approach usually shows linear speedups. In on-line provided environments with static obstacles, the parallel planning times are only a few seconds.
Entwicklung eines Verfahrens zur dreiphasigen Zustandsschätzung in vermaschten Niederspannungsnetzen
(2018)
Betreiber von Niederspannungsnetzen sind im Zuge der Energiewende durch den anhaltenden Ausbau dezentraler Erzeugungsanlagen und dem Aufkommen der Elektromobilität mit steigenden Netzauslastungen konfrontiert. Zukünftig wird ein sicherer Netzbetrieb ohne Leitungsüberlastungen grundsätzlich nur gewährleistet sein, wenn der Netzzustand durch geeignete Systeme ermittelt wird und auf dessen Basis ein intelligentes Netzmanagement mit regelnden Eingriffen erfolgt.
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Test eines Verfahrens zur dreiphasigen Zustandsschätzung in vermaschten Niederspannungsnetzen. Als Eingangsdaten dienen dabei Spannungs- und Strommesswerte, welche im Wesentlichen durch Smart Meter an Hausanschlusspunkten messtechnisch erfasst werden. Das Verfahren zielt darauf ab, Grenzwertverletzungen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zu erkennen.
Schwerpunkte der Betrachtung sind neben der Systemkonzeptionierung zum einen die Vorverarbeitung der Systemeingangsdaten im Rahmen der Generierung von Ersatzmesswerten sowie der Erkennung von Topologiefehlern und zum anderem die Entwicklung eines Schätzalgorithmus mit linearem Messmodell und der Möglichkeit zur Lokalisierung grob falscher Messdaten.
A practical distributed planning and control system for industrial robots is presented. The hierarchical concept consists of three independent levels. Each level is modularly implemented and supplies an application interface (API) to the next higher level. At the top level, we propose an automatic motion planner. The motion planner is based on a best-first search algorithm and needs no essential off-line computations. At the middle level, we propose a PC-based robot control architecture, which can easily be adapted to any industrial kinematics and application. Based on a client/server-principle, the control unit estab-lishes an open user interface for including application specific programs. At the bottom level, we propose a flexible and modular concept for the integration of the distributed motion control units based on the CAN bus. The concept allows an on-line adaptation of the control parameters according to the robot's configuration. This implies high accuracy for the path execution and improves the overall system performance.
This paper presents a new approach to parallel motion planning for industrial robot arms with six degrees of freedom in an on-line given 3D environment. The method is based on the A*-search algorithm and needs no essential off-line computations. The algorithm works in an implicitly descrete configuration space. Collisions are detected in the cartesian workspace by hierarchical distance computation based on the given CAD model. By decomposing the 6D configuration space into hypercubes and cyclically mapping them onto multiple processing units, a good load distribution can be achieved. We have implemented the parallel motion planner on a workstation cluster with 9 PCs and tested the planner for several benchmark environments. With optimal discretisation, the new approach usually shows linear, and sometimes even superlinear speedups. In on-line provided environments with static obstacles, the parallel planning times are only a few seconds.
A new problem for the automated off-line programming of industrial robot application is investigated. The Multi-Goal Path Planning is to find the collision-free path connecting a set of goal poses and minimizing e.g. the total path length. Our solution is based on an earlier reported path planner for industrial robot arms with 6 degrees-of-freedom in an on-line given 3D environment. To control the path planner, four different goal selection methods are introduced and compared. While the Random and the Nearest Pair Selection methods can be used with any path planner, the Nearest Goal and the Adaptive Pair Selection method are favorable for our planner. With the latter two goal selection methods, the Multi-Goal Path Planning task can be significantly accelerated, because they are able to automatically solve the simplest path planning problems first. Summarizing, compared to Random or Nearest Pair Selection, this new Multi-Goal Path Planning approach results in a further cost reduction of the programming phase.
This article presents contributions in the field of path planning for industrial robots with 6 degrees of freedom. This work presents the results of our research in the last 4 years at the Institute for Process Control and Robotics at the University of Karlsruhe. The path planning approach we present works in an implicit and discretized C-space. Collisions are detected in the Cartesian workspace by a hierarchical distance computation. The method is based on the A* search algorithm and needs no essential off-line computation. A new optimal discretization method leads to smaller search spaces, thus speeding up the planning. For a further acceleration, the search was parallelized. With a static load distribution good speedups can be achieved. By extending the algorithm to a bidirectional search, the planner is able to automatically select the easier search direction. The new dynamic switching of start and goal leads finally to the multi-goal path planning, which is able to compute a collision-free path between a set of goal poses (e.g., spot welding points) while minimizing the total path length.
Anwendungen effizienter Verfahren in Automation - Universität Karlsruhe auf der SPS97 in Nürnberg -
(1998)
Die Bewegungsplanung für Industrieroboter ist eine notwendige Voraussetzung, damit sich autonome Systeme kollisionsfrei durch die Umwelt bewegen können. Die Berücksichtigung von dynamischen Hindernissen zur Laufzeit erfordert allerdings leistungsfähige Algorithmen, zur Lösung dieser Aufgabenstellung in Echtzeit. Eine Möglichkeit zur Beschleunigung der Algorithmen ist der effiziente Einsatz von skalierbarer Parallelverarbeitung. Die softwaretechnische Umsetzung kann aber nur dann erfolgreich sein, wenn ein Parallelrechner zur Verfügung steht, der einen hohen Datendurchsatz bei geringer Latenzzeit bietet. Darüber hinaus muß dieser Parallelrechner unter vertretbarem Aufwand bedienbar sein und ein gutes Preisleistungsverhältnis aufweisen, damit die Parallelverarbeitung verstärkt in der Industrie zum Einsatz kommt. In diesem Artikel wird ein Workstation-Cluster auf der Basis von neun Standard- PCs vorgestellt, die über eine spezielle Kommunikationskarte miteinander vernetzt sind. In den einzelnen Abschnitten werden die gesammelten Erfahrungen bei der Inbetriebnahme, Systemadministration und Anwendung geschildert. Als Beispiel für eine Anwendung auf diesem Cluster wird ein paralleler Bewegungsplaner für Industrieroboter beschrieben.
The objective of this thesis consists in developing systematic event-triggered control designs for specified event generators, which is an important alternative to the traditional periodic sampling control. Sporadic sampling inherently arising in event-triggered control is determined by the event-triggering conditions. This feature invokes the desire of
finding new control theory as the traditional sampled-data theory in computer control.
Developing controller coupling with the applied event-triggering condition to maximize the control performance is the essence for event-triggered control design. In the design the stability of the control system needs to be ensured with the first priority. Concerning variant control aims they should be clearly incorporated in the design procedures. Considering applications in embedded control systems efficient implementation requires a low complexity of embedded software architectures. The thesis targets at offering such a design to further complete the theory of event-triggered control designs.
Retentionsbodenfilter (RBF) werden in den letzten Jahren zunehmend zur weitergehenden Mischwasserbehandlung eingesetzt. Insbesondere bei empfindlichen Gewässern haben sich Retentionsbodenfilter als eine wertvolle Maßnahme zur Erfüllung der immissionsorientierten Anforderungen erwiesen, die sich vermehrt aus neuen europäischen Regelungen (EU WRRL, 2000) ergeben. Der überwiegend hohe Wirkungsgrad von RBF hinsichtlich der Elimi-nation von C-Verbindungen (CSB) und Ammonium (NH4) wurde mittlerweile an verschiede-nen Anlagen nachgewiesen. Es bestehen weiterhin Unsicherheiten hinsichtlich des Einflus-ses unterschiedlicher Beschickungs- und Betriebssituationen auf die Reinigungsleistung von Bodenfiltern. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Verbesserung des Kenntnisstan-des zur Belastbarkeit von RBF liefern. Im Vordergrund steht die Ermittlung des maximalen Frachtrückhaltes hinsichtlich organischen Kohlenstoffverbindungen und Stickstoffverbindun-gen unter hohen hydraulischen und stofflichen Belastungen. Die Untersuchungen wurden im Labormaßstab an Säulenmodellen mit zwei unterschiedli-chen Filtersubstraten durchgeführt. Durch die gezielte Variierung der Beschickungsmengen und Filtergeschwindigkeit wurde ein breites Spektrum unterschiedlicher Belastungszustände untersucht. Ferner wurden Sauerstoff- und Redoxpotential im Säulenablauf sowie im Filter-körper gemessen. In Anschluss an die Versuchsreihen wurden die Säulen abgebaut und ergänzende bodenkundliche und mikrobiologische Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse einer ergänzenden Volumenbilanz zeigen, dass selbst in einem überstauten Filterkörper nicht alle Poren im mit Wasser gefüllt sind. Der in der eingeschlossenen Boden-luft enthaltene Sauerstoff trägt zur Wiederbelüftung des infiltrierenden Beschickungswassers bei. Die mikrobiell bedingten Unterschiede des O2-Verbrauchs im vertikalen Filterprofil haben zur Folge, dass in einem Filterkörper gleichzeitig aerobe, anoxische und anaerobe Zonen existieren können. Der Rückhalt von Ammonium hat sich als signifikant abhängig von der Filtrationsgeschwin-digkeit und der substratspezifischen Sorptionskapazität erwiesen. Die Gesamtbetrachtung der Stickstoffkomponenten und insbesondere NO3-Konzentrationsganglinien in Säulenablauf führt im Zusammenhang mit der Sauerstoffverfügbarkeit im Filterkörper zur Folgerung, dass NH4-Rückhalt nicht wie bisher als streng zweistufiger Prozess mit Teilschritten Sorption (in der Betriebsphase) und Nitrifikation (in der Trockenphase) angesehen werden kann. Die Er-gebnisse der Arbeit zeigen erstmals, dass unter bestimmten Bedingungen die Nitrifikation schon während der Betriebsphase stattfindet. Die Analyse des Sauerstoffverbrauchs in den Filterkörpern der untersuchten Säulen in Ver-bindung mit der CSB-Reinigungsleistung belegt, dass während der Betriebsphase auch für die CSB-Verbindungen ein unmittelbarer Abbau stattfindet. Unter aeroben Verhältnissen ist die Reinigungsleistung in allen untersuchten Säulen – unabhängig von Substrat und Filter-geschwindigkeit - weitgehend stabil.
Der gewerkschaftliche Bildungsträger ver.di Bildung + Beratung (im Folgenden: ver.di b+b) ist auf die Qualifizierung von gesetzlichen Interessenvertretungen spezialisiert und eng mit der Gewerkschaft ver.di verbunden. Die größte Zielgruppe sind Mitglieder von Betriebsratsgremien. Die Bildungsarbeit von ver.di b+b wird durch die rechtlichen Rahmenbedingungen, einen gewerkschaftspolitischen Anspruch und einen pädagogischen Auftrag beeinflusst: Betriebsratsmitglieder haben nach dem Betriebsverfassungsgesetz (BetrVG) einen Freistellungsanspruch für den Besuch von Schulungen. Damit sie teilnehmen können, müssen die Schulungen verschiedene rechtliche Vorgaben erfüllen. Gewerkschaftliche Bildung versteht sich als politische Bildung, was ebenfalls Einfluss auf die inhaltliche, pädagogische und organisatorische Gestaltung hat. Im Leitbild von ver.di b+b wird der pädagogische Anspruch des Bildungsträgers deutlich: Die Schulungen sollen handlungs- und teilnehmerorientiert sein und die Teilnehmenden persönlich, fachlich, sozial und politisch stärken. Diese drei Aspekte sind zu berücksichtigen, wenn es um die Frage nach den geeigneten Lernformen für Betriebsratsschulungen geht. Bis jetzt bietet ver.di b+b seine Seminare ausschließlich in Form von Präsenzveranstaltungen an. E-Learning-Angebote gibt es nicht. Das steht im Widerspruch zu der allgemeinen gesellschaftlichen Bedeutung des Internets.
Anhand einer empirischen Untersuchung gibt die Arbeit eine Einschätzung zu dem Bedarf von E-Learning-Angeboten im Bereich der gewerkschaftlichen Bildungsarbeit mit Betriebsräten aus Sicht der Teilnehmenden von ver.di b+b.
An interrupter for use in a daisy-chained VME bus interrupt system has beendesigned and implemented as an asynchronous sequential circuit. The concur-rency of the processes posed a design problem that was solved by means of asystematic design procedure that uses Petri nets for specifying system and in-terrupter behaviour, and for deriving a primitive flow table. Classical designand additional measures to cope with non-fundamental mode operation yieldeda coded state-machine representation. This was implemented on a GAL 22V10,chosen for its hazard-preventing structure and for rapid prototyping in studentlaboratories.
In response priming experiments, a participant has to respond as quickly and as accurately as possible to a target stimulus preceded by a prime. The prime and the target can either be mapped to the same response (consistent trial) or to different responses (inconsistent trial). Here, we investigate the effects of two sequential primes (each one either consistent or inconsistent) followed by one target in a response priming experiment. We employ discrete-time hazard functions of response occurrence and conditional accuracy functions to explore the temporal dynamics of sequential motor activation. In two experiments (small-N design, 12 participants, 100 trials per cell and subject), we find that (1) the earliest responses are controlled exclusively by the first prime if primes are presented in quick succession, (2) intermediate responses reflect competition between primes, with the second prime increasingly dominating the response as its time of onset is moved forward, and (3) only the slowest responses are clearly controlled by the target. The current study provides evidence that sequential primes meet strict criteria for sequential response activation. Moreover, it suggests that primes can influence responses out of a memory buffer when they are presented so early that participants are forced to delay their responses.
Agricultural intensification has increased substantially in the last century to meet the globally growing demand for food, fodder, and bioenergy, thus agricultural cropland became the largest terrestrial biome globally. Pesticides became a central tool to this intensification strategy, thus pesticide application rose drastically over the last sixty years to secure or increase crop yields. However, pesticides are by design biologically active and known to contaminate non-target ecosystems, thereby adversely affecting their function or structure. Even though ecotoxicological knowledge about probable fate and effects has grown, little remains known about the spatiotemporal occurrence, potential effects, and risk drivers of pesticides on larger, i.e. macro, scales.
