„Die Grenzen meiner Sprache bedeuten die Grenzen meiner Welt.“, schrieb der österreichisch-englische Philosoph Ludwig Wittgenstein (1922). Das Beherrschen der Schriftsprache wurde in der neuhumanistischen Bildungstheorie nach Wilhelm von Humboldt (Humboldt & Menze, 1997) in den Mittelpunkt der Bildungsprozesse gestellt. Bildung kann daher nur dann gelingen, wenn die Schriftsprache beherrscht wird. Dabei wird Bildung als eine Art lebenslanges Lernen verstanden, in dem es darum geht, die Funktionsweisen der Gesellschaft und der Welt in der wir leben, zu verstehen und dahingegen zu handeln (Otto, 2007). Mit dem erfolgreichen Schriftspracherwerb und dem sicheren Umgang mit der Schriftsprache ist eine Art Teilhabe am „kulturellen Gedächtnis“ so Assmann (2007) sowie an gegenwärtigen Prozessen. Nicht für alle Kinder verläuft der Erwerb der Schriftsprache ohne Schwierigkeiten. In der ersten PISA-Studie aus dem Jahr 2000 lag der Prozentsatz leseschwacher Kinder in Deutschland bei ca. 24 Prozent (OECD, 2001). Dieser verringerte sich zwar in der PISA-Studie im Jahr 2015 auf rund 16 Prozent (PISA 2015 Results (Volume V), 2017). Die Ergebnisse der aktuellen PISA-Studie sind jedoch ernüchternd. In Bezug auf die Lesekompetenz ist der Anteil der leseschwachen Kinder auf 21 Prozent gestiegen, an Gymnasien sogar auf 29 Prozent (OECD, 2019). Auch Fischbach und Kollegen (Fischbach et al., 2013) fanden bei ihrer Studie im deutschsprachigen Raum heraus, dass 18 Prozent aller Grundschüler1 erhebliche Schwierigkeiten im Lesen und Schreiben aufweisen. Stellen sich erste Schwierigkeiten beim Erlernen des Lesens und Schreibens ein, muss eine zeitige Förderung der betroffenen Kinder an erster Stelle stehen. An diesem Punkt setzt das computerbasierte Trainingsprogramm Lautarium (Klatte, Steinbrink, Bergström, & Lachmann, 2017) an, indem es Lehrern, Eltern, Therapeuten und den betroffenen Kindern ein Werkzeug an die Hand gibt, welches sich bereits in mehreren Studien als wirksam erwiesen hat (einen Überblick bietet Klatte et al., 2017). Entwickelt wurde dieses Programm im Zuge eines Drittmittelprojekts mit dem Schwerpunkt „Entwicklungsstörungen schulischer Fertigkeiten“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Die hier durchgeführte Studie befasst sich mit den Effekten des Trainings mit dem computerbasierten Förderprogramms Lautarium auf die phonologischen und schriftsprachlichen Leistungen von Zweitklässlern mit Lese-Rechtschreibschwierigkeiten. Lautarium basiert auf aktuellen Forschungserkenntnissen zur Bedeutung der phonologischen Verarbeitung für den Schriftspracherwerb und umfasst aufeinander aufbauende Übungen zur Phonemwahrnehmung, phonologischen Bewusstheit und Graphem-Phonem-Zuordnung, zum Lesen und Schreiben lautgetreuer Wörter und zur schnellen Worterkennung. Zwar hat sich das Trainingsprogramm bereits in mehreren Studien als wirksam erwiesen, in der jetzigen Studie wird die Wirksamkeit jedoch erstmals im Rahmen eines randomisierten kontrollierten Designs (randomized controlled trial, RCT, „Goldstandard“ der klinischen Forschung) geprüft (Borah, Moriarty, Crown, & Doshi, 2014; Kaptchuk, 2001). Es wurde zunächst ein klassisches Prätest-Posttest-Follow-up–Design realisiert, um kurz- und langfristige Effekte des Lautarium-Trainings zu erfassen (Studienteil 1: Vortest bis Nachtest 2). Eine Gruppe von Kindern (n= 24) bearbeitete das Lautarium-Training, die andere Gruppe (n= 31) ein computerbasiertes Denktraining (Lenhard, Lenhard & Klauer, 2011). Das Training erfolgte täglich etwa 20 Minuten über mehrere Wochen im Rahmen des differenzierenden Unterrichts. Im Anschluss an den Follow-upTest arbeiteten die Gruppen mit dem jeweils anderen Programm, danach folgte ein weiterer, abschließender Nachtest 3 (Studienteil 2: bis Nachtest 3, n= 44). Studienteil 1 bestätigte signifikante und teilweise anhaltende Effekte des LautariumTrainings auf Untertests zur phonologischen Bewusstheit, zum Lesen und zur Rechtschreibung. Die in früheren Studien gezeigten Effekte ließen sich somit auch im Rahmen eines RCT-Designs replizieren. In Studienteil 2 zeigten sich signifikante Effekte auf die phonologische Bewusstheit. Abschließend werden Potentiale und Grenzen des Einsatzes von Lautarium im differenzierenden Unterricht diskutiert.

Subject of this thesis is the investigation of photo-induced ultrafast elementary processes within the electronic excited-state manifold in mass-selected multinuclear coinage metal complexes (CMCs) in the gas phase. The chief objective is to ascertain how the intramolecular deactivation dynamics and gas phase reactivity are influenced by so-called metallophilic interactions between multiple d^10/d^8 metal centers, which in turn give rise to metal-delocalized electronic transitions. To this end, suitable molecular precursor ions were transferred into the gas phase by electrospray ionization (ESI) and subsequently isolated, activated, and finally analyzed in a Paul-type quadrupole ion trap (QIT) mass spectrometer. The QIT is modified to accept UV/Vis/NIR irradiation from a femtosecond laser setup. By combining several ion trap-based ion activation techniques and electronic photodissociation (PD) spectroscopy, the fragmentation pathways, as well as intrinsic optical properties (electronic PD spectra) of ionic CMCs are explored. In addition, the unconventional time-resolved transient photodissociation (t-PD) method, based on a femtosecond pump-probe excitation scheme, was employed for the first time on CMC ions in isolation, in order to elucidate their intrinsic photodynamics. This thesis mainly comprises five publications, covering the mass spectrometric and laser spectroscopic characterization of multinuclear Ag(I), Au(I), and Pt(II) based ionic complexes.

In recent years, business intelligence applications become more real-time and traditional data warehouse tables become fresher as they are continuously refreshed by streaming ETL jobs within seconds. Besides, a new type of federated system emerged that unifies domain-specific computation engines to address a wide range of complex analytical applications, which needs streaming ETL to migrate data across computation systems. From daily-sales reports to up-to-the-second cross-/up-sell campaign activities, we observed various latency and freshness requirements set in these analytical applications. Hence, streaming ETL jobs with regular batches are not flexible enough to fit in such a mixed workload. Jobs with small batches can cause resource overprovision for queries with low freshness needs while jobs with large batches would starve queries with high freshness needs. Therefore, we argue that ETL jobs should be self-adaptive to varying SLA demands by setting appropriate batches as needed. The major contributions are summarized as follows. • We defined a consistency model for “On-Demand ETL” which addresses correct batches for queries to see consistent states. Furthermore, we proposed an “Incremental ETL Pipeline” which reduces the performance impact of on-demand ETL processing. • A distributed, incremental ETL pipeline (called HBelt) was introduced in distributed warehouse systems. HBelt aims at providing consistent, distributed snapshot maintenance for concurrent table scans across different analytics jobs. • We addressed the elasticity property for incremental ETL pipeline to guarantee that ETL jobs with batches of varying sizes can be finished within strict deadlines. Hence, we proposed Elastic Queue Middleware and HBaqueue which replace memory-based data exchange queues with a scalable distributed store - HBase. • We also implemented lazy maintenance logic in the extraction and the loading phases to make these two phases workload-aware. Besides, we discuss how our “On-Demand ETL” thinking can be exploited in analytic flows running on heterogeneous execution engines.

Das Instandsetzungsprinzip W-Cl bzw. die Instandsetzungsverfahren 7.7 und 8.3 stellen im Vergleich zu konventionellen Instandsetzungsprinzipien technisch und wirtschaftlich interessante Verfahren zur Instandsetzung von chloridbelasteten Betonbauteilen dar. Die Verfahren beruhen auf der Absenkung des Wassergehaltes (W) im Bereich des chloridkontaminierten Betons (Cl), welche durch die Applikation einer Oberflächenschutzbeschichtung erreicht wird. Durch die Beschichtung soll ein intermittierendes Eindringen von Chloriden unterbunden und die Initiierung von Bewehrungskorrosion verhindert werden. Ungeklärte Fragen hinsichtlich der Wirksamkeit der Verfahren und daraus resultierende Anwendungsbeschränkungen in den maßgebenden Regelwerken haben eine praxisgerechte Anwendung der Verfahren bis dato kaum möglich gemacht. Ziel dieser Arbeit war es im Rahmen von grundlegenden Untersuchungen die Mechanismen des Instandsetzungsprinzips W-Cl bzw. der Instandsetzungsverfahren 7.7 und 8.3 besser zu verstehen, um damit einen Beitrag zur Schaffung der erforderlichen Grundlagen für eine breitere Anwendung der Verfahren in der Praxis zu leisten. Im Fokus stand dabei die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der Chloridumverteilung nach Applikation einer Oberflächenschutzbeschichtung. Hierzu wurde zunächst ein mathematisches Modell mit einer in sich geschlossenen analytischen Lösung entwickelt, mit dessen Hilfe die Chloridumverteilung unter Annahme einer vollständigen Wassersättigung des Betons nach Applikation einer systemabdichtenden Oberflächenschutz-beschichtung berechnet werden kann. Daran anknüpfend wurde der Einfluss der infolge der Anwendung des Instandsetzungsprinzips W-Cl bzw. der Instandsetzungsverfahren 7.7 und 8.3 zu erwartenden Austrocknung des Betons auf die Chloridumverteilung im abgedichteten System untersucht. Auf Basis von eigenen Untersuchungen und darauf aufbauenden numerischen Berechnungen wurden materialspezifische Abminderungsfunktionen entwickelt, die die Abhängigkeit des Chloriddiffusionskoeffizienten von der Umgebungsfeuchte beschreiben. Abschließend wurden auf Grundlage einer Parameterstudie allgemeingültige Grenzwerte für Randbedingungen hergeleitet, bis zu denen eine Instandsetzung nach dem Verfahren 7.7 angewendet werden kann, ohne dass im Zuge der Chloridumverteilung der kritische korrosionsauslösende Chloridgehalt auf Höhe der Bewehrung im geplanten Restnutzungszeitraum überschritten wird. Ein Großteil der dieser Arbeit zu Grunde liegenden Untersuchungen erfolgte im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes „Anwendungsgrenzen des Instandsetzungsprinzip W-Cl“.

This thesis is concerned with the modeling of the solid-solid phase transformation, such as the martensitic transformation. The allotropes austenite and martensite are important for industry applications. As a result of its ductility, austenite is desired in the bulk, as opposed to martensite, which desired in the near surface region. The phase field method is used to model the phase transformation by minimizing the free energy. It consists of a mechanical part, due to elastic strain and a chemical part, due to the martensitic transformation. The latter is temperature dependent. Therefore, a temperature dependent separation potential is presented here. To accommodate multiple orientation variants, a multivariant phase field model is employed. Using the Khachaturyan approach, the effective material parameters can be used to describe a constitutive model. This however, renders the nodal residual vector and elemental tangent matrix directly dependent on the phase, making a generalization complicated. An easier approach is the use of the Voigt/Taylor homogenization, in which the energy and their derivatives are interpolated creating an interface for material law of the individual phases.

In this dissertation, I will present the studies conducted during my doctoral studies. In spite of a lot of research in the last decades, the complex cognitive processes underlying human memory are not fully unraveled. Furthermore, the development of neuroscientific methods like functional mag-netic resonance imaging (fMRI) and event-related potentials (ERPs) have further build a founda-tion for new insights. Naturally, the utilization of these techniques led to further adaptation of both these techniques and the paradigms in which they have been employed. This can be observed in the research literature on episodic memory retrieval. Familiarity and recollection, have been found to be the chief factors at play during memory retrieval. The two processes have been thoroughly characterized in several studies and reviews (e.g., Mecklinger, 2000; Rugg & Curran, 2007; Yonelinas, 2002; Zimmer & Ecker, 2010), yet there are still open questions that have to be ad-dressed by researchers in this field (c.f., Leynes, Bruett, Krizan, & Veloso, 2017; MacLeod & Donaldson, 2017). In order to answer these questions, we conducted several studies during my doctoral studies. In Study 1, we developed a paradigm to investigated episodic memory using ERPs. In the study phase, pictorial stimuli were presented which at test were either perceptually identical, perceptually changed, or entirely new. Data collected from a sample of young adults revealed that the paradigm was suitable to elicit ERP correlates of both familiarity and recollection. As the newly developed paradigm yielded similar results as existing literature, we then applied this paradigm in two devel-opmental populations, second-graders and fifth-graders. According to the ERPs, the younger chil-dren seemed to rely on recollection alone, whereas ERPs of older children suggested the use of familiarity for perceptually identical items and only after intentional encoding. In a follow-up study two years later, we used the results from both studies to only slightly refine the paradigm, again administering it to young adults. In this study, Study 3, we found that ERP correlates were much smaller than in the earlier studies, hence we used a data-driven approach to detect time windows of interest. In spite of the large body of research on episodic memory, these studies serve to demon-strate that episodic memory is a complex interplay of several contributing cognitive processes which need to assessed carefully in order to unravel the key factors at play during familiarity and recollection.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine lokale Version des Programmpakets Turbomole um eine Methode zu erweitern, die die Berechnung elektronischer Anregungsenergien und Übergangsmomente unter Berücksichtigung der Spin-Bahn-Wechselwirkung mit Hilfe quasirelativistischer zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (TD-DFT) ermöglicht. Dazu wurde ein bereits existierender zweikomponentiger TD-DFT-Ansatz verwendet und so erweitert, dass auch offenschalige Systeme mit gradientenkorrigier ten Funktionalen berechnet werden können. Die gewählte Implementierung ist unabhängig von der zweikomponentigen Methode, die Tatsache, dass die Molekülorbitale in einem quasirelativistischen Formalismus durch zweikomponentige, komplexe Spinoren dargestellt werden, erforderte jedoch die weitestgehende Verwendung komplexer Arithmetik. Des Weiteren wurde das Verhalten des implementierten Austausch-Korrelations-Kernels (XC-Kernel), die Schlüsselgröße der TD-DFT, für kleine Spindichten untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die numerische Berechnung der Matrixelemente des XC-Kernels an Punkten des Integrationsgitters, für die die Spindichte gegen null geht, ihr Gradient hingegen nicht, durchaus problematisch ist und eine Regularisierung des XC-Kernels erfordert. Alternativen zur Regularisierung, wie beispielsweise die Verwendung eines Kernels ohne Gradiententerme oder Modifikationen am Funktional selbst, sind in der Literatur bekannt, im Rahmen dieser Arbeit konnte jedoch ein Ansatz entwickelt werden, der keine Veränderungen am Funktional erfordert und die Verwendung eines Kernels mit Gradientenkorrektur ermöglicht. Dazu wurde das Integrationsgitter in zwei Bereiche, abhängig von der Spindichte und ihrem Gradienten, eingeteilt. In den jeweiligen Bereichen wird nun zur Berechnung der Matrixelemente entweder der XC-Kernel für offen- oder geschlossenschalige Systeme verwendet. Für einen möglichst „glatten“ Übergang zwischen den beiden Bereichen wurde ein weiterer Bereich definiert, in dem ein mit einer Umschaltfunktion gewichteter Mittelwert beider Grenzfälle verwendet wird. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Programm ist es nun möglich, basierend auf einer zweikomponentigen Rechnung am offen- oder geschlossenschaligen Grundzustand, TD-DFT-Rechnungen mit gängigen Standarddichtefunktionalen durchzuführen. Da sowohl spinerhaltende als auch spin flip Anregungen berücksichtigt werden, erhält man mit einem Eindeterminantenansatz Informationen, die sonst nur mit Hilfe von deutlich aufwendigeren Mehrdeterminantenansätzen zugänglich sind.