Consequently, the thesis gathered primarily pesticide exposure data via meta-analysis and from public monitoring databases to describe (i) detailed risks in aquatic ecosystems, (ii) the underlying risk drivers, (iii) associated spatiotemporal trends, (iv) the effect of land use and land-protection and (v) the protectiveness of regulatory frameworks. First, a meta-analysis of insecticides occurring in US surface waters (n = 5,817, 259 studies) revealed large-scale risks for aquatic ecosystems based on the exceedance of regulatory threshold levels (RTL) and identified high-risk substances, particularly pyrethroids, with increasing application trends (publication I). Following this, spatiotemporal factors driving insecticide risks were identified via model-building demonstrating that toxicity-weighted pesticide use was the primary driver in surface waters with subsequent model application generating a spatially comprehensive risk assessment for the United States (publication II). The toxicity-weighted pesticide use was subsequently expanded to an ongoing project covering additional species groups and all pesticides used in the US from 1992 – 2016, highlighting a drastic shift of toxic pressures from vertebrates to aquatic invertebrates. Large-scale monitoring data from European surface waters (n > 8.3 million) of 352 organic chemicals identified pesticides as the main class or organic contaminants causing risks in aquatic ecosystems. Additional analyses established links between agricultural intensity and resulting environmental risks for aquatic invertebrates and plants on this macro scale (publication III). Finally, high-resolution monitoring data from Saxony, Germany, provided, for the first time, detailed insights into the occurrence and resulting risks of organic contaminants (primarily pesticides) in protected surface waters of nature conservation areas (publication IV).
In summary, the thesis gathered and used large-scale datasets to analyze the impact of agricultural intensification – and later anthropogenic land use – on ecosystems to reduce knowledge deficits in ecotoxicology on macro scales. Insecticides were shown to be important and spatially extensive agents of impairments to surface water quality and being directly linked to their use in respective landscapes. Changes in the pesticide use composition over time shifted environmental risks from vertebrates to other central species groups (e.g. aquatic invertebrates), highlighting a new challenge to the integrity of aquatic environments. The thesis provided novel insights into contaminants' individual risk characteristics, their interaction with various spatiotemporal drivers and their relevance on various macro scales. Overall, a discrepancy remains evident between estimated environmental impacts of pesticides derived during regulatory approval processes contrasted by a posteriori field measurements detailing larger than assumed adverse exposures and effects. This discrepancy led to pesticides being the most impactful chemical stressor for aquatic ecosystems compared to other organic contaminants on a continental scale; a threat that even increased for some species groups. The extensive use of pesticides has reached levels where even strictly protected surface waters in Germany are regularly exposed adversely, hence threatening conservation areas’ function as ecological refugia. Taken together, the thesis provides new macro-scale evidence regarding the contribution of pesticides (and associated drivers) to large-scale changes in biological systems evidenced over the last decades, underlining their likely contribution to the ongoing freshwater biodiversity crisis globally. Particularly agricultural systems will require substantial changes going forward to protect or reestablish the integrity of aquatic ecosystems and their provision of vital ecological services.
On the Complexity of the Uncapacitated Single Allocation p-Hub Median Problem with Equal Weights
(2007)
The Super-Peer Selection Problem is an optimization problem in network topology construction. It may be cast as a special case of a Hub Location Problem, more exactly an Uncapacitated Single Allocation p-Hub Median Problem with equal weights. We show that this problem is still NP-hard by reduction from Max Clique.
Im Zentrum der Arbeit steht die Sicherung und Stärkung des Selbstbestimmungsrechts von Menschen mit Behinderung in Gesundheitsfragen. Dieses politisch und gesellschaftlich eingeforderte Recht soll in Einrichtungen der Behindertenhilfe durch Professionalisierung der Fachkräfte umgesetzt werden. Hier soll die vorliegende Masterarbeit ansetzen und die Lücke dieser Nachfrage schließen. Sie ist eine theoretische Ausarbeitung eines Kurskonzepts mit Blended Learning, das sich an Fachkräfte richtet und die Schulung zur Nutzung einer Handreichung zur ethischen Reflexion zum Ziel hat. Die Umsetzung des erarbeiteten Kurskonzepts und damit die Implementierung der Handreichung in die Institution ist Aufgabe der betrieblichen Weiterbildung. Dies soll in einem Theorie-Praxis-Transfer aufgezeigt werden. Die zentrale Frage lautet demnach: Wie kann die in der Diakonie Stetten entwickelte Handreichung zur Sicherung und Stärkung des Selbstbestimmungsrechts von Menschen mit
Behinderung unter Berücksichtigung des aktuellen Forschungsstandes mit Blended Learning implementiert werden?
Polychlorierte Biphenyle (PCBs) zählen aufgrund ihrer chemischen Stabilität sowie der toxischen Eigenschaften zu den persistenten organischen Schadstoffen. Im Gegensatz zu den dioxinartigen PCBs ist über die nicht-dioxinartigen (NDL) Verbindungen jedoch nur wenig bekannt. Ihre Wirkung wurde entsprechend jener von Phenobarbital bisher vorwiegend auf eine Aktivierung des konstitutiven Androstan-Rezeptors (CAR) zurückgeführt und mit den fremdstoffmetabolisierenden Enzymen CYP2B1 und CYP3A1 assoziiert. Da zwischen dem CAR und dem Pregnan-X-Rezeptor (PXR), welcher vor allem mit der Induktion von CYP3A-Isoenzymen in Verbindung gebracht wird, jedoch ein komplexer Crosstalk besteht, sollte in primären Rattenhepatozyten anhand spezifischer siRNAs zunächst analysiert werden, ob die ausgewählten, hoch aufgereinigten NDL-PCBs 28, 52, 101, 138, 153 und 180 ihre Effekte hinsichtlich einer Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme auch über den PXR entfalten. Anschließend sollten die Effekte der NDL-PCBs mit jenen des CAR-Aktivators Phenobarbital sowie mit dem PXR-Agonisten Dexamethason verglichen werden.
Die im Rahmen dieser Arbeit detektierte Induktion von CYP2B1 und CYP3A1 durch Phenobarbital wird hierbei vornehmlich über den CAR vermittelt, während dem PXR für diese Induktionen bestenfalls eine geringe Rolle zugesprochen werden kann. Die CYP3A1-Expression durch Dexamethason wird dagegen erwartungsgemäß über den Pregnan-X-Rezeptor reguliert. Die durch die NDL-PCBs vermittelte Expression von CYP2B1 wird wiederum ähnlich wie bei Phenobarbital über den CAR reguliert, jedoch scheinen sich die NDL-PCBs in Bezug auf die CYP3A1-Expression von einer klassischen Induktion vom Phenobarbital-Typ abzugrenzen. So fällt die CYP3A1-Expression durch die NDL-PCBs im Vergleich zu jener von Phenobarbital signifikant höher aus und wird im Falle der NDL-PCBs zwar ebenfalls zum Großteil über den CAR reguliert, allerdings wird diese Induktion im Gegensatz zu Phenobarbital zum Teil auch über den PXR vermittelt. Das Induktionsvermögen der jeweiligen NDL-PCBs konnte hierbei weitgehend mit ihrem Chlorierungsgrad bzw. der zugehörigen Hydrophobizität in Verbindung gebracht werden. Zudem vermag der PXR die CAR-regulierte CYP2B1- und CYP3A1-Expression durch Phenobarbital sowie die NDL-PCBs effektiv zu stören, wohingegen der CAR keinen solch starken Einfluss auf die PXR-vermittelte CYP3A1-Expression durch Dexamethason zu besitzen scheint.
Da viele Induktoren fremdstoffmetabolisierender Enzyme nachweislich auch als potente Tumor-promotoren in der Rattenleber fungieren, allerdings die NDL-PCBs und gerade solche Substanzen, die spezifisch den PXR aktivieren, in Bezug auf ihre tumorigenen Eigenschaften bisher nur unzureichend charakterisiert sind, wurden weiterhin die antiapoptotischen Eigenschaften der NDL-PCBs untersucht. Hierbei konnte sowohl für die NDL-PCBs als auch für Phenobarbital und Dexamethason ein hemmender Einfluss auf die UV-induzierte Apoptose in primären Rattenhepatozyten beobachtet werden, wobei der überwiegende Teil der NDL-PCB-bedingten Apoptoseinhibition wieder dem CAR zugesprochen werden kann. Im Gegensatz zu Phenobarbital, dessen Wirkung ausschließlich über den CAR reguliert wird, leistet jedoch auch der PXR bei den NDL-PCBs wieder einen Beitrag zu deren antiapoptotischen Effekten. Sowohl bei der NDL-PCB-bedingten Apoptosehemmung als auch bei der Induktion von CYP3A1 sind CAR und PXR demnach im jeweils gleichen Verhältnis beteiligt. Obwohl der PXR jedoch die über CAR regulierte CYP2B1- und CYP3A1-Expression effektiv inhibiert, trat dieser Effekt hingegen nicht bei der CAR-vermittelten Hemmung der Apoptose auf. Dies legt wiederum den Schluss nahe, dass zwischen der NDL-PCB-bedingten Apoptosehemmung und der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme keine hinreichende Korrelation besteht.
Während für den Menschen bisher kein erhöhtes Lebertumorrisiko infolge einer chronischen Exposition gegenüber Phenobarbital gefunden werden konnte, konnte für den PXR-Agonisten Dexamethason dagegen auch ein Einfluss auf die Apoptose in humanen Hepatozyten nachgewiesen werden. In Anbetracht dessen, dass auch der PXR mit der NDL-PCB-bedingten Apoptosehemmung in Verbindung gebracht wird, muss auch ein möglicher Einfluss der nicht-dioxinartigen PCBs auf die Kanzerogenese beim Menschen in Betracht gezogen werden.
Surface wetting can be simulated using a phase field approach which describes the continuous liquid-gas transition with the help of an order parameter. In this publication, wetting of non-planar surfaces is investigated based on a phase field model by Diewald et al. [1, 2]. Different scenarios of droplets on rough surfaces are simulated. The static equilibrium for those scenarios is calculated using an Allen-Cahn evolution equation. The influence of the surface morphology on the resulting contact angle is investigated while the width of the phase transition from liquid to gas is varied as a model parameter.
Surface wetting can be described by using phase field models [1]. In these models, often either the contact angle or the surface tensions between the solid and the fluid are prescribed directly on the wall in order to represent the solid-fluid interaction. However, the interaction of the wall and the fluid are not strictly local. The influence of the wall, which can be described by wall potentials [2], reaches out into the fluid, which is the reason for the formation of adsorbate layers. The investigation shows how such a wall potential can be included into a phase field model of wetting. It is found that by considering this energy contribution, the model is able to capture the adsorbate layer.
Zusammenfassend zielt diese Arbeit darauf ab, die Rahmenbedingungen und Maßnahmen zu identifizieren, die erforderlich sind, um das EFQM-Modell als Instrument zur Organisationsentwicklung in außerschulischen Bildungsorganisationen erfolgreich einzuführen und umzusetzen. Darüber hinaus sollen die spezifischen Herausforderungen analysiert werden, die für Bildungsträger relevant sind.
In this thesis, a new concept to prove Mosco convergence of gradient-type Dirichlet forms within the \(L^2\)-framework of K.~Kuwae and T.~Shioya for varying reference measures is developed.
The goal is, to impose as little additional conditions as possible on the sequence of reference measure \({(\mu_N)}_{N\in \mathbb N}\), apart from weak convergence of measures.
Our approach combines the method of Finite Elements from numerical analysis with the topic of Mosco convergence.
We tackle the problem first on a finite-dimensional substructure of the \(L^2\)-framework, which is induced by finitely many basis functions on the state space \(\mathbb R^d\).
These are shifted and rescaled versions of the archetype tent function \(\chi^{(d)}\).
For \(d=1\) the archetype tent function is given by
\[\chi^{(1)}(x):=\big((-x+1)\land(x+1)\big)\lor 0,\quad x\in\mathbb R.\]
For \(d\geq 2\) we define a natural generalization of \(\chi^{(1)}\) as
\[\chi^{(d)}(x):=\Big(\min_{i,j\in\{1,\dots,d\}}\big(\big\{1+x_i-x_j,1+x_i,1-x_i\big\}\big)\Big)_+,\quad x\in\mathbb R^d.\]
Our strategy to obtain Mosco convergence of
\(\mathcal E^N(u,v)=\int_{\mathbb R^d}\langle\nabla u,\nabla v\rangle_\text{euc}d\mu_N\) towards \(\mathcal E(u,v)=\int_{\mathbb R^d}\langle\nabla u,\nabla v\rangle_\text{euc}d\mu\) for \(N\to\infty\)
involves as a preliminary step to restrict those bilinear forms to arguments \(u,v\) from the vector space spanned by the finite family \(\{\chi^{(d)}(\frac{\,\cdot\,}{r}-\alpha)\) \(|\alpha\in Z\}\) for
a finite index set \(Z\subset\mathbb Z^d\) and a scaling parameter \(r\in(0,\infty)\).
In a diagonal procedure, we consider a zero-sequence of scaling parameters and a sequence of index sets exhausting \(\mathbb Z^d\).
The original problem of Mosco convergence, \(\mathcal E^N\) towards \(\mathcal E\) w.r.t.~arguments \(u,v\) form the respective minimal closed form domains extending the pre-domain \(C_b^1(\mathbb R^d)\), can be solved
by such a diagonal procedure if we ask for some additional conditions on the Radon-Nikodym derivatives \(\rho_N(x)=\frac{d\mu_N(x)}{d x}\), \(N\in\mathbb N\). The essential requirement reads
\[\frac{1}{(2r)^d}\int_{[-r,r]^d}|\rho_N(x)- \rho_N(x+y)|d y \quad \overset{r\to 0}{\longrightarrow} \quad 0 \quad \text{in } L^1(d x),\,
\text{uniformly in } N\in\mathbb N.\]
As an intermediate step towards a setting with an infinite-dimensional state space, we let $E$ be a Suslin space and analyse the Mosco convergence of
\(\mathcal E^N(u,v)=\int_E\int_{\mathbb R^d}\langle\nabla_x u(z,x),\nabla_x v(z,x)\rangle_\text{euc}d\mu_N(z,x)\) with reference measure \(\mu_N\) on \(E\times\mathbb R^d\) for \(N\in\mathbb N\).
The form \(\mathcal E^N\) can be seen as a superposition of gradient-type forms on \(\mathbb R^d\).