Simplified ODE models describing blood flow rate are governed by the pressure gradient. However, assuming the orientation of the blood flow in a human body correlates to a positive direction, a negative pressure gradient forces the valve to shut, which stops the flow through the valve, hence, the flow rate is zero, whereas the pressure rate is formulated by an ODE. Presence of ODEs together with algebraic constraints and sudden changes of system characterizations yield systems of switched differential-algebraic equations (swDAEs). Alternating dynamics of the heart can be well modelled by means of swDAEs. Moreover, to study pulse wave propagation in arteries and veins, PDE models have been developed. Connection between the heart and vessels leads to coupling PDEs and swDAEs. This model motivates to study PDEs coupled with swDAEs, for which the information exchange happens at PDE boundaries, where swDAE provides boundary conditions to the PDE and PDE outputs serve as inputs to swDAE. Such coupled systems occur, e.g. while modelling power grids using telegrapher’s equations with switches, water flow networks with valves and district heating networks with rapid consumption changes. Solutions of swDAEs might include jumps, Dirac impulses and their derivatives of arbitrary high orders. As outputs of swDAE read as boundary conditions of PDE, a rigorous solution framework for PDE must be developed so that jumps, Dirac impulses and their derivatives are allowed at PDE boundaries and in PDE solutions. This is a wider solution class than solutions of small bounded variation (BV), for instance, used in where nonlinear hyperbolic PDEs are coupled with ODEs. Similarly, in, the solutions to switched linear PDEs with source terms are restricted to the class of BV. However, in the presence of Dirac impulses and their derivatives, BV functions cannot handle the coupled systems including DAEs with index greater than one. Therefore, hyperbolic PDEs coupled with swDAEs with index one will be studied in the BV setting and with swDAEs whose index is greater than one will be investigated in the distributional sense. To this end, the 1D space of piecewise-smooth distributions is extended to a 2D piecewise-smooth distributional solution framework. 2D space of piecewise-smooth distributions allows trace evaluations at boundaries of the PDE. Moreover, a relationship between solutions to coupled system and switched delay DAEs is established. The coupling structure in this thesis forms a rather general framework. In fact, any arbitrary network, where PDEs are represented by edges and (switched) DAEs by nodes, is covered via this structure. Given a network, by rescaling spatial domains which modifies the coefficient matrices by a constant, each PDE can be defined on the same interval which leads to a formulation of a single PDE whose unknown is made up of the unknowns of each PDE that are stacked over each other with a block diagonal coefficient matrix. Likewise, every swDAE is reformulated such that the unknowns are collected above each other and coefficient matrices compose a block diagonal coefficient matrix so that each node in the network is expressed as a single swDAE. The results are illustrated by numerical simulations of the power grid and simplified circulatory system examples. Numerical results for the power grid display the evolution of jumps and Dirac impulses caused by initial and boundary conditions as a result of instant switches. On the other hand, the analysis and numerical results for the simplified circulatory system do not entail a Dirac impulse, for otherwise such an entity would destroy the entire system. Yet jumps in the flow rate in the numerical results can come about due to opening and closure of valves, which suits clinical and physiological findings. Regarding physiological parameters, numerical results obtained in this thesis for the simplified circulatory system agree well with medical data and findings from literature when compared for the validation

Das primäre Ziel der vorliegenden Dissertation war es, vertiefte Kenntnisse über die Luftpermeabilität von ultrahochfesten Betonen (engl. UHPC) zu erlangen. Auf Grundlage von experimentellen Untersuchungen wurden herstellungsbedingte sowie lagerungsbedingte Parameter erforscht, welche die Luftpermeabilität beeinflussen können. Von einem großen Interesse bei diesen Untersuchungen war die Beobachtung der Permeabilitätsänderung über die Zeit an drei UHPC-Mischungen mit verschiedenen Zusammensetzungen bei unterschiedlichem Betonalter (28, 90, 180 und 365 Tage). Darüber hinaus wurden potenzielle Korrelationen zwischen der Permeabilität und anderen Kennwerten des UHPC untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein neu an der Technischen Universität Kaiserslautern entwickeltes und validiertes Messverfahren zur Bestimmung des Permeabilitätskoeffizienten ultrahochfester Betone verwendet. Insgesamt zeigten die Untersuchungsergebnisse, dass sowohl die Wärmebehandlung als auch die Wasserlagerung effiziente Maßnahmen zur Permeabilitätsreduktion sind. Die Untersuchungen zum Langzeitverhalten (bis 365 Tagen) deuteten auf einen wesentlichen Zusammenhang zwischen der Permeabilität und der vorgenommenen Nachbehandlung im jungen Betonalter (28 Tage) hin. Darüber hinaus nahm die Permeabilität unter Frost-Tau-Beanspruchung ab, was den hohen Widerstand von UHPC gegenüber solchen Expositionen erklärt. Die hervorragenden Eigenschaften von UHPC eröffnen ein breites Spektrum neuer Anwendungsgebiete. Die sehr niedrige Luftdurchlässigkeit von UHPC ermöglicht dessen Verwendung im Bereich der Vakuumisolationspaneele (VIP). Diese Art der Vakuumdämmung weist ca. 1/5 bis 1/10 der Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu konventionellen Dämmungen auf, bei gleichzeitig sehr geringer Dicke (2 – 3 cm). Infolge des im Paneel erzeugten Vakuums wird der Wärmetransport durch Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung wesentlich behindert. Auf der Grundlage der aus den experimentellen Untersuchungen gewonnenen Permeabilitätswerte wurde eine kritische Beurteilung der Anwendbarkeit von UHPC als vakuumisoliertes Element vorgenommen.

We study a multi-scale model for growth of malignant gliomas in the human brain. Interactions of individual glioma cells with their environment determine the gross tumor shape. We connect models on different time and length scales to derive a practical description of tumor growth that takes these microscopic interactions into account. From a simple subcellular model for haptotactic interactions of glioma cells with the white matter we derive a microscopic particle system, which leads to a meso-scale model for the distribution of particles, and finally to a macroscopic description of the cell density. The main body of this work is dedicated to the development and study of numerical methods adequate for the meso-scale transport model and its transition to the macroscopic limit.

The famous Mather-Yau theorem in singularity theory yields a bijection of isomorphy classes of germs of isolated hypersurface singularities and their respective Tjurina algebras. This result has been generalized by T. Gaffney and H. Hauser to singularities of isolated singularity type. Due to the fact that both results do not have a constructive proof, it is the objective of this thesis to extract explicit information about hypersurface singularities from their Tjurina algebras. First we generalize the result by Gaffney-Hauser to germs of hypersurface singularities, which are strongly Euler-homogeneous at the origin. Afterwards we investigate the Lie algebra structure of the module of logarithmic derivations of Tjurina algebra while considering the theory of graded analytic algebras by G. Scheja and H. Wiebe. We use the aforementioned theory to show that germs of hypersurface singularities with positively graded Tjurina algebras are strongly Euler-homogeneous at the origin. We deduce the classification of hypersurface singularities with Stanley-Reisner Tjurina ideals. The notion of freeness and holonomicity play an important role in the investigation of properties of the aforementioned singularities. Both notions have been introduced by K. Saito in 1980. We show that hypersurface singularities with Stanley--Reisner Tjurina ideals are holonomic and have a free singular locus. Furthermore, we present a Las Vegas algorithm, which decides whether a given zero-dimensional \(\mathbb{C}\)-algebra is the Tjurina algebra of a quasi-homogeneous isolated hypersurface singularity. The algorithm is implemented in the computer algebra system OSCAR.

Aufgrund der Endlichkeit fossiler Energieträger gewinnen erneuerbare Energien wie Solarenergie zukünftig immer mehr an Bedeutung. Zum einen kann die solare Strah-lung mittels Photovoltaik direkt in elektrischen Strom ungewandelt werden, zum ande-ren kann die Wärme infolge der Sonnenstrahlung in solarthermischen Kraftwerken genutzt werden. Dabei wird die Strahlung punktförmig (Heliostatenkraftwerk) oder li-nienförmig (Parabolrinnenkraftwerk) auf einen Receiver reflektiert. Bei Rinnenkraft-werken ist dieser mit einem thermischen Öl gefüllt, welches erwärmt wird. Der dabei entstehende Dampf wird in einem angehängten industriellen Prozess zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt. Allerdings bestehen diese Rinnensysteme überwie-gend aus aufwendigen, kleinteiligen Stahlfachwerken, deren Montage kostenintensiv ist. Die Standorte solcher Rinnenkraftwerke liegen meist in Wüstenregionen, die korrosive Umgebungsbedingungen für den Stahl aufweisen können. Zudem müssen bei der Er-richtung einer Kraftwerksanlage alle notwendigen Fachwerkelemente über längere Distanzen zu den oftmals abgelegenen Standorten transportiert werden. Für eine effizientere Auslegung solcher Parabolrinnensysteme entstand die Idee einer optimierten Systemstruktur aus Hochleistungsbeton. Das neuartige Konzept umfasst sowohl eine filigrane Tragstruktur für eine effektive Rinnenherstellung direkt am Aufstel-lungsort, als auch eine geometrische Optimierung, die eine effiziente Sonnennachver-folgung der dünnwandigen Betonschale sicherstellt. Hierfür wurden spezielle Verzah-nungen aus Hochleistungsbeton entwickelt, die in einem direkten Reibkontakt zueinan-der stehen. Dieser verursacht infolge der Sonnennachverfolgung Reibung und Ver-schleiß an den Verzahnungen. Ziel dieser Arbeit ist sowohl die Auslegung als auch die Untersuchung des Abrieb- und Verschleißverhaltens von Verzahnungen aus Hochleistungsbeton für Parabolrinnen. Weitere Anwendungsgebiete bei denen hohe Kräfte bei kleinen Drehzahlen übertragen werden müssen sind denkbar (z. B. bei Zahnrädern für Schleusentore). Zuerst werden die theoretischen Grundlagen im Bereich von Parabolrinnensystemen wiedergegeben sowie Erkentnisse über die Verschleißmechanismen bei direktem Reib-kontakt von Betonoberflächen erläutert. Mit der detaillierten Darstellung zur Konstrukti-on und Bemessung von gängigen Maschinenbauverzahnungen wird, für eine optimale Zahnradauslegung, eine interdisziplinäre Wissensverknüpfung geschaffen. In ausge-wählten experimentellen Reibversuchen an Betonplatten sollen genaue Aufschlüsse über das Abriebverhalten des verwendeten Hochleistungsbetons geschaffen werden, welche letztendlich zu einer Auslegung von Verzahnungen aus Hochleistungsbeton führen. Diese Auslegung wird durch FE-Simulationen ergänzt, die Informationen zu den Schwindverformungen der Verzahnung und den auftretenden Spannungen berücksich-tigen. Abschließend wird anhand eines Großdemonstrators die generelle Umsetzbarkeit eines Parabolrinnensystems mit einer Verzahnung aus Hochleistungsbeton gezeigt.

In the avionics domain, “ultra-reliability” refers to the practice of ensuring quantifiably negligible residual failure rates in the presence of transient and permanent hardware faults. If autonomous Cyber- Physical Systems (CPS) in other domains, e.g., autonomous vehicles, drones, and industrial automation systems, are to permeate our everyday life in the not so distant future, then they also need to become ultra-reliable. However, the rigorous reliability engineering and analysis practices used in the avionics domain are expensive and time consuming, and cannot be transferred to most other CPS domains. The increasing adoption of faster and cheaper, but less reliable, Commercial Off-The-Shelf (COTS) hardware is also an impediment in this regard. Motivated by the goal of ultra-reliable CPS, this dissertation shows how to soundly analyze the reliability of COTS-based implementations of actively replicated Networked Control Systems (NCSs)—which are key building blocks of modern CPS—in the presence of transient hard- ware faults. When an NCS is deployed over field buses such as the Controller Area Network (CAN), transient faults are known to cause host crashes, network retransmissions, and incorrect computations. In addition, when an NCS is deployed over point-to-point networks such as Ethernet, even Byzantine errors (i.e., inconsistent broadcast transmissions) are possible. The analyses proposed in this dissertation account for NCS failures due to each of these error categories, and consider NCS failures in both time and value domains. The analyses are also provably free of reliability anomalies. Such anomalies are problematic because they can result in unsound failure rate estimates, which might lead us to believe that a system is safer than it actually is. Specifically, this dissertation makes four main contributions. (1) To reduce the failure rate of NCSs in the presence of Byzantine errors, we present a hard real-time design of a Byzantine Fault Tolerance (BFT) protocol for Ethernet-based systems. (2) We then propose a quantitative reliability analysis of the presented design in the presence of transient faults. (3) Next, we propose a similar analysis to upper-bound the failure probability of an actively replicated CAN-based NCS. (4) Finally, to upper-bound the long-term failure rate of the NCS more accurately, we propose analyses that take into account the temporal robustness properties of an NCS expressed as weakly-hard constraints. By design, our analyses can be applied in the context of full-system analyses. For instance, to certify a system consisting of multiple actively replicated NCSs deployed over a BFT atomic broadcast layer, the upper bounds on the failure rates of each NCS and the atomic broadcast layer can be composed using the sum-of-failure-rates model.

Das Kniegelenk ist mitunter die am häufigsten betroffene Struktur bei Sportverletzungen, deren Auswirkungen nachhaltig die sportliche Leistung beeinträchtigen können. Für eine dynamische Kniestabilität sind neben einer kräftigen kniegelenksumgreifenden und hüftumgebenden Muskulatur eine optimale Oberkörperstabilität erforderlich, da eine erhöhte laterale Oberkörperneigung in erhöhten Knieabduktionswinkeln und -momenten resultieren kann. Die Hüftmuskulatur agiert als Bindeglied zwischen Oberkörper und unteren Extremitäten, beeinflusst die mechanische Kopplung und kann bei einer Schwäche in einer Veränderung des Schwerelots mit einhergehender Instabilität resultieren. Weiterhin beeinflusst die neuromuskuläre Kontrolle die Gesamtstabilität bei sportlichen Bewegungen, wobei die Ko-Kontraktion der ventralen und dorsalen Oberkörperseite in diesem Zusammenhang noch nicht untersucht wurde. Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur Aufklärung der Kniestabilität bei verletzungsrelevanten Bewegungen unter systematischer Variation von Belastungsstufen geleistet sowie ein besseres Verständnis der mechanischen Kopplung mit Implikationen zu geeigneten Screening-Verfahren und Trainingsinterventionen erlangt werden. Forschungsdefizite aufgreifend, wurde eine 3D Bewegungsanalyse bei sportlich Aktiven und Judoka konzipiert, die (a) die Erfassung kinematischer, kinetischer und elektromyographischer Indikatoren integrierte, (b) die untere Extremität und den Oberkörper einbezog und die (c) verschiedene repräsentative Bewegungsaufgaben beinhaltete und systematisch variierte: Landungen und Sprünge, ein- und beidbeinig, vertikal und lateral, stabiler und instabiler Untergrund sowie dabei jeweils systematische Variation der Fall- bzw. Sprungdistanz. Daraus ergaben sich zwei zentrale Forschungsgegenstände: 1. Biomechanische Belastungsstruktur, Sprungleistung und neuromuskuläre Aktivierung im Oberkörper bei verschiedenen Sprung- und Landungsaufgaben. 2. Zusammenhänge der dynamischen Kniegelenksstabilität mit Oberkörperkinematik und neuromuskulärer Aktivität im Oberkörper – Hüftkinematik und Hüftkinetik. Die biomechanischen Belastungsindikatoren unterschieden sich zwischen den verschiedenen, repräsentativen Bewegungsaufgaben beträchtlich. Dabei zeigten der einbeinige Drop Jump (DJ) und der Side Jump (SJ) besonders ausgeprägte Belastungsindikatoren. Des Weiteren stiegen die Belastungsindikatoren mit zunehmender Belastung (Fallhöhe- bzw. Sprungweite) an. Die Untergrundbedingung, das Geschlecht und die Sportart spielten eine untergeordnete Rolle. Zur Vorhersage der Kniestabilität eigneten sich die laterale Oberkörperneigung, das Hüftabduktionsmoment und die Hüftinnenrotation. Insbesondere die Hüftinnenrotation konnte als stärkster Prädiktor identifiziert werden. Eine hohe Hüftkraft ging mit schwächeren Zusammenhängen zwischen Knieabduktionsmoment und Knieabduktion einher. Non-lineare interaktive Prädiktoreffekte unterschieden sich zum einen zwischen den Bewegungsaufgaben und zeigten zum anderen einen hohen eigenen Aufklärungsbeitrag für die laterale Oberkörperneigung, wenn diese mit der Kniekinematik und Hüftinnenrotation zur kategorialen Zuordnung des Knieabduktionsmoments und der Knierotation untersucht wurde. Die Ko-Kontraktion im Oberkörper konnte als weiterer Indikator der Oberkörperkontrolle miteinbezogen werden. Die unilateralen DJs und SJs, welche unterschiedliche Belastungsmuster typischer sportlicher Aktionen abbilden, wiesen unterschiedliche Belastungscharakteristika auf. Deshalb empfiehlt es sich beide Tests mit Variation der Fallhöhen bzw. Sprungweiten auf stabilem Untergrund in ein Screening-Verfahren unter Einbezug der Oberkörperkontrolle (Kinematik, Ko-Kontraktion) aufzunehmen. Die Oberkörperkontrolle sollte als Prädiktor der Kniestabilität non-linear und in Verbindung mit der Kniekinematik und Hüftrotation untersucht werden. Weiterhin sollte die Hüftkraft in zukünftigen Studien zur Kniestabilität und in Trainingsinterventionen einbezogen 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.