Subsequently, we derive an abstract result on Mosco convergence for classical gradient-type Dirichlet forms
\(\mathcal E^N(u,v)=\int_E\langle \nabla u,\nabla v\rangle_Hd\mu_N\) with reference measure \(\mu_N\) on a Suslin space $E$ and a tangential Hilbert space \(H\subseteq E\).
The preceding analysis of superposed gradient-type forms can be used on the component forms \(\mathcal E^{N}_k\), which provide the decomposition
\(\mathcal E^{N}=\sum_k\mathcal E^{N}_k\). The index of the component \(k\) runs over a suitable orthonormal basis of admissible elements in \(H\).
For the asymptotic form \(\mathcal E\) and its component forms \(\mathcal E^k\), we have to assume \(D(\mathcal E)=\bigcap_kD(\mathcal E^k)\) regarding their domains, which is equivalent to the Markov uniqueness of \(\mathcal E\).
The abstract results are tested on an example from statistical mechanics.
Under a scaling limit, tightness of the family of laws for a microscopic dynamical stochastic interface model over \((0,1)^d\) is shown and its asymptotic Dirichlet form identified.
The considered model is based on a sequence of weakly converging Gaussian measures \({(\mu_N)}_{N\in\mathbb N}\) on \(L^2((0,1)^d)\), which are
perturbed by a class of physically relevant non-log-concave densities.
Phase velocities of surface acoustic waves in several boron nitride films were investigated by Brillouin light scattering. In the case of films with predominantly hexagonal crystal structure, grown under conditions close to the nucleation threshold of cubic BN, four independent elastic constants have been determined from the dispersion of the Rayleigh and the first Sezawa mode. The large elastic anisotropy of up to c11/c33 = 0.1 is attributed to a pronounced texture with the c-axes of the crystallites parallel to the film plane. In the case of cubic BN films the dispersion of the Rayleigh wave provides evidence for the existence of a more compliant layer at the substrate-film interface. The observed broadening of the Rayleigh mode is identified to be caused by the film morphology.
Hexagonal BN films have been deposited by rf-magnetron sputtering with simultaneous ion plating. The elastic properties of the films grown on silicon substrates under identical coating conditions have been de-termined by Brillouin light scattering from thermally excited surface phonons. Four of the five independent elastic constants of the deposited material are found to be c11 = 65 GPa, c13 = 7 GPa, c33 = 92 GPa and c44 = 53 GPa exhibiting an elastic anisotropy c11/c33 of 0.7. The Young's modulus determined with load indenta-tion is distinctly larger than the corresponding value taken from Brillouin light scattering. This discrepancy is attributed to the specific morphology of the material with nanocrystallites embedded in an amorphous matrix.
Production, purification and analysis of novel peptide antibiotics from terrestrial cyanobacteria
(2024)
Cyanobacteria are a known source for bioactive compounds, of which several also show antibiotic activity. In regard to the growing number of multi-resistant pathogens, the search for novel antibiotic substances is of great importance and unexploited sources should be explored. So, this thesis initially dealt with the identification of productive strains, especially within the group of the terrestrial cyanobacteria, which are less well studied than marine and freshwater strains. Amongst these, Chroococcidiopsis cubana, an extremely desiccation and radiation tolerant, unicellular cyanobacterium was found to produce an extracellular antimicrobial metabolite effective against the Gram-positive indicator bacterium Micrococcus luteus as well as the pathogenic yeast Candida auris. However, as the sole identification of a productive cyanobacterium is not sufficient for further analysis and a future production scale-up, the second part of this thesis targeted the identification of compound synthesis prerequisites. As a result, a limitation of nitrogen was shown to be the production trigger, a finding that was used for the establishment of a continuous production system. The increased compound formation was then used for purification and analysis steps. As a second approach, in silico identified bacteriocin gene clusters from C. cubana were cloned and heterologously expressed in Escherichia coli. By this, the bacteriocin B135CC was identified as a strong bacteriolytic agent, active predominantly against the Gram-positive strains Staphylococcus aureus and Mycobacterium phlei. The peptide showed no cytotoxic effects against mouse neuroblastoma (N2a-) cells and a high temperature tolerance up to 60 °C. In order to facilitate the whole project, two standard protocols, specifically adapted for the work with cyanobacteria, were established. First, a method for a quick and easy in vivo vitality estimation of phototrophic cells and second, an approach for a high throughput determination of nitrate concentrations in microalgal cultures. Both methods greatly helped to proceed the main objectives of this work, the first one by simplifying the development of suitable cryopreservation protocols for individual cyanobacteria strains and the second one by accelerating the determination of the optimal nitrate concentration for the production of the antimicrobial compound from C. cubana. In the course of this cultivation optimization, the ability of cyanobacteria to utilize organic carbon sources for an accelerated cell growth was examined in greater detail. It could be shown that C. cubana reaches significantly higher growth rates when mixotrophically cultivated with fructose or glucose. Interestingly, this effect was even further enhanced when light intensity was decreased. Under these low-light conditions, phototrophically cultivated C. cubana cells showed a clearly decreased cell growth. This effect might be extremely useful for a quick and economic preparation of precultures.
Diese Arbeit befasst sich mit der Quantendynamik in gekippten periodischen Strukturen, den so genannten Wannier-Stark-Systemen. Eine wichtige experimentelle Realisierung eines solchen Systems ist die Dynamik ultrakalter Atome in optischen Gittern unter dem Einfluß einer externen Kraft, z.B. der Gravitation. Zunächst wird die Dynamik eines einzelnen quantenmechanischen Teilchens in zweidimensionalen Wannier-Stark-Systemen analysiert. Dieses Teilchen zeigt Lissajous-artige Oszillationen, deren Dynamik sehr sensitiv von der Richtung der externen Kraft abhängt. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Dynamik eines Bose-Einstein-Kondensats im Rahmen eine mean-field-Näherung (Gross-Pitaevskii-Gleichung) untersucht. Neue Phänomene wie eine Zusammenbruch und Wiederaufleben der Oszillationen können mittels einer Entwicklung nach Wannier-Stark-Funktionen in einem einfachen Modell erklärt werden. Schließlich werden die Eigenschaften von gebundenen und Resonanz-zuständen der Gross-Pitaevskii-Gleichung für zwei einfache Modellsysteme (delta-Potential und delta-shell-Potential) untersucht.
A novel shadowgraphic inline probe to measure crystal size distributions (CSD),
based on acquired greyscale images, is evaluated in terms of elevated temperatures and fragile
crystals, and compared to well-established, alternative online and offline measurement techniques,
i.e., sieving analysis and online microscopy. Additionally, the operation limits, with respect to
temperature, supersaturation, suspension, and optical density, are investigated. Two different
substance systems, potassium dihydrogen phosphate (prisms) and thiamine hydrochloride (needles),
are crystallized for this purpose at 25 L scale. Crystal phases of the well-known KH2PO4/H2O system
are measured continuously by the inline probe and in a bypass by the online microscope during
cooling crystallizations. Both measurement techniques show similar results with respect to the crystal
size distribution, except for higher temperatures, where the bypass variant tends to fail due to
blockage. Thiamine hydrochloride, a substance forming long and fragile needles in aqueous solutions,
is solidified with an anti-solvent crystallization with ethanol. The novel inline probe could identify
a new field of application for image-based crystal size distribution measurements, with respect
to difficult particle shapes (needles) and elevated temperatures, which cannot be evaluated with
common techniques.
The fluid dynamic (flow rates) and hydrodynamic behavior (local droplet size distributions and local holdup) of a continuous DN300 pump-mixer were investigated using water as the continuous phase and paraffin oil as the dispersed phase. The influence of the impeller speed (375 to 425 rpm), the feed phase ratio (10 to 30 volume percent), and the total flow rate (0.5 to 2.3 L/min) were investigated by measuring the pumping height, local holdup of the disperse phase, and the droplet size distribution (DSD). The latter one was measured at three different vessel positions using an image-based telecentric shadowgraphic technique. The droplet diameters were extracted from the acquired images using a neural network. The Sauter mean diameters were calculated from the DSD and correlated with an extended model based on Doulah (1975), considering the impeller speed, the feed phase ratio, and additionally the flow rate. The new correlation can describe an extensive database containing 155 experiments of the fluid and hydrodynamic within a 15 % error range
In this work, steady-state droplet size distributions in a DN300 stirred batch vessel with a
Rushton turbine impeller are investigated using an insertion probe based on the telecentric transmit-
ted light principle. High-resolution droplet size distributions are extracted from the images using
a convolutional neural network for image-analysis in order to investigate the influence of impeller
speed and phase fraction (up to 50 vol.-%). In addition, Sauter mean diameters were calculated and
correlated with two semi-empirical approaches, while the standard approach only accomplished 5.7%
accuracy, and the correlation of Laso et al. provided a relative mean error of 4.0%. In addition, the
correlated exponent in the Weber number was fitted to the experimental data of this work yielding a
slightly different value than the theoretical (−0.6), which allows a better representation of the low
coalescence tendency of the system, which is usually neglected in standard procedures.
A Topology Primer
(2002)
Manifolds
(2017)
We present a convenient notation for positive/negativeADconditional equations. Theidea is to merge rules specifying the same function by using caseAD, ifAD, matchAD, and letADexpressions.Based on the presented macroADruleADconstruct, positive/negativeADconditional equational specifiADcations can be written on a higher level. A rewrite system translates the macroADruleADconstructsinto positive/negativeADconditional equations.
We present an inference system for clausal theorem proving w.r.t. various kinds of inductivevalidity in theories specified by constructor-based positive/negative-conditional equations. The reductionrelation defined by such equations has to be (ground) confluent, but need not be terminating. Our con-structor-based approach is well-suited for inductive theorem proving in the presence of partially definedfunctions. The proposed inference system provides explicit induction hypotheses and can be instantiatedwith various wellfounded induction orderings. While emphasizing a well structured clear design of theinference system, our fundamental design goal is user-orientation and practical usefulness rather thantheoretical elegance. The resulting inference system is comprehensive and relatively powerful, but requiresa sophisticated concept of proof guidance, which is not treated in this paper.This research was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft, SFB 314 (D4-Projekt)
We study the combination of the following already known ideas for showing confluence ofunconditional or conditional term rewriting systems into practically more useful confluence criteria forconditional systems: Our syntactic separation into constructor and non-constructor symbols, Huet's intro-duction and Toyama's generalization of parallel closedness for non-noetherian unconditional systems, theuse of shallow confluence for proving confluence of noetherian and non-noetherian conditional systems, theidea that certain kinds of limited confluence can be assumed for checking the fulfilledness or infeasibilityof the conditions of conditional critical pairs, and the idea that (when termination is given) only primesuperpositions have to be considered and certain normalization restrictions can be applied for the sub-stitutions fulfilling the conditions of conditional critical pairs. Besides combining and improving alreadyknown methods, we present the following new ideas and results: We strengthen the criterion for overlayjoinable noetherian systems, and, by using the expressiveness of our syntactic separation into constructorand non-constructor symbols, we are able to present criteria for level confluence that are not criteria forshallow confluence actually and also able to weaken the severe requirement of normality (stiffened withleft-linearity) in the criteria for shallow confluence of noetherian and non-noetherian conditional systems tothe easily satisfied requirement of quasi-normality. Finally, the whole paper also gives a practically usefuloverview of the syntactic means for showing confluence of conditional term rewriting systems.
Modern digital imaging technologies, such as digital microscopy or micro-computed tomography, deliver such large amounts of 2D and 3D-image data that manual processing becomes infeasible. This leads to a need for robust, flexible and automatic image analysis tools in areas such as histology or materials science, where microstructures are being investigated (e.g. cells, fiber systems). General-purpose image processing methods can be used to analyze such microstructures. These methods usually rely on segmentation, i.e., a separation of areas of interest in digital images. As image segmentation algorithms rarely adapt well to changes in the imaging system or to different analysis problems, there is a demand for solutions that can easily be modified to analyze different microstructures, and that are more accurate than existing ones. To address these challenges, this thesis contributes a novel statistical model for objects in images and novel algorithms for the image-based analysis of microstructures. The first contribution is a novel statistical model for the locations of objects (e.g. tumor cells) in images. This model is fully trainable and can therefore be easily adapted to many different image analysis tasks, which is demonstrated by examples from histology and materials science. Using algorithms for fitting this statistical model to images results in a method for locating multiple objects in images that is more accurate and more robust to noise and background clutter than standard methods. On simulated data at high noise levels (peak signal-to-noise ratio below 10 dB), this method achieves detection rates up to 10% above those of a watershed-based alternative algorithm. While objects like tumor cells can be described well by their coordinates in the plane, the analysis of fiber systems in composite materials, for instance, requires a fully three dimensional treatment. Therefore, the second contribution of this thesis is a novel algorithm to determine the local fiber orientation in micro-tomographic reconstructions of fiber-reinforced polymers and other fibrous materials. Using simulated data, it will be demonstrated that the local orientations obtained from this novel method are more robust to noise and fiber overlap than those computed using an established alternative gradient-based algorithm, both in 2D and 3D. The property of robustness to noise of the proposed algorithm can be explained by the fact that a low-pass filter is used to detect local orientations. But even in the absence of noise, depending on fiber curvature and density, the average local 3D-orientation estimate can be about 9° more accurate compared to that alternative gradient-based method. Implementations of that novel orientation estimation method require repeated image filtering using anisotropic Gaussian convolution filters. These filter operations, which other authors have used for adaptive image smoothing, are computationally expensive when using standard implementations. Therefore, the third contribution of this thesis is a novel optimal non-orthogonal separation of the anisotropic Gaussian convolution kernel. This result generalizes a previous one reported elsewhere, and allows for efficient implementations of the corresponding convolution operation in any dimension. In 2D and 3D, these implementations achieve an average performance gain by factors of 3.8 and 3.5, respectively, compared to a fast Fourier transform-based implementation. The contributions made by this thesis represent improvements over state-of-the-art methods, especially in the 2D-analysis of cells in histological resections, and in the 2D and 3D-analysis of fibrous materials.
This report reviews selected image binarization and segmentation methods that have been proposed and which are suitable for the processing of volume images. The focus is on thresholding, region growing, and shape–based methods. Rather than trying to give a complete overview of the field, we review the original ideas and concepts of selected methods, because we believe this information to be important for judging when and under what circumstances a segmentation algorithm can be expected to work properly.