In this dissertation we treat several problems from mathematical physics via methods from functional analysis and probability theory and in particular operator semigroups. The thesis consists thematically of two parts. In the first part we consider so-called generalized stochastic Hamiltonian systems. These are generalizations of Langevin dynamics which describe interacting particles moving in a surrounding medium. From a mathematical point of view these systems are stochastic differential equations with a degenerated diffusion coefficient. We construct weak solutions of these equations via the corresponding martingale problem. Therefore, we prove essential m-dissipativity of the degenerated and non-sectorial It\^{o} differential operator. Further, we apply results from the analytic and probabilistic potential theory to obtain an associated Markov process. Afterwards we show our main result, the convergence in law of the positions of the particles in the overdamped regime, the so-called overdamped limit, to a distorted Brownian motion. To this end, we show convergence of the associated operator semigroups in the framework of Kuwae-Shioya. Further, we established a tightness result for the approximations which proves together with the convergence of the semigroups weak convergence of the laws. In the second part we deal with problems from infinite dimensional Analysis. Three different issues are considered. The first one is an improvement of a characterization theorem of the so-called regular test functions and distribution of White noise analysis. As an application we analyze a stochastic transport equation in terms of regularity of its solution in the space of regular distributions. The last two problems are from the field of relativistic quantum field theory. In the first one the $ (\Phi)_3^4 $-model of quantum field theory is under consideration. We show that the Schwinger functions of this model have a representation as the moments of a positive Hida distribution from White noise analysis. In the last chapter we construct a non-trivial relativistic quantum field in arbitrary space-time dimension. The field is given via Schwinger functions. For these which we establish all axioms of Osterwalder and Schrader. This yields via the reconstruction theorem of Osterwalder and Schrader a unique relativistic quantum field. The Schwinger functions are given as the moments of a non-Gaussian measure on the space of tempered distributions. We obtain the measure as a superposition of Gaussian measures. In particular, this measure is itself non-Gaussian, which implies that the field under consideration is not a generalized free field.

In today’s world, mobile communication has become one of the most widely used technologies corroborated by growing number of mobile subscriptions and extensive usage of mobile multimedia services. It is a key challenge for the network operators to accommodate such large number of users and high traffic volume. Further, several day-to-day scenarios such as public transportation, public events etc., are now characterized with high mobile data usage. A large number of users avail cellular services in such situations posing high load to the respective base stations. This results in increased number of dropped connections, blocking of new access attempts and blocking of handovers (HO). The users in such system will thus be subjected to poor Quality of Experience (QoE). Beforehand knowledge of the changing data traffic dynamics associated with such practical situations will assist in designing radio resource management schemes aiming to ease the forthcoming congestion situations. The key hypothesis of this thesis is that consideration and utilization of additional context information regarding user, network and his environment is valuable in designing such smart Radio Resource Management(RRM) schemes. Methods are developed to predict the user cell transitions, considering the fact that mobility of the users is not purely random but rather direction oriented. This is particularly used in case of traffic dense moving network or group of users moving jointly in the same vehicle (e.g., bus, train, etc.) to predict the propagation of high load situation among cells well in advance. This enables a proactive triggering of load balancing (LB) in cells anticipating the arrival of high load situation and accommodating the incoming user group or moving network. The evaluated KPIs such as blocked access attempts, dropped connections and blocked HO are reduced. Further, everyday scenario of dynamic crowd formation is considered as another potential case of high load situation. In real world scenarios such as open air festivals, shopping malls, stadiums or public events, several mobile users gather to form a crowd. This poses high load situation to the respective serving base station at the site of crowd formation, thereby leading to congestion. As a consequence, mobile users are subjected to poor QoE due to high dropping and blocking rates. A framework to predict crowd formation in a cell is developed based on coalition of user cell transition prediction, cluster detection and trajectory prediction. This framework is suitably used to prompt context aware load balancing mechanism and activate a small cell at the probable site of crowd formation. Simulations show that proactive LB reduces the dropping of users (23%), blocking of users (10%) and blocked HO (15%). In addition, activation of a Small Cell (SC) at the site of frequent crowd formation leads to further reductions in dropping of users (60%), blocking of users (56%) and blocked HO (59%). Similar to the framework for crowd formation prediction, a concept is developed for predicting vehicular traffic jams. Many vehicular users avail broadband cellular services on a daily basis while traveling. The density of such vehicular users change dynamically in a cell and at certain sites (e.g. signal lights), traffic jams arise frequently leading to a high load situation at respective serving base station. A traffic prediction algorithm is developed from cellular network perspective as a coalition strategy consisting of schemes to predict user cell transition, vehicular cluster/moving network detection, user velocity monitoring etc. The traffic status indication provided by the algorithm is then used to trigger LB and activate/deactivate a small cell suitably. The evaluated KPIs such as blocked access attempts, dropped connections and blocked HO are reduced by approximately 10%, 18% and 18%, respectively due to LB. In addition, switching ON of SC reduces blocked access attempts, dropped connections and blocked HO by circa 42%, 82% and 81%, respectively. Amidst increasing number of connected devices and traffic volume, another key issue for today’s network is to provide uniform service quality despite high mobility. Further, urban scenarios are often characterized by coverage holes which hinder service continuity. A context aware resource allocation scheme is proposed which uses enhanced mobility prediction to facilitate service continuity. Mobility prediction takes into account additional information about the user’s origin and possible destination to predict next road segment. If a coverage hole is anticipated in upcoming road, then additional resources are allocated to respective user and data is buffered suitably. The buffered data is used when the user is in a coverage hole to improve service continuity. Simulation shows improvement in throughput (in coverage hole) by circa 80% and service interruption is reduced by around 90%, for a non-real-time streaming service. Additionally, investigation of context aware procedures is carried out with a focus on user mobility, to find commonalities among different procedures and a general framework is proposed to support mobility context awareness. The new information and interfaces which are required from various entities (e.g., vehicular infrastructure) are discussed as well. Device-to-Device (D2D) communications commonly refer to the technology that enables direct communication between devices, hence relieving the base station from traffic routing. Thus, D2D communication is a feasible solution in crowded situations, where users in proximity requesting to communicate with one another could be granted D2D links for communication, thereby easing the traffic load to serving base station. D2D links can potentially reuse the radio resources from cellular users (known as D2D underlay) leading to better spectral utilization. However, the mutual interference can hinder system performance. For instance, if D2D links are reusing cellular uplink resources then D2D transmissions cause interference to cellular uplink at base station. Whereas, cellular transmissions cause interference to D2D receivers. To cope up with such issues, location aware resource allocation schemes are proposed for D2D communication. The key aim of such RA scheme is to reuse resources with minimal interference. The RA scheme based on virtual sectoring of a cell leads to approximately 15% more established links and 25% more capacity with respect to a random resource allocation. D2D transmissions cause significant interference to cellular links with which they reuse physical resource blocks, thereby hindering cellular performance. Regulating D2D transmissions to mitigate the aforementioned problem would mean sub-optimal exploitation of D2D communications. As a solution, post-resource allocation power control at cellular users is proposed. Three schemes namely interference aware power control, blind power control and threshold based power control are discussed. Simulation results show reductions in dropping of cellular users due to interference from D2D transmissions, improvement in throughput at base station (uplink) while not hindering the D2D performance.

The number of sequenced genomes increases rapidly due to the development of faster, better and new technologies. Thus, there is a great interest in automation, and standardization of the subsequent processing and analysis stages of the generated enormous amount of data. In the current work, genomes of clones, strains and species of Streptococcus were compared, which were sequenced, annotated and analysed with several technologies and methods. For sequencing, the 454- and Illumina-technology were used. The assembly of the genomes mainly was performed by the gsAssembler (Newbler) of Roche, the annotation was performed by the annotation pipeline RAST, the transfer tool RATT or manually. Concerning analysis, sets of deduced proteins of several genomes were compared to each other and common components, the so-called core-genome, of the used genomes of one or closely related species determined. Detailed comparative analysis was performed for the genomes of isolates of two clones to gather single nucleotide variants (SNV) within genes. This work focusses on the pathogenic organism Streptococcus pneumoniae. This species is a paradigm for transformability, virulence and pathogenicity as well as resistance mechanisms against antibiotics. Its close relatives S. mitis, S. pseudopneumoniae and S. oralis have no pathogenicity potential as high as S. pneumoniae available and are thus of high interest to understand the evolution of S. pneumoniae. Strains of two S. pneumoniae clones were chosen. One is the ST10523 clone, which is associated with patients with cystic fibrosis and is characterized by long-term persistence. This clone is lacking an active hyaluronidase, which is one of the main virulence factors. The lack of two phage clusters possibly contributed to the long persistence in the human host. The clone ST226 shows a high penicillin resistance but interestingly one strain is sensitive against penicillin. Here it could be seen that the penicillin resistance mainly arose from the presence of mosaic-PBPs, while special alleles of MurM and CiaH - both genes are associated with penicillin-resistance – were present in resistant and sensitive strains as well. Penicillin resistance of S. pneumoniae is the result of horizontal gene transfer, where DNA of closely related species, mainly S. mitis or S. oralis, served as donor. The transfer of DNA from the high-level penicillin-resistant strain S. oralis Uo5 to the sensitive strain S. pneumoniae R6 was intentioned to reveal the amount of transferred DNA and whether it is possible to reach the high resistance level of S. oralis Uo5. Altogether, about 19kb of S. oralis DNA were transferred after three successive transformation steps, about 10-fold less than during transfer from S. mitis, which is more closely related to S. pneumoniae, as donor. MurE was identified as new resistance determinant. Since the resistance level of the donor strain could not be reached, it is assumed, that further unknown factors are present which contribute to penicillin resistance. The comparison of S. pneumoniae and its close relatives was performed using deduced protein sequences. 1.041 homologous proteins are common to the four complete genomes of S. pneumoniae R6, S. pseudopneumoniae IS7493, S. mitis B6 and S. oralis Uo5. Most of the virulence and pathogenicity factors described for S. pneumoniae could also be found in commensal species. These observations were confirmed by further investigations by Kilian et al. (Kilian, et al., 2019). After adding 26 complete S. pneumoniae genomes to the analysis, only 104 gene products could be identified as specific for this species. Investigations of a larger number of related streptococci, which were isolated from human and several primates, confirmed the presence of most of the virulence factors of human pneumococci in S. oralis and S. mitis strains from primates. While NanBC is common among S. pneumoniae and is missing in all S. oralis, all S. oralis contain a ß-N-acetyl-hexosaminidase which vice versa is missing in S. pneumoniae. The occurrence of S. oralis also in free-living chimpanzees suggests the assumption, that this species is part of the commensal flora of these Old-World monkeys unlike S. pneumoniae which has evolved with its human host. Compared to S. pneumoniae, S. oralis shows an amazing variability in factors important for biosynthesis of peptidoglycan and teichoic acid (PBP, MurMN, lic-cluster). Some streptococci contain a second PGP3 homologue. Additional analyses with further isolates, especially of wild animals, are necessary to determine host-specific components.

In dieser Arbeit wurden für die kationische Funktionalisierung des mesoporösen Kieselgels vier Trimethoxysilylpropylpyridiniumiodid-, drei Triethoxysilylpropylimidazolium-Derivate und Triethoxysilylpropylimidazol in mäßigen bis sehr guten Ausbeuten synthetisiert. Diese Alkoxysilane wurden jeweils auf die zuvor synthetisierte mesoporöse Materialoberfläche von SBA 15 kondensiert. Dabei wurden Beladungen zwischen 0.46 und 0.87 mmol/g und BET-Oberflächen zwischen 274 und 579 m2/g erhalten. Das zwitterionische Imidazoliumderivat wurde zusätzlich in der Materialsynthese mittels Cokondensation getestet. Dabei wurde eine ähnliche Beladung von 1.03 mmol/g, aber größere Materialparameter (BET-Oberfläche, mittlerer Porenradius) als bei dem durch Grafting funktionalisierten Material erhalten, wobei ebenfalls die 2D-hexagonale Struktur ausgebildet wurde. Für den Ionenaustausch des Iodidanions auf dem kationisch funktionalisierten Material gegen verschiedene Sulfonate wurden Natrium-N-phenothiazinylpropansulfonat und Natrium-N-acridonylpropansulfonat synthetisiert. Das Verhältnis zwischen kondensierten Kationen und N-Phenothiazinylpropansulfonat liegt zwischen 1:0.66 und 1:0.95 und bei N-Acridonylpropansulfonat zwischen 1:0.35 und 1:0.95. Die Materialparameter waren vergleichbar mit denen der Iodid-haltigen Materialien. Der Ionenaustausch zum Methantrisulfonat-funktionalisierten Material erfolgte ausgehend von Methantrisulfonsäure. Das ermittelte Kationen-Anionen-Verhältnis von 3:1 zeigt, dass die eingesetzte Methantrisulfonsäure dabei vollständig deprotoniert wurde. Bei der jeweiligen Funktionalisierung blieb die 2D-hexagonale Struktur des mesoporösen Kieselgels erhalten. Die Phenothiazinyl-haltigen Materialien konnten mit Nitrosyltetrafluoroborat und das Methylpyridinium-haltige Material zusätzlich exemplarisch mit Antimonpentachlorid oxidiert werden. Die oxidierten Materialien zeigen ein intensives ESR-Signal mit einem giso-Wert von 2.007 und intensive Banden der Radikalspezies im UV/Vis-Spektrum. Durch die Oxidation wurde das Silikagerüst angegriffen, aber die mesoporöse Struktur blieb erhalten. Die Umsetzung mit Iod führte nicht zu einem radikalhaltigen Material. Mit einem Überschuss wässriger Wasserstoffperoxid-Lösung konnten die oxidierten diamagnetischen Spezies des N-Phenothiazinylpropansulfonats und mit einem Unterschuss an Nitrosyltetrafluoroborat die Radikalspezies des Dibrom- und N-Phenothiazinylpropan-sulfonats synthetisiert werden.

Die automatisierte Faserablage bietet ein hohes Potenzial zur individuellen Herstellung belastungsgerechter, kontinuierlich faserverstärkter Verbundwerkstoffe, wodurch diese Fertigungstechnologie zur Herstellung thermoplastischer Hochleistungsverbundbauteile immer mehr in den Fokus aktueller Entwicklungen rückt. Hierbei beschränkt sich diese Technologie derzeit hauptsächlich auf die Verarbeitung von vollimprägnierten und -konsolidierten Halbzeugen (Tapes). Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neu konzeptionierte Prozesskette, basierend auf der Kombination trockener Rovings (GF) und Polymerpulver (PC/PBT) zu thermoplastischen Pulver-Towpregs, deren anschließender, automatisierter Faserablage zu vorimprägnierten Preforms und der Direktimprägnierung im variothermen Pressprozess, durchlaufen. Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung wurden die Prozessschritte der Faserablage und des variothermen Pressprozesses methodisch untersucht. Die daraus resultierenden Ergebnisse liefern ein grundlegendes Prozessverständnis der einzelnen Prozessschritte hinsichtlich der Imprägniermechanismen und -fortschritte. Es konnte gezeigt werden, dass im Tapelegeprozess maßgeblich eine Makroimprägnierung der Faserstruktur erreicht wird, welche auch den nachfolgenden Pressprozess signifikant beeinflusst. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden somit die Grundlage zu Verständnis und Anwendung der neuen Prozesskette, sowie der Einstellung und Bewertung der Prozessparameter zur Herstellung kontinuierlich, lastgerecht faserverstärkter Thermoplaste mit individuellen Matrix- und Faserwerkstoffen.

Most of the mitochondrial proteins in yeast are encoded in the nuclear genome, get synthesized by cytosolic ribosomes and are imported via TOM and TIM23 into the matrix or other subcompartments of mitochondria. The mitochondrial DNA in yeast however also encodes a small set of 8 proteins from which most are hydrophobic membrane proteins and build core components of the OXPHOS complexes. They get synthesized by mitochondrial ribosomes which are descendants of bacterial ribosomes and still have some similarities to them. On the other hand, mitochondrial ribosomes experienced various structural and functional changes during evolution that specialized them for the synthesis of the mitochondrial encoded membrane proteins. The mitoribosome contains mitochondria-specific ribosomal proteins and replaced the bacterial 5S rRNA by mitochondria-specific proteins and rRNA extensions. Furthermore, the mitoribosome is tethered to the inner mitochondrial membrane to facilitate a co-translational insertion of newly synthesized proteins. Thus, also the assembly process of mitoribosomes differs from that of bacteria and is to date not well understood. Therefore, the biogenesis of mitochondrial ribosomes in yeast should be investigated. To this end, a strain was generated in which the gene of the mitochondrial RNA-polymerase RPO41 is under control of an inducible GAL10-promoter. Since the scaffold of ribosomes is built by ribosomal RNAs, the depletion of the RNA-polymerase subsequently leads to a loss of mitochondrial ribosomes. Reinduction of Rpo41 initiates the assembly of new mitoribosomes, which makes this strain an attractive model to study mitoribosome biogenesis. Initially, the effects of Rpo41 depletion on cellular and mitochondrial physiology was investigated. Upon Rpo41 depletion, growth on respiratory glycerol medium was inhibited. Furthermore, mitochondrial ribosomal 21S and 15S rRNA was diminished and mitochondrial translation was almost completely absent. Also, mitochondrial DNA was strongly reduced due to the fact that mtDNA replication requires RNA primers that get synthesized by Rpo41. Next, the effect of reinduction of Rpo41 on mitochondria was tested. Time course experiments showed that mitochondrial translation can partially recover from 48h Rpo41 depletion within a timeframe of 4.5h. Sucrose gradient sedimentation experiments further showed that the mitoribosomal constitution was comparable to wildtype control samples during the time course of 4.5h of reinduction, suggesting that the ribosome assembly is not fundamentally altered in Gal-Rpo41 mitochondria. In addition, the depletion time was found to be critical for recovery of mitochondrial translation and mitochondrial RNA levels. It was observed that after 36h of Rpo41 depletion, the rRNA levels and mitochondrial translation recovered to almost 100%, but only within a time course of 10h. Finally, mitochondria from Gal-Rpo41 cells isolated after different timepoints of reinduction were used to perform complexome profiling and the assembly of mitochondrial protein complexes was investigated. First, the steady state conditions and the assembly process of mitochondrial respiratory chain complexes were monitored. The individual respiratory chain complexes and the super-complexes of complex III, complex IV and complex V were observed. Furthermore, it was seen that they recovered from Rpo41 depletion within 4.5h of reinduction. Complexome profiles of the mitoribosomal small and large subunit discovered subcomplexes of mitoribosomal proteins that were assumed to form prior to their incorporation into assembly intermediates. The complexome profiles after reinduction indeed showed the formation of these subcomplexes before formation of the fully assembled subunit. In the mitochondrial LSU one subcomplex builds the membrane facing protuberance and a second subcomplex forms the central protuberance. In contrast to the preassembled subcomplexes, proteins that were involved in early assembly steps were exclusively found in the fully assembled subunit. Proteins that assemble at the periphery of the mitoribosome during intermediate and late assembly steps where found in soluble form suggesting a pool of unassembled proteins that supply assembly intermediates with proteins. Taken together, the findings of this thesis suggest a so far unknow building-block model for mitoribosome assembly in which characteristic structures of the yeast mitochondrial ribosome form preassembled subcomplexes prior to their incorporation into the mitoribosome.