W-Lisp Sprachbeschreibung
(1993)
W-Lisp [Wippennann 91] ist eine Sprache, die im Bereich der Implementierung höherer
Programmiersprachen verwendet wird. Ihre Anwendung ist nicht auf diesen Bereich beschränkt. Gute Lesbarkeit der W-Lisp-Notation wird durch zahlreiche Anleihen aus dem Bereich der bekannten imperativen Sprachen erzielt. W-Lisp-Programme können im Rahmen eines Common Lisp-Systems ausgeführt werden. In der WLisp Notation können alle Lisp-Funktionen (inkl. MCS) verwendet werden, so daß die Mächtigkeit von Common-Lisp [Steele 90] in dieser Hinsicht auch in W-Lisp verfügbar ist.
We consider a volume maximization problem arising in gemstone cutting industry. The problem is formulated as a general semi-infinite program (GSIP) and solved using an interiorpoint method developed by Stein. It is shown, that the convexity assumption needed for the convergence of the algorithm can be satisfied by appropriate modelling. Clustering techniques are used to reduce the number of container constraints, which is necessary to make the subproblems practically tractable. An iterative process consisting of GSIP optimization and adaptive refinement steps is then employed to obtain an optimal solution which is also feasible for the original problem. Some numerical results based on realworld data are also presented.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Ermittlung und Analyse von Faktoren der haus-ärztlichen Standortfaktoren im ländlichen Raum.
Lebensqualität gerade auch in ländlichen Räumen in Deutschland ist vor allem daran geknüpft, welche Angebote der Daseinsvorsorge vor Ort bestehen. Die ambulante medizinische Versorgung nimmt dabei eine Schlüsselstellung ein, gerade vor dem Hintergrund einer im Zuge des demographischen Wandels immer älter werdenden Gesellschaft, insbesondere auf dem Land.
Niedergelassene Ärzte bilden dabei das Rückgrat einer bedarfsgerechten flächenhaften Versorgung, von denen wiederum die Hausärzte als Generalisten mit bislang sehr kleinräumiger Verteilungsstruktur erster Ansprechpartner für Patienten sind. Allerdings werden in Zukunft viele Hausarztsitze nicht mehr adäquat nachbesetzt werden können, da es zu wenige Nachfolger gibt. Unter dem gegenwärtigen Ungleichgewicht von Angebot und Nachfrage an Hausarztpraxen existiert kein funktionsfähiges Verteilungssystem zur Erreichung einer möglichst homogenen Flächenversorgung. Umso wichtiger ist es, den Prozess der Standortentscheidung von Hausärzten möglichst gut nachvollziehen zu können, um festzustellen anhand welcher Kriterien Hausärzte ihren Standort festlegen. In dieser Arbeit werden darum zunächst auf Expertenaussagen gestützte unternehmerische und private Faktoren ermittelt, die bei der hausärztlichen Standortwahl von Relevanz sein können.
Die Gründe für den bevorstehenden und bereits in manchen Regionen bemerkbaren Hausarztmangel liegen dabei zum einen im Ausbildungssystem, wo im langjährigen Verlauf Schwankungen in der Ausbildungsmenge und Missverhältnisse zur Bedarfsmenge an Ärzten zur einer aktuelle Verknappung beigetragen haben. Ebenso wurde die frühere Dominanz an männlichen Medizinstudenten durch eine Dominanz weiblicher Nachwuchsmediziner abgelöst, mit neuen Standortansprüchen und gewünschten Arbeitsformen. Allerdings nicht nur weibliche Nachwuchsmediziner bevorzugen heute Arbeitsmodelle, in denen sie ein Höchstmaß an Flexibilität haben, was vor allem in immer begehrter werdende Teamarbeit, Teilzeittätigkeiten, Anstellungs- anstelle von freiberuflichen Tätigkeitsformen und damit insgesamt in vor allem präferierte Tätigkeiten im stationären Versorgungsbereich hinausläuft. Die eher unattraktiven Arbeitsbedingungen als Hausarzt mit hoher Arbeitsbelastung mit im Vergleich zu anderen Facharztgruppen wenig attraktivem Gehalt tun ihr Übriges zur zunehmenden Verschmähung der allgemeinmedizinischen Weiterbildung zum Hausarzt bei, stattdessen findet immer häufiger eine Spezialisierung unter Nachwuchsmedizinern statt.
Alle angedachten bzw. in Umsetzung begriffene Maßnahmen zur Attraktivierung des Haus- bzw. Landarztberufs, vor allem finanzielle Anreize und Imagekampagnen, aber auch der Aufbau größerer Versorgungseinrichtungen, telemedizinischer Behandlungsmöglichkeiten und nicht-ärztlicher Delegationsformen, haben bislang nicht den erhofften Effekt einer Stabilisierung der Versorgungssituation. Dies gilt besonders auch im ländlichen Raum, wo die Ausstattung an Einrichtungen der Daseinsvorsorge in aller Regel nicht mit städtischen Qualitätsstandards mithalten kann. Bei einer relativ großen Wahlfreiheit durch nicht besetzbare Stellen und Posten älterer Ärzte bestehen für Nachwuchsmediziner jedoch heute gerade auch in dieser räumlichen Hinsicht größtmögliche Entscheidungsfreiheiten. Dies führt bereits heute zu einer Bevorzugung städtischer Räume als Arbeitsstandort und verschärft so zusätzlich die hausärztliche Versorgungslage im ländlichen Raum.
Im Rahmen einer empirischen Untersuchung an standardisiert befragten Hausärzten der zuvor gebildeten Modellräume Eifel und Unterfranken wurde dazu untersucht, welche unternehmerischen und privaten Faktoren überhaupt Hausärzte in die ländlichen Räume ziehen und ob diese im zeitlichen Verlauf sind. Neben den ökonomisch günstigen Voraussetzungen für Hausärzte mit leicht verfügbarer Kassenzulassung und großer Patientenzahl spricht dabei vor allem der landschaftliche Reiz für eine Niederlassung im ländlichen Raum. Von besonderer Relevanz war bislang auch immer das kinderfreundliche Lebensumfeld mit entsprechend vorgehaltenen Bildungseinrichtungen, allerdings verliert dieser Faktor durch den immer seltener werdenden Kin-der Wunsch langsam an Bedeutung unter den Hausärzten.
Jedoch bestehen zudem eine Reihe von sekundär bedeutsamen Faktoren, die auch vor Ort gestaltbar sein und so von innen heraus die Nachwuchsmediziner in Richtung ländlicher Räume ziehen können. Dazu zählen medizinische Einrichtungen (v.a. Fachärzte und Kliniken), Einkaufsmöglichkeiten, Sportstätten und das kulturelle Angebot.
Diese Faktoren gilt es zu stärken bzw. etwaige Schwächen ländlicher Räume in dieser Hinsicht mit kompensatorischen Maßnahmen inner- und überregional zu begegnen. Insbesondere wird es für eine zukünftig adäquate hausärztliche Versorgung unerlässlich sein, stärker auf die Interessen und Standortanforderungen weiblicher Mediziner mit besseren Betreuungsangeboten für Kinder, beruflichen Entfaltungsmöglichkeiten für Ehepartner, aber auch gewünschten Arbeitsorganisationsformen mit einem Mehr an Teamarbeit und flexiblen Arbeitsmodellen und -zeiten an zentraleren Standorten einzugehen.
Bei einem Stent handelt es sich um ein medizinisches Implantat, das zur Behandlung von Gefäßverengungen (Stenosen) eingesetzt wird. Ein implantierter Stent verbleibt in der Regel lebenslang im Gefäß und muss alle auftretenden Belastungen dauerhaft ertragen ohne zu brechen. Für die Auslegung eines Stents und zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens können durch die Finite Element Methode (FEM) schon im Vorfeld die auftretenden Spannungen und Dehnungen berechnet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein (Referenz-) Stent anhand unterschiedlicher Simulationen und Experimente analysiert und untersucht. Dabei wird sowohl der Herstellungsprozess des Stents betrachtet, als auch dessen Verhalten in unterschiedlich komplexen Gefäßen. In experimentellen Untersuchungen wird die Radialkraft bestimmt und das Ermüdungsverhalten des Stents bei einer simulierten Kniebeuge von 90° ermittelt. Mit der gewonnenen Erfahrung wird eine Vergleichsrechnung zweier neuer Stent-Designs durchgeführt. Auf Basis der Simulationen wird ein Prototyp hergestellt. Mit Hilfe der Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation wird der Einfluss des Referenz-Stents auf die Blutströmung durch die Berechnung der Strömungsverhältnisse in unterschiedlich komplexen Gefäßen näher betrachtet. Die Interaktion zwischen Stent, dem umgebenden Gefäß und der Blutströmung wird durch die gekoppelte FEM-CFD-Simulation untersucht.
One of the ongoing tasks in space structure testing is the vibration test, in which a given structure is mounted onto a shaker and excited by a certain input load on a given frequency range, in order to reproduce the rigor of launch. These vibration tests need to be conducted in order to ensure that the devised structure meets the expected loads of its future application. However, the structure must not be overtested to avoid any risk of damage. For this, the system’s response to the testing loads, i.e., stresses and forces in the structure, must be monitored and predicted live during the test. In order to solve the issues associated with existing methods of live monitoring of the structure’s response, this paper investigated the use of artificial neural networks (ANNs) to predict the system’s responses during the test. Hence, a framework was developed with different use cases to compare various kinds of artificial neural networks and eventually identify the most promising one. Thus, the conducted research accounts for a novel method for live prediction of stresses, allowing failure to be evaluated for different types of material via yield criteria
Bei den Flüssigimprägnierverfahren wird ein trockenes Textil mit einem Harzsystem imprägniert, wodurch Faser-Kunststoff-Verbunde hergestellt werden. Bei der Betrachtung von üblichen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen wie z. B. Motorhauben an Kraftfahrzeugen, Verkleidungsstrukturen für die Luft- und Raumfahrt oder Sportgeräte wie Ski wird deutlich, dass es sich meist um „schalenförmige“ Bauteile handelt. Hierdurch wird klar, dass bei einer Imprägnierung in transversaler Richtung, also senkrecht zur Bauteil- bzw. Textilebene, der Fließweg deutlich kürzer ist als in der Bauteilebene. Somit birgt eine transversale Imprägnierung ein großes Potenzial zur Fließweg- und somit zu einer Zykluszeitreduktion. Um das volle Potenzial bei einer Imprägnierung in transversaler Richtung nutzen zu können, müssen die Textileigenschaften für eine akkurate Prozessauslegung so genau wie möglich bekannt sein. Hierzu gehören die faservolumengehaltsabhängige Tränkbarkeit (Dickenpermeabilität), der Kapillardruck sowie die Kompaktierungseigenschaften von Textilien. Um diese Eigenschaften zu ermitteln, wurden im Zuge dieser Arbeit mehrere Bestimmungsmethoden entwickelt, realisiert und validiert. Kern dieser Bestimmungsmethoden ist ein System welches neben dem Sättigungsvorgang, die Dickenpermeabilität sowie die strömungsinduzierte Textildeformation aufzeichnen kann. Ersteres durch die Verfolgung des Fließfrontfortschritts und Letzteres durch Verfolgung der Gesamtdickenänderung des zu messenden Textilstapels als auch der Änderung der Position einer einzelnen Lage im Textilstapel. Zur Berechnung der Dickenpermeabilität werden zusätzlich noch Druck- und Volumenstrommessungen durchgeführt. Um die Validität von ungesättigten Permeabilitätsmessungen nachzuweisen, wurde ein Kapillardruckmesssystem für eine reine transversale Strömung entwickelt. Hier wird die Fließfront in Abhängigkeit der Zeit dazu genutzt um den Kapillardruck zu bestimmen. Alle Methoden und Verfahren ermöglichen ein tieferes Verständnis der Vorgänge bei einer transversalen Imprägnierung von Textilien. Die gewonnenen Daten können zusätzlich als Eingangsparameter für Prozesssimulationen genutzt werden. Die Grundlagen einer solchen Simulation wurden erfasst und erste Simulationen zur Ermittlung einer Umsetzbarkeit bei der ungesättigten Dickenpermeabilität sowie der hydrodynamischen Kompaktierung durchgeführt.
The thesis at hand deals with the numerical solution of multiscale problems arising in the modeling of processes in fluid and thermo dynamics. Many of these processes, governed by partial differential equations, are relevant in engineering, geoscience, and environmental studies. More precisely, this thesis discusses the efficient numerical computation of effective macroscopic thermal conductivity tensors of high-contrast composite materials. The term "high-contrast" refers to large variations in the conductivities of the constituents of the composite. Additionally, this thesis deals with the numerical solution of Brinkman's equations. This system of equations adequately models viscous flows in (highly) permeable media. It was introduced by Brinkman in 1947 to reduce the deviations between the measurements for flows in such media and the predictions according to Darcy's model.
Wireless sensor networks are the driving force behind many popular and interdisciplinary research areas, such as environmental monitoring, building automation, healthcare and assisted living applications. Requirements like compactness, high integration of sensors, flexibility, and power efficiency are often very different and cannot be fulfilled by state-of-the-art node platforms at once. In this paper, we present and analyze AmICA: a flexible, compact, easy-to-program, and low-power node platform. Developed from scratch and including a node, a basic communication protocol, and a debugging toolkit, it assists in an user-friendly rapid application development. The general purpose nature of AmICA was evaluated in two practical applications with diametric requirements. Our analysis shows that AmICA nodes are 67% smaller than BTnodes, have five times more sensors than Mica2Dot and consume 72% less energy than the state-of-the-art TelosB mote in sleep mode.
In diesem Artikel diskutieren wir Anforderungen aus der Kreditwürdigkeitsprüfung und ihre Erfüllung mit Hilfe der Technik des fallbasierten Schliessens. Innerhalb eines allgemeinen Ansatzes zur fallbasierten Systementwicklung wird ein Lernverfahren zur Optimierung von Entscheidungskosten ausführlich beschrieben. Dieses Verfahren wird, auf der Basis realer Kundendaten, mit dem fallbasierten Entwicklungswerkzeug INRECA empirisch bewertet. Die Voraussetzungen für den Einsatz fallbasierter Systeme zur Kreditwürdigkeitsprüfung werden abschliessend dargestellt und ihre Nüt zlichkeit diskutiert.