Participatory urban planning approaches (PUPAs) are seen as key methodological tools to develop plans and strategies that can help in alleviating urban poverty and improving urban planning and governance. Given that, there is a need for a deeper understanding of the PUPAs adopted and implemented in the Arab cities to define the challenges that led to the weak impacts of these approaches in the examined cities and to identify their potentials for improvement in the future. Yet, adopting PUPAs in restrictive political and institutional settings like the ones in the Arab region proved to be ineffective, either in improving urban planning and governance or in including urban citizens in planning decision-making processes. This research examines PUPAs in the City Development Strategies of two big cities in the Arab region between 2003 and 2010: Alexandria in Egypt and Aleppo in Syria. The research investigates whether PUPAs are adopted and supported by the institutional and legal framework in the cities under study and whether they are implemented successfully. For this purpose, the research identifies first the challenges and successes in implementing PUPAs in the two cities based on an in-depth analysis of the structures and actors of governance and planning. Second, it explores the effects of the PUPAs on the participatory process and vice versa. The main findings of the research have shown that PUPAs can only be effective when the political, institutional, and social contexts are supporting participation, which is lacking in the two examined cities. Yet, the different PUPAs implemented in these cities indicate that local actors and planners have a great potential for developing innovative communication strategies and participatory mechanisms that could have positive impacts on urban planning, urban governance, and the society.

This thesis introduces a novel deformation method for computational meshes. It is based on the numerical path following for the equations of nonlinear elasticity. By employing a logarithmic variation of the neo-Hookean hyperelastic material law, the method guarantees that the mesh elements do not become inverted and remain well-shaped. In order to demonstrate the performance of the method, this thesis addresses two areas of active research in isogeometric analysis: volumetric domain parametrization and fluid-structure interaction. The former concerns itself with the construction of a parametrization for a given computational domain provided only a parametrization of the domain’s boundary. The proposed mesh deformation method gives rise to a novel solution approach to this problem. Within it, the domain parametrization is constructed as a deformed configuration of a simplified domain. In order to obtain the simplified domain, the boundary of the target domain is projected in the \(L^2\)-sense onto a coarse NURBS basis. Then, the Coons patch is applied to parametrize the simplified domain. As a range of 2D and 3D examples demonstrates, the mesh deformation approach is able to produce high-quality parametrizations for complex domains where many state-of-the-art methods either fail or become unstable and inefficient. In the context of fluid-structure interaction, the proposed mesh deformation method is applied to robustly update the computational mesh in situations when the fluid domain undergoes large deformations. In comparison to the state-of-the-art mesh update methods, it is able to handle larger deformations and does not result in an eventual reduction of mesh quality. The performance of the method is demonstrated on a classic 2D fluid-structure interaction benchmark reproduced by using an isogeometric partitioned solver with strong coupling.

Durch die Kombination von Hohlkörpern mit einem Feinkorn-Hochleistungsbeton können sehr leistungsfähige und zugleich schlanke Tragstrukturen realisiert wer-den. Dies ermöglicht einen effizienten Materialeinsatz, wodurch Beton, Betonstahl und insbesondere der im Beton enthaltene Zement gegenüber herkömmlichen Strukturen verringert werden können. Die Herstellung dieser Materialien erfordert einen hohen Einsatz von Primärenergie, sodass sich in der Folge nicht nur der Verbrauch primärer Energieträger, sondern insbesondere die Emission von Treib-hausgasen reduziert. Zur Sicherstellung einer praxisgerechten Handhabung gilt es, einen Hochleis-tungsbeton auszuwählen, der hinsichtlich seiner mechanischen Kennwerte hohen Anforderungen entspricht und zugleich gut zu verarbeiten ist. Der in der vorliegen-den Arbeit verwendete Nanodur®-Beton zeichnet sich sowohl durch seine Zug- und Druckfestigkeit als auch seinen hohen E-Modul gegenüber herkömmlichen Beto-nen aus. Er lässt sich einfach verarbeiten und kann ohne die Verwendung speziel-ler Mischanlagen hergestellt werden. Bisher durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verwendung von Hohlkörpern das Tragverhalten von Deckenplatten maßgeblich beeinflusst. Es wurde festgestellt, dass insbesondere die Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraft-bewehrung sowie die lokale Durchstanztragfähigkeit deutlich verringert werden, sodass diese mittels experimenteller Untersuchungen für Hohlkörperdecken aus Feinkorn-Hochleistungsbeton neu zu bewerten sind. Das Biegetrag- und das Ver-formungsverhalten können anhand dieser Ergebnisse sowie weiterer theoretischer Betrachtungen bewertet werden, da diese durch die Verwendung von Hohlkörpern im Querschnitt nur untergeordnet verändert werden. Für weitergehende Untersu-chungen wurden ein FE-Berechnungsmodell an den ermittelten Daten kalibriert und die Eingaben an Versuchen validiert. Die Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, dass bereits bestehende Berech-nungs- bzw. Bemessungsansätze nur mit Einschränkungen auf Hohlkörperdecken aus Feinkorn-Hochleistungsbeton übertragen werden können. Die Bemessung der Biegetragfähigkeit und der lokalen Durchstanztragfähigkeit wurde anhand von bereits vorliegenden Konzepten modifiziert und durch Parameter zur Berücksichti-gung des feinkörnigen Nanodur®-Betons sowie der gegenüber von herkömmli-chen Betonen reduzierten Betondeckung von Bewehrung und Hohlkörpern ergänzt. Die Berechnung der Verformungen wurde auf Grundlage etablierter Ansätze so-wohl für Hohlkörperdecken als auch für massiv ausgeführte Querschnitte aus Na-nodur®-Beton an den durchgeführten Versuchen kalibriert. Zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung wurde ein Modell an den experi-mentellen Untersuchungen validiert, das auf der individuellen Ermittlung der drei Haupttraganteile der Querkrafttragfähigkeit (ungerissene Betondruckzone, Rissrei-bung sowie Dübelwirkung der Längsbewehrung) basiert. Aufgrund der Komplexität dieses Modells wurde weiterhin ein Konzept entwickelt, das die praxisgerechte Bemessung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung von Hohlkörper-decken aus Feinkorn-Hochleistungsbeton ermöglicht. Abschließend wird die Anwendung der in dieser Dissertation erarbeiteten Berech-nungs- und Bemessungsmodelle an einem Anwendungsbeispiel veranschaulicht.

In this thesis, we present the basic concepts of isogeometric analysis (IGA) and we consider Poisson's equation as model problem. Since in IGA the physical domain is parametrized via a geometry function that goes from a parameter domain, e.g. the unit square or unit cube, to the physical one, we present a class of parametrizations that can be viewed as a generalization of polar coordinates, known as the scaled boundary parametrizations (SB-parametrizations). These are easy to construct and are particularly attractive when only the boundary of a domain is available. We then present an IGA approach based on these parametrizations, that we call scaled boundary isogeometric analysis (SB-IGA). The SB-IGA derives the weak form of partial differential equations in a different way from the standard IGA. For the discretization projection on a finite-dimensional space, we choose in both cases Galerkin's method. Thanks to this technique, we state an equivalence theorem for linear elliptic boundary value problems between the standard IGA, when it makes use of an SB-parametrization, and the SB-IGA. We solve Poisson's equation with Dirichlet boundary conditions on different geometries and with different SB-parametrizations.