INRECA offers tools and methods for developing, validating, and maintaining classification, diagnosis and decision support systems. INRECA's basic technologies are inductive and case-based reasoning [9]. INRECA fully integrates [2] both techniques within one environment and uses the respective advantages of both technologies. Its object-oriented representation language CASUEL [10, 3] allows the definition of complex case structures, relations, similarity measures, as well as background knowledge to be used for adaptation. The objectoriented representation language makes INRECA a domain independent tool for its destined kind of tasks. When problems are solved via case-based reasoning, the primary kind of knowledge that is used during problem solving is the very specific knowledge contained in the cases. However, in many situations this specific knowledge by itself is not sufficient or appropriate to cope with all requirements of an application. Very often, background knowledge is available and/or necessary to better explore and interpret the available cases [1]. Such general knowledge may state dependencies between certain case features and can be used to infer additional, previously unknown features from the known ones.
Planabstraktion ist eine Möglichkeit, den Aufwand bei der Suche nach einem Plan zur Lösung eines konkreten Problems zu reduzieren. Hierbei wird eine konkrete Welt mit einer Problemstellung auf eine abstrakte Welt abgebildet. Die abstrakte Problemstellung wird nun in der abstrakten Welt gelöst. Durch die Rückabbildung der abstrakten Lösung auf eine konkrete Lösung erhält man eine Lösung für das konkrete Problem. Da die Anzahl der zur Lösung des abstrakten Problems benötigten Operationen geringer ist und die abstrakten Zustände und Operatoren einer weniger komplexen Beschreibung genügen, wird der Aufwand zur Suche einer konkreten Problemlösung reduziert.
Eine Möglichkeit das Planen in Planungssystemen zu realisieren, ist das fallbasierte Planen. Vereinfacht kann darun ter das Lösen von neuen Planungsproblemen anhand von bereits bekannten Plänen aus der Planungsdomäne verstanden werden. Dazu werden Pläne, die in der Vergangenheit ein Planungsproblem gelöst haben, gesammelt und bei der Lösung neuer Planungsprobleme dahin gehend modifiziert, dass sie das aktuelle Planungsproblem lösen. Um eine grössere Wiederverwendbarkeit der bereits bekannten Pläne zu erreichen, kann man nun eine konkrete Problemstellung mit ihrer Lösung aus der konkreten Planungswelt in eine abstraktere Planungswelt durch eine Abstraktion transformieren.
Fallbasiertes Schliessen (engl.: Case-based Reasoning) hat in den vergangenen Jahren zunehmende Bedeutung für den praktischen Einsatz in realen Anwendungsbereichen erlangt. In dieser Arbeit werden zunächst die allgemeine Vorgehensweise und die verschiedenen Teilaufgaben des fallbasierten Schliessens vorgestellt. Anschliessend wird auf die charakteristischen Eigenschaften eines Anwendungsbereiches eingegangen und an der konkreten Aufgabe der Kreditwürdigkeitsprüfung die Realisierung eines fallbasierten Ansatzes in der Finanzwelt beschrieben.
Metallacetylide sind Verbindungen aus Metallen und Liganden, die durch Deprotonierung terminaler Alkine entstehen. Komplexe dieser Art weisen eine Vielzahl verschiedener Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten auf. Der lineare Charakter der Acetylideinheit und ihre π-ungesättigte Natur macht sie zu geeigneten Bildungskomponenten für die Herstellung molekularer Leiter oder organometallischer oligo- sowie polymerer Materialien mit Eigenschaften wie z. B. optischer Nichtlinearität, Lumineszenz, elektrischer Leitfähigkeit und Flüssigkristallinität. Zwar existieren zahlreiche Arbeiten zur Herstellung von Metall-acetylidkomplexen, die Möglichkeit Liganden zu synthetisieren, die eine mehrzähnige, sogenannte chelatisierende Funktion mit einer terminalen Alkinyleinheit kombinieren, wurde jedoch nur von wenigen Gruppen verfolgt. Mit Hilfe solcher Liganden ist es nicht nur möglich, durch kovalente Anbindung eines Metalls an die C-C-Dreifachbindung Metallacetylide zu erhalten, sondern diese durch Koordination weiterer Metallzentren an die Chelatfunktion effizient zu stabilen, mehrkernigen Metallkomplexen zu erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Liganden synthetisiert, die derartige Eigenschaften besitzen: Das zweizähnige Alkin 2-(1-(Prop-2-yn-1-yl)-1H-pyrazol-3-yl)pyridin und das dreizähnige Diin 2,6-Bis(1(prop-2-yn-1-yl)-1H-pyrazol-3-yl)pyridin. Die Liganden wurden unter steter Optimierung der Reaktionsbedingungen durch Propargylierung von 2-Pyrazolylpyridin bzw. 2,6-Bispyrazolylpyridin synthetisiert. In einer Reihe von Versuchen mit verschiedenen Übergangsmetallen wurde das Monoalkin auf seine Fähigkeit hin untersucht, sowohl Metallacetylide als auch Komplexe durch Koordination an die chelatisierenden Stickstoffatome zu bilden. Dabei wurden ein Gold(I)monoacetylid mit Triphenylphosphan als Neutralligand sowie zwei Platindiacetylide erhalten. Die Platinkomplexe unterscheiden sich durch ihre Neutralliganden: es wurde einerseits Triphenylphosphan, andererseits ein dppe eingesetzt. Die unterschiedliche Natur der Phosphanliganden wirkt sich auf die Konformation der Komplexe aus: Während die einzähnigen Triphenylphosphanmoleküle die Positionierung der Alkinylliganden in trans-Stellung erlauben, liegt der dppe-haltige Komplex in einer cis-Konformation vor. Aus beiden Komplexen wurden durch Koordination weiterer Metallzentren dreikernige Verbindungen synthetisiert. Dabei konnte das Produkt aus trans-Komplex mit Ruthenium(II) isoliert und charakterisiert werden, während das cis-Produkt nur analytisch nachgewiesen, jedoch nicht erfolgreich von den Nebenprodukten abgetrennt werden konnte. Für das dppe-haltige Platindiacetylid wurde die Fähigkeit Zink zu koordinieren in verschiedenen Versuchsreihen überprüft, die unter Variation der Zinkkonzentration und auch des Lösungsmittels durchgeführt wurden. Mit Hilfe von ESI-MS-Messungen konnte belegt werden, dass Zink(II)-Kationen an das Diacetylid koordinieren und in Abhängigkeit der
Zinkkonzentration verschiedene Produkte erhalten werden. Das Lösungsmittel zeigt ebenfalls einen Einfluss auf Produktbildung. Während in Aceton nur zwei verschiedene Zinkaddukte beobachtet werden können, wird in Acetonitril sogar die Bildung von Ketten und Clustern beobachtet. Der dreizähnige Diinligand wurde erfolgreich mit Ruthenium umgesetzt, sodass ein oktaedrischer Komplex entsand, bei dem der Ruthenium(II)-Kern dreifach an den von mir synthetisierten Liganden koordiniert war und neben einem Triphenylphosphan auch zwei Chloridoliganden trug. Mit diesem wurde die katalytische Transferhydrierung von Acetophenon mit Isopropanol durchgeführt, wobei die zur Deprotonierung des Alkohols zugegebene Menge an Base variiert wurde. Die Aktivität des Komplexes in der Transferhydrierung konnte bewiesen werden. Die zugegebene Basenmenge zeigte bei der angewendeten Versuchsdurchführung nur einen geringen Einfluss auf den Umsatz.
Most of today’s wireless communication devices operate on unlicensed bands with uncoordinated spectrum access, with the consequence that RF interference and collisions are impairing the overall performance of wireless networks. In the classical design of network protocols, both packets in a collision are considered lost, such that channel access mechanisms attempt to avoid collisions proactively. However, with the current proliferation of wireless applications, e.g., WLANs, car-to-car networks, or the Internet of Things, this conservative approach is increasingly limiting the achievable network performance in practice. Instead of shunning interference, this thesis questions the notion of „harmful“ interference and argues that interference can, when generated in a controlled manner, be used to increase the performance and security of wireless systems. Using results from information theory and communications engineering, we identify the causes for reception or loss of packets and apply these insights to design system architectures that benefit from interference. Because the effect of signal propagation and channel fading, receiver design and implementation, and higher layer interactions on reception performance is complex and hard to reproduce by simulations, we design and implement an experimental platform for controlled interference generation to strengthen our theoretical findings with experimental results. Following this philosophy, we introduce and evaluate a system architecture that leverage interference.
First, we identify the conditions for successful reception of concurrent transmissions in wireless networks. We focus on the inherent ability of angular modulation receivers to reject interference when the power difference of the colliding signals is sufficiently large, the so-called capture effect. Because signal power fades over distance, the capture effect enables two or more sender–receiver pairs to transmit concurrently if they are positioned appropriately, in turn boosting network performance. Second, we show how to increase the security of wireless networks with a centralized network access control system (called WiFire) that selectively interferes with packets that violate a local security policy, thus effectively protecting legitimate devices from receiving such packets. WiFire’s working principle is as follows: a small number of specialized infrastructure devices, the guardians, are distributed alongside a network and continuously monitor all packet transmissions in the proximity, demodulating them iteratively. This enables the guardians to access the packet’s content before the packet fully arrives at the receiver. Using this knowledge the guardians classify the packet according to a programmable security policy. If a packet is deemed malicious, e.g., because its header fields indicate an unknown client, one or more guardians emit a limited burst of interference targeting the end of the packet, with the objective to introduce bit errors into it. Established communication standards use frame check sequences to ensure that packets are received correctly; WiFire leverages this built-in behavior to prevent a receiver from processing a harmful packet at all. This paradigm of „over-the-air“ protection without requiring any prior modification of client devices enables novel security services such as the protection of devices that cannot defend themselves because their performance limitations prohibit the use of complex cryptographic protocols, or of devices that cannot be altered after deployment.
This thesis makes several contributions. We introduce the first software-defined radio based experimental platform that is able to generate selective interference with the timing precision needed to evaluate the novel architectures developed in this thesis. It implements a real-time receiver for IEEE 802.15.4, giving it the ability to react to packets in a channel-aware way. Extending this system design and implementation, we introduce a security architecture that enables a remote protection of wireless clients, the wireless firewall. We augment our system with a rule checker (similar in design to Netfilter) to enable rule-based selective interference. We analyze the security properties of this architecture using physical layer modeling and validate our analysis with experiments in diverse environmental settings. Finally, we perform an analysis of concurrent transmissions. We introduce a new model that captures the physical properties correctly and show its validity with experiments, improving the state of the art in the design and analysis of cross-layer protocols for wireless networks.
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.
Externe elektrische Gleichspannungsfelder können sowohl den physikalischen, als auch den reaktiven Stoffaustausch bei der Flüssig-Flüssig Extraktion signifikant beeinflussen, wodurch eine Steigerung des Stoffüberganges im elektrischen Feld erzielt werden kann. Die Gründe hierfür sind im elektrischen Feld gesteigerte Grenzflächenturbulenzen und feldinduzierte Konzentrationspolarisationen im Phasengrenzflächenbereich, welche durch Migrationswechselwirkungen verursacht werden. Das elektrische Feld hat bezüglich des reaktiven Stoffübergangs sowohl in Einzel- als auch im Mehrkomponentensystem keinen Einfluss auf das chemische Gleichgewicht. Jedoch wird durch das Feld die Kinetik beschleunigt und das Gleichgewicht schneller erreicht. Auch die maximale Trennselektivität im Mehrkomponentensystem, welche im Gleichgewicht erreicht wird, wird nicht durch das Feld verändert. Diese ist primär von der Konzentration und der Säurestärke abhängig. Lediglich im Falle sehr schwacher Säuren ist das Gleichgewicht über das natürliche hinaus verschiebbar. Diese Stoffaustauscherhöhung ist durch die im elektrischen Feld erhöhte Dissoziation der Übergangskomponente gemäß dem 2. Wien’schen Effekt erklärbar. Zudem ist die feldinduzierte Stoffaustauscherhöhung stark von der Feldwirkrichtung abhängig. Der Feldeinfluss ist dann maximal, wenn das Feld direkt in Stoffübergangs-richtung wirkt. Dies ist bei unbewegten (z. B. planaren) Grenzflächen erreichbar. So konnte in planaren Stoffübergangszellen und am hängenden Tropfen eine starke Stoffaus-tauschbeschleunigung in der Größenordnung von ca. 1000 % erzielt werden. Am bewegten Tropfen konnte zwar eine Stoffaustauscherhöhung durch die im Feld geänderten hydrodynamischen Betriebsgrößen (wie Tropfengröße und Verweilzeit) erzielt werden, jedoch konnte darüber hinaus keine weitere Stoffaustauschbeschleunigung erzielt werden. Dies kann damit erklärt werden, dass bei bewegter sphärischer Grenzflächengeometrie das Feld nicht nur in Stoffübergangsrichtung wirkt und feldinduzierte Polarisations-erscheinungen sich weitgehend kompensieren. Daher gelingt in klassischen Extraktionsapparaten, welche mit Dispergierung und Tropfen-bildung arbeiten, die Verfahrensumsetzung der kontinuierlich betriebenen Extraktion im Hochspannungsfeld nicht effizient. Diese gelingt in einem speziellen Zentrifugalextraktor, dem Taylor-Couette Elektroextraktor, in wessen Ringsspalt zwischen zwei als Elektroden fungierenden, konzentrischen Zylindern auf Grund der Rotationsbewegung sich eine planaranaloge, zylindrische Phasengrenzfläche ausbildet und das Feld somit direkt in Stoffübergangsrichtung wirken kann. Auch wird der stationäre Betriebszustand binnen weniger Minuten erreicht. Zudem entstehen im Phasengrenzbereich Taylorverwirblungen, welche ebenfalls den Stoffaustausch erhöhen. Zur theoretischen Beschreibung konnten Stoffübergangsmodelle entwickelt werden, welche die feldinduzierten Polarisationseffekte berücksichtigen. So gelingt die Berechnung des reaktiven Stoffaustauschs über ein elektrostatisch erweitertes Kinetikmodell, welches neben der chemischen Reaktion, der Grenzflächenadsorption des Ionenaustauschers und dem Reaktionsgleichgewicht, auch die Migration über die Nernst Planck Gleichung, sowie auch die Elektrodissoziation über einen Ansatz nach Onsager berücksichtigt. Die Berücksichtigung der im elektrischen gesteigerten Grenzflächenturbulenz gelingt über einen elektrostatisch erweiterten Ansatz nach Maroudas und Sawistowski. Auch wurde ein Modell zur Berechnung des Stoffübergangs im Taylor-Couette Extraktors vorgestellt. Die Berechnung der anliegenden elektrischen Felder gelingt über die Finite Elemente Methode basierend auf den Maxwell’schen Gleichungen oder vereinfacht über die Laplace Gleichung. Wesentlich ist, dass nicht die Elektrodenpotentialdifferenz, sondern das berechnete Potential an der Phasengrenzfläche den Stofftransfer im elektrischen Feld bestimmt, was durch die Simulationsrechnungen bestätigt wurde.
It has been observed that for understanding the biological function of certain RNA molecules, one has to study joint secondary structures of interacting pairs of RNA. In this thesis, a new approach for predicting the joint structure is proposed and implemented. For this, we introduce the class of m-dimensional context-free grammars --- an extension of stochastic context-free grammars to multiple dimensions --- and present an Earley-style semiring parser for this class. Additionally, we develop and thoroughly discuss an implementation variant of Earley parsers tailored to efficiently handle dense grammars, which embraces the grammars used for structure prediction. A currently proposed partitioning scheme for joint secondary structures is transferred into a two-dimensional context-free grammar, which in turn is used as a stochastic model for RNA-RNA interaction. This model is trained on actual data and then used for predicting most likely joint structures for given RNA molecules. While this technique has been widely used for secondary structure prediction of single molecules, RNA-RNA interaction was hardly approached this way in the past. Although our parser has O(n^3 m^3) time complexity and O(n^2 m^2) space complexity for two RNA molecules of sizes n and m, it remains practically applicable for typical sizes if enough memory is available. Experiments show that our parser is much more efficient for this application than classical Earley parsers. Moreover the predictions of joint structures are comparable in quality to current energy minimization approaches.
Dual-Pivot Quicksort and Beyond: Analysis of Multiway Partitioning and Its Practical Potential
(2016)
Multiway Quicksort, i.e., partitioning the input in one step around several pivots, has received much attention since Java 7’s runtime library uses a new dual-pivot method that outperforms by far the old Quicksort implementation. The success of dual-pivot Quicksort is most likely due to more efficient usage of the memory hierarchy, which gives reason to believe that further improvements are possible with multiway Quicksort.
In this dissertation, I conduct a mathematical average-case analysis of multiway Quicksort including the important optimization to choose pivots from a sample of the input. I propose a parametric template algorithm that covers all practically relevant partitioning methods as special cases, and analyze this method in full generality. This allows me to analytically investigate in depth what effect the parameters of the generic Quicksort have on its performance. To model the memory-hierarchy costs, I also analyze the expected number of scanned elements, a measure for the amount of data transferred from memory that is known to also approximate the number of cache misses very well. The analysis unifies previous analyses of particular Quicksort variants under particular cost measures in one generic framework.
A main result is that multiway partitioning can reduce the number of scanned elements significantly, while it does not save many key comparisons; this explains why the earlier studies of multiway Quicksort did not find it promising. A highlight of this dissertation is the extension of the analysis to inputs with equal keys. I give the first analysis of Quicksort with pivot sampling and multiway partitioning on an input model with equal keys.
Recently, a new Quicksort variant due to Yaroslavskiy was chosen as standard sorting
method for Oracle's Java 7 runtime library. The decision for the change was based on
empirical studies showing that on average, the new algorithm is faster than the formerly
used classic Quicksort. Surprisingly, the improvement was achieved by using a dual pivot
approach — an idea that was considered not promising by several theoretical studies in the
past. In this thesis, I try to find the reason for this unexpected success.
My focus is on the precise and detailed average case analysis, aiming at the flavor of
Knuth's series “The Art of Computer Programming”. In particular, I go beyond abstract
measures like counting key comparisons, and try to understand the efficiency of the
algorithms at different levels of abstraction. Whenever possible, precise expected values are
preferred to asymptotic approximations. This rigor ensures that (a) the sorting methods
discussed here are actually usable in practice and (b) that the analysis results contribute to
a sound comparison of the Quicksort variants.
Aufgrund ihrer Besonderheiten und Merkmalen ist die Innenstadt als wichtigster Stadtteil einer Stadt zu charakterisieren. Aufgrund der Zerstörungen durch den Zweiten Weltkrieg und den anschließenden Entwicklungen hat die Innenstadt an urbaner Qualität eingebüßt. Dies ist unter anderem darin begründet, dass eine Verdrängung der Wohnfunktion aus der Innenstadt an den Stadtrand oder ins Umland stattfindet. Die Stärkung der Wohnfunktion ist eine Grundvoraussetzung zur Wiedergewinnung urbaner Qualitäten und zur nachhaltigen Revitalisierung und Stabilisierung der Innenstadt. Das Wohnen an sich ist ein multidimensionales Phänomen mit vielfältigen Wirkungsgefügen und Verflechtungen. Zur Ableitung von Konzepten und Handlungsmaßnahmen sind die Wohnbedürfnisse der Bevölkerung durch verschiedene Klassifizierungen zu erheben und mit den so genannten Megatrends -allen voran der demografischen Entwicklung- und den spezifischen Kommunalsituationen zu überlagern. An diesem Prozess ist mit steigender Tendenz eine Vielzahl von öffentlichen und privaten Akteuren beteiligt. Gängige Darstellungsmethoden der Stadtplanung sind nur bedingt geeignet, die komplexen Wirkungsgefüge sowie die Ein- auf und Auswirkungen von Vorhaben als Informationen transparent und nachvollziehbar abzubilden. Der Einsatz von Mixed Reality-Techniken und von immersiven Szenarien zur Unterstützung von Entscheidungssituationen in stadtplanerischen Aufgabenfeldern ist als qualifizierend für diese einzustufen. Durch Mixed Reality-Techniken, die reale Gegebenheiten und virtuelle Objekte gleichzeitig überlagert abbilden, ist es im Sinne einer Ergebnisvisualisierung möglich, sowohl Handlungsbedarfe in der Bestandssituation zu identifizieren als auch die visuellen Ein- und Auswirkungen von Vorhaben originalmaßstäblich und dreidimensional zu simulieren. Darüber hinaus können auch originär nicht visuell wahrnehmbare Informationen visuell abgebildet werden. Neben den technischen Ausstattungen ist hierfür ein virtueller, generischer Datenschatten notwendig, der ein digitales Abbild der Realität und der geplanten Vorhaben darstellt. Der bislang theoretische Ansatz der immersiven Szenarien ist der nächste Schritt im Bereich der computergestützten Daten- und Informationsvisualisierung beziehungsweise -darstellung. Über die Ergebnisvisualisierung hinaus sind immersionserzeugende Systeme in der Lage, einen Benutzer in eine Situationsdarstellung zu versetzen, in der er nicht mehr zwischen realen und virtuellen Objekten unterscheiden kann. Zugleich bedeutet dies, dass er mit allen virtuellen Objekten intuitiv interagieren kann. Der Benutzer wird dadurch Teil des Szenarios. Seine Aktionen wirken sich wahrnehmbar rekursiv auf das Szenario aus. Sowohl Mixed Reality-Techniken als auch immersive Szenarien können für Entscheidungssituationen im Bereich des thematisierten Wirkungsgefüge ‚innerstädtisches Wohnen’ die Entscheidungsgrundlagen auf den Betrachtungsebenen Wohnstandort, Wohnanlage und Wohnung für alle beteiligten Akteure qualifizieren. Sie sind geeignet, um Handlungserfordernisse transparent und nachvollziehbar abzubilden sowie die visuell wahrnehmbaren und originär nicht visuell wahrnehmbaren Konsequenzen von Wohnbauvorhaben abzuschätzen. Anhand des innerstädtischen Projektes „Glockencarré Kaiserslautern“ wurden hierzu die Möglichkeiten der Augmented Reality-Technik (als eine Ausprägung der Mixed Reality-Techniken) aufgezeigt und die Einsatzmöglichkeiten für unterschiedliche Akteursgruppen charakterisiert.
Ein werkstoffgerechter und wirtschaftlicher Einsatz von ultrahochfestem Beton (UHPC) erfordert hybride Konstruktionen mit minimierten Querschnitten. Hierfür bieten sich Verbundträger, bestehend aus Stahlprofilen geringer Blechdicke und Betongurten von wenigen Zentimetern Plattenstärke an, deren Einsatzgebiet im Hochbau als filigrane Fassadenplatten oder tragende Hohlwände mit integrierter Haustechnik liegen kann. Besonderes Augenmerk ist bei derartigen Verbundkonstruktionen auf die Ausbildung und die Leistungsfähigkeit der Verbundfuge zu legen. Aufgrund der reduzierten Betongurtdicke ist eine Anwendung von konventionellen Verbundmitteln nicht möglich. Daher wurde ein neuartiges Verbundmittel durch das Anordnen von rechteckförmigen Stahlzähnen an der Blechoberkante entwickelt, welche an ihrer Spitze um 90° verdreht werden. Die Trag- und Verformungsfähigkeit dieser sogenannten "Stahlschare" wurde in dem von der DFG geförderten Projekt Schn 771/5-1 im Zuge des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1182 untersucht und ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
Der Verdrehvorgang und die daraus resultierenden Dehnungen wurden mittels einer optischen Messung sowie FE-Simulation analysiert und zur weiteren Beurteilung der Längsschubtragfähigkeit herangezogen. Hierfür wurden 6 Push-out-Versuchsserien mit 38 Einzelversuchen mit verschiedenen Parametervariationen durchgeführt und ausgewertet. Zusammen mit den Ergebnissen von entsprechenden FE-Modellen und theoretischen Überlegungen wurde ein Bemessungskonzept für Längsschub entwickelt. Dieses beinhaltet die Versagensarten Längsaufreißen des Betongurts, Betonausbruch sowie Stahlversagen durch Abscheren der Schare. Die vorgeschlagenen Widerstandsmodelle wurden zudem einer statistischen Auswertung gemäß Eurocode 0 unterzogen. Abschließend wurde das Zugtragverhalten in Pull-out-Versuchen sowie das Verhalten in großmaßstäblichen Verbundträgern mit unterschiedlichen Verdübelungsgraden geprüft.
Ein werkstoffgerechter und wirtschaftlicher Einsatz von ultrahochfestem Beton (UHPC) erfordert hybride Konstruktionen mit minimierten Querschnitten. Hierfür bieten sich Verbundträger, bestehend aus Stahlprofilen geringer Blechdicke und Betongurten von wenigen Zentimetern Plattenstärke an, deren Einsatzgebiet im Hochbau als filigrane Fassadenplatten oder tragende Hohlwände mit integrierter Haustechnik liegen kann. Besonderes Augenmerk ist bei derartigen Verbundkonstruktionen auf die Ausbildung und die Leistungsfähigkeit der Verbundfuge zu legen. Aufgrund der reduzierten Betongurtdicke ist eine Anwendung von konventionellen Verbundmitteln nicht möglich. Daher wurde ein neuartiges Verbundmittel durch das Anordnen von rechteckförmigen Stahlzähnen an der Blechoberkante entwickelt, welche an ihrer Spitze um 90° verdreht werden. Die Trag- und Verformungsfähigkeit dieser sogenannten "Stahlschare" wurde in dem von der DFG geförderten Projekt Schn 771/5-1 im Zuge des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1182 untersucht und ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
Der Verdrehvorgang und die daraus resultierenden Dehnungen wurden mittels einer optischen Messung sowie FE-Simulation analysiert und zur weiteren Beurteilung der Längsschubtragfähigkeit herangezogen. Hierfür wurden 6 Push-out-Versuchsserien mit 38 Einzelversuchen mit verschiedenen Parametervariationen durchgeführt und ausgewertet. Zusammen mit den Ergebnissen von entsprechenden FE-Modellen und theoretischen Überlegungen wurde ein Bemessungskonzept für Längsschub entwickelt. Dieses beinhaltet die Versagensarten Längsaufreißen des Betongurts, Betonausbruch sowie Stahlversagen durch Abscheren der Schare. Die vorgeschlagenen Widerstandsmodelle wurden zudem einer statistischen Auswertung gemäß Eurocode 0 unterzogen. Abschließend wurde das Zugtragverhalten in Pull-out-Versuchen sowie das Verhalten in großmaßstäblichen Verbundträgern mit unterschiedlichen Verdübelungsgraden geprüft.
In Deutschland und einigen anderen Ländern ist das Mischsystem weit verbreitet. Aus diversen Gründen (z.B. aus Kostenaspekten) ist es aber bei Regenwetter nicht immer möglich, den gesamten Mischwasserabfluss auch zur Kläranlage weiter zu leiten. Ein gewisser Anteil des Mischwasserabflusses muss daher entweder im Kanalnetz zwischengespeichert oder aber über Entlastungsbauwerke direkt in die Einleitgewässer abgeschlagen werden, woraus erhebliche Gewässerbelastungen resultieren können. Hinzu kommt, dass die Teilsysteme "Kanalnetz" und "Kläranlage" meist noch unabhängig voneinander betrieben werden, sodass es zu Entlastungsereignissen kommen kann, obwohl zur gleichen Zeit an anderer Stelle im Gesamtsystem noch freie Speicher- und/oder Behandlungskapazitäten zur Verfügung stehen. Deshalb gewinnen seit einigen Jahren sog. integrierte Ansätze an Bedeutung, die versuchen, Kanalnetz und Kläranlage mit Hilfe von MSR-Technik in Abhängigkeit der jeweils aktuellen Leistungsfähigkeit dieser Teilsysteme zu betreiben, um dadurch die Emissionen und ggf. die Kosten zu verringern. Man kann daher in der neueren Literatur zahlreiche Veröffentlichungen zu diesem Themenkomplex finden, die sich jedoch bisher praktisch nur mit Durchlaufkläranlagen beschäftigt haben. SBR-Kläranlagen wurden diesbezüglich bisher vernachlässigt, obwohl diese Technologie prinzipiell durch eine ganze Reihe von Vorteilen gekennzeichnet ist. Zahlreiche großtechnische SBR-Kläranlagen belegen zudem, dass sich dieses Verfahren auch sehr gut zur Mischwasserbehandlung eignet. Wegen dieser Randbedingungen erschien es sinnvoll, auch integrierte MSR-Strategien für SBR-Anlagen zu entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher auf der 2000 in Betrieb genommenen SBR-Kläranlage Messel (5.500 EW) zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, um den Nutzen und die Machbarkeit derartiger Konzepte zu untersuchen. Diese nach den üblichen Regelwerken für Nitrifikation, Denitrifikation, biologische Phosphorelimination und aerobe Schlammstabilisierung bemessene Kläranlage ist typisch für eine Reihe weiterer ähnlicher Anlagen. Um das Potenzial eines integrierten Ansatzes zu ermitteln, wurden detaillierte Kanalnetz- und Kläranlagenmodelle erstellt und kalibriert, mit denen zahlreiche Untersuchungen durchgeführt wurden. Ferner wurden die umfangreichen Betriebsdaten ausgewertet. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Anlage über beachtliche Reserven verfügt, die z.B. für Zwecke einer erhöhten Mischwasserbehandlung genutzt werden könnten. Mit Hilfe der Modelle und ergänzender großtechnischer Untersuchungen wurden anschließend verschiedene integrierte MSR-Strategien am Computer entwickelt und bezüglich ihres Nutzens bewertet. Die Ergebnisse der integrierten Simulation zeigen beispielsweise, dass es mit Hilfe dieser Strategien möglich erscheint, die Zuflussmenge zur Kläranlage um bis zu 50 % über den Planungswert zu erhöhen, ohne die strengen Überwachungswerte zu überschreiten. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass es durch eine Erhöhung der Zuflussmenge möglich ist, die Gesamtemissionen aus Kanalnetz und Kläranlage - v.a. bezüglich CSB - und die Anzahl der Entlastungsereignisse deutlich zu verringern. Eine durchgeführte Kostenbetrachtung verdeutlicht, dass ein derartiger Ansatz - trotz der geringen Größe dieser Anlage - nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch sinnvoll ist. Damit erscheint es wünschenswert, dass zukünftig auch die großtechnische Umsetzung integrierter Ansätze für SBR-Kläranlagen und Mischkanalisationen in Angriff genommen wird, um die bisher gewonnenen Erkenntnisse in der Praxis zu verifizieren.
Die Digitalisierung ist ein Megathema unserer Zeit. In allen gesellschaftlichen Bereichen,
in privaten wie auch beruflichen Kontexten finden derzeit Veränderungen statt, die vielfältige Gesichter und weitreichenden Einfluss sowohl auf die Menschen als auch die Organisationen haben und die auf die Digitalisierung zurückgeführt werden.
Auch auf die Organisation Kommunalverwaltung wirken sich diese Veränderungen zunehmend aus. Häufig wird jedoch in diesem Zusammenhang `Digitalisierung´ verkürzt lediglich mit dem Breitbandausbau gleichgesetzt. Diese Arbeit nimmt sich dieses Themas an und beleuchtet dabei insbesondere die Erfolgsfaktoren und Potenziale der Digitalisierung in ländlichen Kommunalverwaltungen unter dem Aspekt von Digital Leadership. Dabei stellt sich die Frage nach dem Einfluss von Führungskräften, namentlich den Bürgermeistern, auf die Einführung und die Umsetzung der Digitalisierung in kleinen Kommunen und ihre Auswirkungen auf die Organisation Kommunalverwaltung, die Prozesse und das Personal. Ausgewählte Beispiele verdeutlichen diesen Zusammenhang.
Wärmedämm-Verbundsysteme (WDVS) zählen gegenwärtig zu den am meisten eingesetzten Fassadenkonstruktionen, dennoch oder gerade deswegen stoßen die Systeme in der Architektur auf Ablehnung. Auf der technischen Seite wird mit der Anfälligkeit für Algen-/Pilzwuchs, Spechtlöchern oder dem Brandschutz argumentiert. Die architektonische Seite wettert gegen das unwahrhaftige Erscheinungsbild einer massiven Putzwand und äußert Bedenken beim Einsatz im Bestand. Auch im Feuilleton regt sich Widerstand und Angst gewohnte Stadtbilder zu verlieren. Trotz der Probleme können sich Architekten unter den gegebenen politischen Rahmenbedingungen und Kostenzwängen nicht mehr dem WDV-System entziehen. Die Moraldiskussion, die sich unmittelbar an der Fassade abarbeitet und ebenso problematische Verbundbauweisen ausblendet, verdeutlicht, dass es sich vorwiegend um ein Wahrnehmungsproblem handelt. WDV-Systeme gelten als unecht, billig und gestaltungsarm. Damit sich diese architektonische Wahrnehmung von WDV-Systemen nachhaltig verändert, werden systematisch Möglichkeiten und Potenziale vorgestellt, um WDVS zur Bedingung der Gestaltung werden zu lassen. In diesem Sinne interpretiert die Arbeit WDV-Systeme als architektonisches Mittel, das einer gestalterischen Logik folgt, welche sich unmittelbar aus den Gegebenheiten des Systems heraus entwickelt.
In the first part of the thesis we develop the theory of standard bases in free modules over (localized) polynomial rings. Given that linear equations are solvable in the coefficients of the polynomials, we introduce an algorithm to compute standard bases with respect to arbitrary (module) monomial orderings. Moreover, we take special care to principal ideal rings, allowing zero divisors. For these rings we design modified algorithms which are new and much faster than the general ones. These algorithms were motivated by current limitations in formal verification of microelectronic System-on-Chip designs. We show that our novel approach using computational algebra is able to overcome these limitations in important classes of applications coming from industrial challenges.
The second part is based on research in collaboration with Jason Morton, Bernd Sturmfels and Anne Shiu. We devise a general method to describe and compute a certain class of rank tests motivated by statistics. The class of rank tests may loosely be described as being based on computing the number of linear extensions to given partial orders. In order to apply these tests to actual data we developed two algorithms and used our implementations to apply the methodology to gene expression data created at the Stowers Institute for Medical Research. The dataset is concerned with the development of the vertebra. Our rankings proved valuable to the biologists.
Anwenderunterstützung bei der Nutzung und Überprüfung von optischen 3D-Oberflächenmessgeräten
(2019)
Technische Oberflächen werden mit immer komplexeren, dreidimensionalen Strukturen hergestellt, um gewünschte Funktionseigenschaften zu erhalten. Mit taktilen Rauheitsmessgeräten lassen sich diese allerdings nur schwer charakterisieren. Besser eignen sich hierfür optische Rauheitsmessgeräte, die die Oberfläche flächenhaft erfassen können. Diese unterscheiden sich allerdings in ihren Eigenschaften und Einstellungen von den in der Industrie bekannten und bewährten taktilen Systemen. Daher wird in dieser Arbeit ein Assistenzsystem vorgestellt, das die Anwender unterstützt, ihr optisches Rauheitsmessgerät sicher und normgerecht nach DIN EN ISO 25178 einzusetzen.Das Assistenzsystem führt Schritt für Schritt durch die Planung einer Messaufgabe, durch die Überprüfung zur Kontrolle der korrekten Funktion des Gerätes und der Eignung für die Messaufgabe, und im letzten Schritt durch die normgerechte Auswertung der Messung, um die gewünschten 3D-Oberflächenkennwerte zu erhalten.
The stationary heat equation is solved with periodic boundary conditions in geometrically complex composite materials with high contrast in the thermal conductivities of the individual phases. This is achieved by harmonic averaging and explicitly introducing the jumps across the material interfaces as additional variables. The continuity of the heat flux yields the needed extra equations for these variables. A Schur-complent formulation for the new variables is derived that is solved using the FFT and BiCGStab methods. The EJ-HEAT solver is given as a 3-page Matlab program in the Appendix. The C++ implementation is used for material design studies. It solves 3-dimensional problems with around 190 Mio variables on a 64-bit AMD Opteron desktop system in less than 6 GB memory and in minutes to hours, depending on the contrast and required accuracy. The approach may also be used to compute effective electric conductivities because they are governed by the stationary heat equation.
Four aspects are important in the design of hydraulic lters. We distinguish between two cost factors and two performance factors. Regarding performance, filter eciencynd lter capacity are of interest. Regarding cost, there are production considerations such as spatial restrictions, material cost and the cost of manufacturing the lter. The second type of cost is the operation cost, namely the pressure drop. Albeit simulations should and will ultimately deal with all 4 aspects, for the moment our work is focused on cost. The PleatGeo Module generates three-dimensional computer models of a single pleat of a hydraulic lter interactively. PleatDict computes the pressure drop that will result for the particular design by direct numerical simulation. The evaluation of a new pleat design takes only a few hours on a standard PC compared to days or weeks used for manufacturing and testing a new prototype of a hydraulic lter. The design parameters are the shape of the pleat, the permeabilities of one or several layers of lter media and the geometry of a supporting netting structure that is used to keep the out ow area open. Besides the underlying structure generation and CFD technology, we present some trends regarding the dependence of pressure drop on design parameters that can serve as guide lines for the design of hydraulic lters. Compared to earlier two-dimensional models, the three-dimensional models can include a support structure.
A fully automatic procedure is proposed to rapidly compute the permeability of porous materials from their binarized microstructure. The discretization is a simplified version of Peskin’s Immersed Boundary Method, where the forces are applied at the no-slip grid points. As needed for the computation of permeability, steady flows at zero Reynolds number are considered. Short run-times are achieved by eliminating the pressure and velocity variables using an Fast Fourier Transform-based and 4 Poisson problembased fast inversion approach on rectangular parallelepipeds with periodic boundary conditions. In reference to calling it a fast method using fictitious or artificial forces, the implementation is called FFF-Stokes. Large scale computations on 3d images are quickly and automatically performed to estimate the permeability of some sample materials. A matlab implementation is provided to allow readers to experience the automation and speed of the method for realistic three-dimensional models.
Der weltweite Transformationsprozess der Agenda 2030 (United Nations 2015) muss, soll er gelingen, von der Gesellschaft mitgetragen und vollzogen werden. In der im Nachhaltigkeitsziel 4.7 verankerten Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) nimmt auch die Schule als Bildungsträger eine relevante Rolle ein. BNE impliziert ein erneutes Nachdenken über Bildung, ihre Funktionen und ihre institutionelle und strukturelle Einbettung in Bildungsinstituten. Auch die Mathematik leistet zur Lösung globaler Probleme entscheidende Beiträge. Mit dem Blick auf den Bedarf an Menschen mit Expertise in interdisziplinären Denk- und Arbeitsweisen bezieht sich die mathematische Bildung jedoch zu wenig auf konkrete Lernaufgaben aus den realen sozialen, ökologischen, wirtschaftlichen sowie politischen Kontexten. Große Potenziale des Mathematikunterrichts bleiben so ungenutzt. Das soll sich ändern. Deshalb geht diese Forschungsarbeit „Zum Beitrag der mathematischen Modellierung zur Bildung für nachhaltige Entwicklung – ein Leitfaden zum Mathematikunterricht“ der Frage nach, wie BNE in den Mathematikunterricht integriert werden kann.
Auf Basis von Forschungsergebnissen der letzten Jahrzehnte konnte gezeigt werden, dass sich mathematische Modellierungen auch zur Darstellung von realen (nachhaltigen) Entwicklungsprozessen eignen. Der Bildungsanspruch der Mathematik im Kontext der BNE wird in der Fallstudienanalyse an prägnanten Modellierungsaufgaben beschrieben. Die Potenziale von Modellierungsaufgaben ermöglichen es, den Lernenden „notwendige Kenntnisse und Qualifikationen zur Förderung nachhaltiger Entwicklung“ (SDG 4.7) zu vermitteln.
Im Zentrum steht die Lernaufgabe als bedeutender Dreh- und Angelpunkt eines Mathematikunterrichts. Sie soll komplexe reale Zusammenhänge in den Mathematikunterricht integrieren und gleichzeitig fachliche und überfachliche Kompetenzen der Mathematik vermitteln. Diese scheinbare Kluft wird mit einer kompetenzfördernden und kognitiv-aktivierenden „BNE-Aufgabenkultur“ überwunden.
Eine „BNE-Modellierungsaufgabe“ schafft Grundlagen zur Erkenntnisgewinnung (Analyse) oder, mittels Datensammlung, zur eigenen Modellbildung (Synthese) realer Prozesse. Der integrative Lernansatz fördert ein Verständnis der Realität in all ihren Facetten und gibt der faktischen sowie ethischen Komplexität Raum. Daten und Fakten konfrontieren Lernende mit Entscheidungsdilemmata, regen zum Überdenken der eigenen Werte und zum Planen von Handlungen an. Eine konstruktive Auseinandersetzung mit gesellschaftlichen Entwicklungen liefert eine Grundlage für die Bewältigung von Anforderungen aus der unmittelbaren Lebenswelt und kann Orientierung im Alltag geben. Die Mathematik beschränkt sich hierbei auf das Beschreiben kausaler Zusammenhänge und versucht, die komplizierte Welt in eine kohärente Ordnung zu bringen. Die Wahl der Parameter und Randbedingungen einer Modellierung ermöglichen unterschiedliche Perspektiven. Dies kann auch zu voneinander abweichenden Interpretationen der Sachverhalte genutzt werden. Beispiele hierfür sind Klimamodelle oder Modellierungen im Rahmen der Covid-Krise, auf deren Ergebnissen unterschiedliche gesamtgesellschaftliche und politische Entscheidungen basierten. Dementsprechend kann ein metakognitiver Blick auf Modellierungsprozesse eine kritische und reflektierte Haltung schulen und zur Mündigkeit der Lernenden beitragen.
Die Auseinandersetzung mit den Grenzen deduktiver mathematischer Verfahren als Basis einer Visions- bzw. Prognosenbildung und eine darauf aufbauende Zukunftsgestaltung rücken in den Fokus. Ein besseres Verständnis der Mathematik und der Realität kann die Folge sein. Ziel eines BNE-orientierten Mathematikunterrichts muss es also sein, die Lernenden aufzufordern, die Welt durch die mathematische Brille zu betrachten, um gesellschaftliche Verhältnisse und Systeme kritisch zu „lesen“ und im Sinne der Nachhaltigkeit neu „schreiben“ zu können.
Dieser Lehr-Lernansatz erhält durch die qualitative Fallstudienanalyse eine wissenschaftliche Festigung. Aus den theoretischen Überlegungen zu einer integrativen Neuorientierung einer Modellierungsaufgabe im Mathematikunterricht sind neu ausgerichtete Wirkungsketten wünschens-werter Lehr-Lern-Prozesse entstanden. Sie gelten in diesem integrativen Bildungsanliegen als strukturbildend und zeigen einen Leitfaden zur Konzeption von „BNE-Modellierungsaufgaben“. Eine ergänzende Handreichung illustriert praxisnah die Entwicklung sowie Umsetzung von BNE-Lernaufgaben im Fachunterricht und regt zur Nachahmung an. Die vorgestellten BNE-Modellierungsaufgaben fügen sich in die Vorgaben der nationalen Bildungsstandards ein und wurden bereits im regulären Mathematikunterricht erprobt.
Die Einbeziehung anderer Fachbereiche spielt für den hier beschriebenen BNE-Ansatz zur Vermittlung der SDGs und der nachhaltigen Entwicklung eine zentrale Rolle. Möglichkeiten eines individuellen Engagements werden aufgezeigt. Dies kann richtungsweisend für die Nutzung der großen Potenziale der Mathematik für den notwendigen Transformationsprozess sein.
Zur kontinuierlichen Herstellung von Faser-Kunstoff-Verbunden in Form von Profilen
hat sich das Pultrusionsverfahren seit langem erfolgreich industriell etabliert. Bis jetzt
wurden fast ausschließlich duroplastische Matrizes verwendet. Aufgrund der
zahlreichen Vorteile wecken thermoplastische Faserverbundwerkstoffe zunehmend
das Interesse der Industrie; der Einsatz und die Fertigung von thermoplastischen
Profilen in hohen Stückzahlen werden jedoch bislang wegen mangelnder
Grundkenntnisse noch nicht realisiert.
In der vorliegenden Arbeit wird der Pultrusionsprozess thermoplastischer
Faserverbundwerkstoffe im Hinblick auf Realisierbarkeit und Optimierung von
Prozessparametern untersucht. Ziel war es bereits vorliegende Erkenntnisse zu
erweitern und bestehende Wissenslücken zu schließen. Als Ausgangsmaterial
wurden verschiedene Garntypen verwendet: ein Garn aus Kohlenstoff- und Polyamid
12-Fasern, ein Mischgarn aus Glas- und Polypropylen-Fasern sowie Polypropylen
pulverimprägnierte Glasfasern (sogenannte Towpregs). Besonderes Augenmerk lag
auf dem ersten Garntyp aus CF/PA12, der diskontinuierliche Fasern enthält. Mit
diesen Materialien wurden unidirektional faserverstärkte, rechteckige und runde
Profile hergestellt. Weiterhin wurde der Einfluss von zwei Hauptprozessparametern,
die Temperatur der Vorheizzone und der Heizdüse und die Abzugsgeschwindigkeit,
sowie von der Länge der Heizdüse auf die Profilqualität analysiert. Die jeweils
verwendeten Garntypen, der sich einsstellende Faservolumengehalt sowie der
Feuchtigkeitseinfluss wurden zusätzlich systematisch untersucht. Weiterhin wurde
die Abzugskraft analysiert.
Die Charakterisierung der Pultrudatqualität erfolgte durch mechanische und
morphologische Prüfungen. Der Imprägnierungsgrad, die Biegeeigenschaften und
die Scherfestigkeit, sowie zweitrangig die Charpy-Schlagzähigkeit und die
Zugeigenschaften wurden hierzu ermittelt und anschließend bewertet. Weiterhin
wurde die Oberflächenqualität mittels Laserprofilometrie untersucht.
Einen entscheidenden Faktor stellte die Abzugsgeschwindigkeit dar. Bis auf die
Oberfläche wurden Verschlechterungen der Imprägnierung und der mechanischen
Eigenschaften mit zunehmender Geschwindigkeit beobachtet.
Weiterhin wurde der Abkühlungsprozess untersucht. Die bei der Pultrusion
vorhandenen Abkühlraten sind sehr hoch und werden von der
Abzugsgeschwindigkeit sowie der Kühldüsentemperatur beeinflusst.Die Erstellung eines Verarbeitungsfensters für das Garn aus CF/PA12 wurde
erfolgreich durch Verwendung einer Qualitätskennzahl durchgeführt.
Des Weiteren wurde die Erstarrung und der Prozess der Kristallisation aus der
Schmelze für das CF/PA12 System näher untersucht. Zur Beschreibung der
isothermen sowie nicht-isothermen Kristallisationskinetik wurden verschiedene
Methoden angewandt. In diesem Zusammenhang lieferten das Modell von Chuah
zufriedenstellende Ergebnisse.
Weiterhin erfolgte die Modellierung der Wärmeübertragung zur Vorhersage der
Temperatur im Material während der Pultrusion mit der Finiten Elemente Methode.
Aufbauend hierauf können im Versuchsvorfeld die am besten geeigneten
Werkzeugtemperatur-/Abzugsgeschwindigkeitskombinationen eingestellt werden.
Esse aut non esse - Affirmation und Subversion intergeschlechtlicher Existenzen in der Schule
(2024)
Am 10.10.17 beschloss das Bundesverfassungsgericht in Karlsruhe, ein sog. drittes Geschlecht für den Eintrag im Geburtenregister einzuführen. Intersexuellen Menschen sollte damit ermöglicht werden, ihre geschlechtliche Identität eintragen zu lassen und damit Teilhabe am gesellschaftlichen Leben zu ermöglichen. Zur Begründung verwies das Gericht auf das im Grundgesetz geschützte Persönlichkeitsrecht. Die aktuell geltende Regelung sei mit den grundgesetzlichen Anforderungen insoweit nicht vereinbar, als dass es neben „weiblich" oder „männlich" keine dritte Möglichkeit bietet, ein Geschlecht eintragen zu lassen. Der Gesetzgeber musste nun bis Ende 2018 eine Neuregelung schaffen, in der sie eine Bezeichnung für ein drittes Geschlecht aufnimmt – „divers“.
Schulen als bedeutende soziale Einrichtungen sind nun gefordert, will man die Leitperspektiven der Diversität im Bildungsbereich und damit in der Gesellschaft beibehalten. Schulen stellen Arbeitsfeld, Lebenswelt und Lernumfeld für viele Generationen dar und besitzen damit immer eine gesellschaftliche Vorbildfunktion, wobei Diversität zum stets allgegenwärtigen Imperativ geworden ist. Als Avantgarde müssen Schulen deshalb gerade in gesellschaftlichen Fragen voranschreiten und gleichsam Verantwortung für die Entwicklungen und Lösung wichtiger ethischer Fragen übernehmen ohne dabei die Vermittlung traditioneller Werte und Normen als eine ihrer zentralen Funktionen aufzugeben. Diesen anspruchsvollen Spagat zu vollziehen bleibt konstante Herausforderung der Schulentwicklung.
Mit Vielfalt umgehen bedeutet im schulischen Kontext vor allem neben gegenseitiger Anerkennung und Respekt auch, dass das Zusammenleben der Menschen durch die Eröffnung alternativer Wahrnehmungs-, Denk- und Handlungsansätze bereichert wird. Der Beschluss des Bundesverfassungsgerichts ist folglich in besonderer Weise an Schulen gerichtet.
Doch wie kann dieser Weg erfolgreich und nachhaltig eingeschlagen werden?
Bei Betrachtung der zahlreichen Publikationen zum Thema Gender und Schule sowie der wenigen Entwicklungen in den letzten Jahren wird augenscheinlich, dass das deutsche Schulsystem für die Umsetzung der Entscheidung des Bundesverfassungsgerichts vom 10.10.2017 (1BvR 2019/16) systemisch und strukturell nicht vorbereitet ist.
Daraus lassen sich die Forschungsfragen dieser Promotionsarbeit formulieren:
- Wie verhält sich Schule zum Diskurs des dritten Geschlechts?
- Was sind aus Sicht schulischer Akteure Gelingensbedingungen für eine erfolgreiche Sichtbarmachung des dritten Geschlechts an Schulen?
Es soll in der Arbeit mittels empirischer Untersuchungen eingehend verdeutlicht werden, welche Gelingens- bzw. Misslingensfaktoren bei der Implementierung eines dritten Geschlechts eine Rolle spielen und unter welchen Voraussetzungen überhaupt Schule als Organisation auf die Sichtbarmachung intergeschlechtlicher Kinder und Jugendliche vorbereit ist.
I) Die Untersuchungen zum vakuolären Malat-Carrier AtTDT unterstützen die Annahme, dass seine Aktivität in den Schließzellen zum Öffnen und Schließen der Stomata beiträgt. Zudem erhöht wahrscheinlich die Aktivität von TDT in den Mesophyllzellen die Stomata-Dichte und den Stomata-Index. Im Rahmen einer osmotischen Anpassung vermittelt der Transporter eine Malat-Akkumulation, die in den TDT-Knockout-Mutanten beeinträchtigt ist und durch erhöhte Citrat-Gehalte kompensiert wird. Darüber hinaus beschleunigt TDT unter Kurztag-Bedingungen den Eintritt in die generative Phase. Eine Funktion von TDT in der Salztoleranz kann nach metabolischen und phänotypischen Analysen ausgeschlossen werden. II) Die tonoplastidären Monosaccharid-Transporter regulieren bei Kälte in Blättern nicht nur die Monosaccharid-Gehalte, sondern wirken auch positiv auf Photosynthese und Stärkegehalte. Das Ausschalten der TMT-Gene führt unter den gewählten Kältebedingungen zu einer erhöhten Synthese von Saccharose und zu einer gesteigerten Respirationsrate. Insbesondere unter Wassermangel wirkt sich die Aktivität der tonoplastidären Monosaccharid-Transporter positiv auf die Keimungsrate aus. III) Die Bestimmung von Zuckergehalten in Blättern indiziert, dass die tonoplastidären Transportproteine AtERD6.7 und BvIMP Glukose aus der Vakuole transportieren, während AtERD6.5 womöglich Fruktose aus der Vakuole transportiert. Als Transportmechanismus wird aufgrund der Homologie zu den GLUT-Proteinen eine erleichterte Diffusion angenommen. Die Aktivität der Carrier scheint insbesondere nach Kältephasen von Bedeutung zu sein, wenn vakuolär gespeicherte Zucker mobilisiert werden. ERD6.7 fördert gemäß den durchgeführten Keimungstests die Samen-Dormanz.
Der Verbund Norddeutscher Universitäten (VNU) verfolgt u.a. das Ziel der Verbesserung von Studium und Lehre an den Mitgliedsuniversitäten durch universitätsübergreifende Kooperation und Bündelung von Kompetenzen im Bereich der Qualitätssicherung und -entwicklung.In diese projektorientierte Zusammenarbeit reiht sich auch das jüngste Vorhaben ein. An einigen Verbunds-Universitäten wurden bereits Monitoringsysteme entwickelt und erprobt und positive Erfahrungen bezüglich der Einbindung von Studienverlaufsstatistiken in die Prozesse der Studiengang- und Qualitätsentwicklung gemacht. Bislang gab es hierzu jedoch keinen systematischen Austausch und die Vergleichbarkeit der daraus hervorgehenden Kennzahlen und Indikatoren war nicht unmittelbar gegeben, aufgrund der Individualität der entwickelten Verfahren. Vor diesem Hintergrund wurde im Juni 2018 die Arbeitsgruppe Datenmonitoring ins Leben gerufen mit dem Ziel, vor allem den Studienfächern die Möglichkeit zu eröffnen, sich über die Mitgliedsuniversitäten hinweg kennzahlenbasiert miteinander zu vergleichen.
Within toxicology, reproductive toxicology is a highly relevant and socially particularly sensitive field.
It encompasses all toxicological processes within the reproductive cycle and therefore includes many effects and modes of action. This makes the assessment of reproductive toxicity very challenging despite the established in vivo studies. In addition, the in vivo studies are very demanding both in terms of their conduct and interpretation, and there is scope for decision-making on both aspects. As a result, the interpretation of study results may vary from laboratory to laboratory. For the final classification, the assessment of relevance for men is decisive. The problem here is that relatively little is known about the species differences between men and the
usual test animals (rat and rabbit). The rabbit in particular has hardly been researched in molecular biology. The aim of the dissertation was to develop approaches for a better assessment of
reproductive toxicity, with two different foci: The first aim was to investigate species differences, focusing on the expression of xenobiotic transporters during ontogeny. Xenobiotic transporters, of the superfamily of ATP-binding cassette transporters (ABC) or solute carriers (SLC), are known to transport exogenous substances in
addition to their endogenous substrates and therefore play an important role in the absorption, distribution and excretion of xenobiotics. Species differences in kinetics can in turn have a major
impact on toxic effects. In the study, the expression of 20 xenobiotic transporters during ontogeny was investigated at the mRNA level in the liver, kidney and placenta of rats and rabbits and compared with that of men. This revealed major differences in the expression of the transporters between the species. However, further studies on the functionality and activity of the xenobiotic transporters are needed to fully assess the kinetic impact of the observed species differences. Overall, the study provides a valid starting point for further systematic investigations of species differences at the protein level. Furthermore, it provides previously unavailable data on the expression of xenobiotic transporters during ontogeny in rabbits, which is an important step in the molecular biological study of this species.
The second part focused on investigating the predictive power of in silico models for reproductive
toxicology in relation to pesticides. Both the commercial and the freely available models did not
perform adequately in the evaluation. Three reasons could be identified for this: 1. many pesticides
are outside the chemical space of the models, 2. different definition/assessment of reproductive
toxicity and 3. problems in detecting similarity between molecules. To solve these problems, an
extension of the databases on reproductive toxicity in relation to pesticides, respecting a uniform
nomenclature, is needed. Furthermore, endpoint-specific models should be developed which, in
addition to the usual structure-based fingerprints, use descriptors for, for example, biological
activity.
Overall, the dissertation shows how essential it is to further research the modes of action of
reproductive toxicity. This knowledge is necessary to correctly assess in vivo studies and their
relevance to men, as well as to improve the predictive power of in silico models by incorporating
this information.