Fibre reinforced polymers(FRPs) are one the newest and modern materials. In FRPs a light polymer matrix holds but weak polymer matrix is strengthened by glass or carbon fibres. The result is a material that is light and compared to its weight, very strong.\par The stiffness of the resulting material is governed by the direction and the length of the fibres. To better understand the behaviour of FRPs we need to know the fibre length distribution in the resulting material. The classic method for this is ashing, where a sample of the material is burned and destroyed. We look at CT images of the material. In the first part we assumed that we have a full fibre segmentation, we can fit an a cylinder to each individual fibre. In this setting we identified two problems, sampling bias and censoring.\par Sampling bias occurs since a longer fibre has a higher probability to be visible in the observation window. To solve this problem we used a reweighed fibre length distribution. The weight depends on the used sampling rule.\par For the censoring we used an EM algorithm. The EM algorithm is used to get a Maximum Likelihood estimator in cases of missing or censored data.\par For this setting we deduced conditions such that the EM algorithm converges to at least a stationary point of the underlying likelihood function. We further found conditions such that if the EM converges to the correct ML estimator, the estimator is consistent and asymptotically normally distributed.\par Since obtaining a full fibre segmentation is hard we further looked in the fibre endpoint process. The fibre end point process can be modelled as a Neymann-Scott cluster process. Using this model we can find a formula for the reduced second moment measure for this process. We use this formula to get an estimator for the fibre length distribution.\par We investigated all estimators using simulation studies. We especially investigated their performance in the case of non overlapping fibres.

Obwohl die Durchführung von Stadtfesten vielerorts auf eine jahrzehntelange Tradition zurückgeht, sehen sich die Organisatoren von Großveranstaltungen in den letzten Jahren mit erhöhten Anforderungen an die Umsetzung ihrer Aufgaben konfrontiert. Insbesondere die Tragödie auf der Loveparade in Duisburg 2010 stieß eine Diskussion zu bestehenden Sicherheitsstandards an und zeigte, dass diese überdacht und neu geprüft werden mussten. Aber auch neue Gefährdungslagen durch terroristische Bedrohungen, ein sich zunehmend durchsetzender Präventionsgedanke und der gesellschaftliche Trend zur „Eventisierung“ wirken sich auf die Planungspraxis und die Genehmigungsverfahren von Großveranstaltungen aus. Da die Erstellung eines Sicherheitskonzeptes für eine Open-Air Veranstaltung in Deutschland (bislang) nicht obligatorisch ist, sind Praktiken der Sicherheitsproduktion vor dem Hintergrund lokalspezifischer Bedingungen zu betrachten. In der vorliegenden Arbeit wurde den Fragen nachgegangen, inwiefern sich lokale Praktiken der Sicherheitsproduktion auf Stadtfesten unterscheiden, wie sie sich in der nahen Vergangenheit gewandelt haben und wie unterschiedliche Entwicklungsprozesse begründet werden können. Mit Hilfe eines empirischen Fallvergleichs von zwei Stadtfesten wurden Organisationsstrukturen, Sicherheitskonzepte und Sicherheitsgefühle untersucht. Methodisch basiert die Arbeit auf Experteninterviews mit relevanten Entscheidungsträgern, zwei Dokumentenanalysen von Sicherheitskonzepten, der Beschreibung sicherheitsrelevanter räumlicher Parameter auf den Veranstaltungsflächen und zwei quantitativen Befragungen von Stadtfestbesuchern. Die Forschungsfrage wurde vor dem Hintergrund einer sich wandelnden Sicherheitskultur diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich insbesondere Praktiken der Sicherheitskonzeption auf beiden Stadtfesten trotz ähnlicher Rahmenbedingungen unterschiedlich entwickelt haben. Empirisch lässt sich der eingetretene Wandlungsprozess durch verschiedene Faktoren begründen. Dazu zählen u.a. eine positive Grundhaltung und eine solide fachliche Kenntnis der Entscheidungsbefugten in Bezug auf Sicherheitsfragen, ein empfundener Handlungsdruck, eine zugrundeliegende Innovationsbereitschaft, unmittelbar erlebte und folgenreiche Negativerfahrungen, ein positives Feedback und die Unterstützung und Förderung durch übergeordnete lokalpolitische Instanzen, die sowohl ideelle Leitlinien vorgeben als auch finanzielle Unterstützung leisten. Professionell gestaltete Sicherheitskonzepte fördern zwar die Umsetzung zusätzlicher Sicherheitsmaßnahmen, jedoch konnte nicht festgestellt werden, dass sich Sicherheitskonzepte oder einzelne Sicherheitsmaßnahmen auf das subjektive Sicherheitsgefühl der Festbesucher auswirken. Ob sich sicherheitskulturelle Wandlungsprozesse vollziehen, hängt in erster Linie von den lokalen Bedingungen ab, d.h. von den einzelnen Personen vor Ort und von deren Erfahrungen, Werten, Einstellungen und deren Kooperationsbereitschaft. Die lokalen Bedingungen innerhalb des untersuchten Ereignisraums erscheinen in ihrer Wirkung auf Wandlungsprozesse deshalb stärker als der tiefe Kontext der Sicherheitskultur.

Photokatalytische Reaktionen laufen vergleichsweise schnell ab, wenn der verwendete Katalysator im Reaktionsmedium dispergiert ist. Verwendet man, wie es in der Praxis häufig wünschenswert ist, immobilisierte Katalysatoren, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich ab. In Lichtwellenleiterreaktoren gelingt es, den Katalysator gleichmäßig zu bestrahlen und dadurch die Quantenausbeute der Photoreaktion zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Strahlungsmodell entwickelt, das die Abstrahlcharakteristik einer LED in Form eines Lambertstrahlers detaillierter abbildet, als es bisher der Fall war. Zudem wurde bei der Einkopplung der Lichtstrahlen in die optische Faser auch die Fresnel Reflektion berücksichtigt. Bei der Strahlungsauskopplung bzw. bei der Katalysatoranregung wurden ideal glatte Beschichtungen und ideal matte Beschichtungen als Grenzfälle approximiert. Verwendet man ideal matte Beschichtungen, kommt es zu schneller Auskopplung der Strahlen auf einem kurzen Abschnitt des Lichtleiters. Ein Teil der Strahlung geht dabei verloren. Ein anderer Teil kann nicht genutzt werden, da die gebildeten Radikale schnell rekombinieren. Durch Verringerung des Filmdiffusionswiderstandes können hier höhere Reaktionsgeschwindigkeiten erzielt werden. Verwendet man ideal glatte Beschichtungen geht kaum Strahlung verloren und man erhält niedrige Bestrahlungsstärken auf der Katalysatoroberfläche, sodass man sich der intrisischen Reaktionsgeschwindigkeit annähert.

Flüssigimprägnierverfahren erlauben die effiziente Herstellung von Faser-Kunststoff- Verbund-Bauteilen in hohen Stückzahlen. Das Dry Fiber Placement ist ein Verfahren, um hierzu bei geringen Verschnittraten textile Vorformlinge (Preforms) herzustellen, die eine optimale Faserausrichtung und –platzierung ermöglichen. Hinsichtlich der Imprägniereigenschaften sind die so hergestellten Preforms jedoch herausfordernd, da sie im Vergleich zu konventionell verwendeten Textilien (Gewebe oder Gelege) über eine wesentlich geringere Permeabilität verfügen. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit das Imprägnierverhalten dieser Preforms grundlegend experimentell und simulativ untersucht. Hierbei wurden Strukturvariationen auf Mikroebene (zwischen einzelnen Fasern) und auf Mesoebene (zwischen Fasersträngen) betrachtet. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurden Gestaltungsempfehlungen abgeleitet, die zukünftig eine Optimierung der Preforms hinsichtlich ihrer Imprägniereigenschaften ermöglichen. Liquid composite moulding processes allow the efficient production of fiber reinforced polymer composite components in larger batch production. Dry Fiber Placement is a process used to produce textile preforms at low scrap rates allowing optimum fiber alignment and positioning. Yet, their impregnation properties are challenging compared to conventional textile materials as their permeability is significantly lower. Hence, this work deals with fundamental examination of their impregnation behaviour using experimental and simulative approaches. For this purpose, structural variations on micro scale (in between single fibers) and on meso scale (in between fiber strands) are considered. Using the gained knowledge, design recommendations have been developed to enable optimization of preforms regarding their impregnation behaviour.

Für die Serienfertigung von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen in hohen Stückzahlen eignen sich Organobleche. Ein Nachteil dieser Halbzeugart ist das limitierte Spektrum herstellbarer Bauteile. Gleichzeitig existieren für Organobleche wie auch für andere Faser-Kunststoff-Verbunde noch keine Recyclingkonzepte, die die Materialeigenschaften erhalten. In dieser Arbeit werden Stapelfaserorganobleche aus recycelten Kohlenstoffstapelfasern und Polyamid 6 als Matrix hergestellt und hinsichtlich ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit sowie ihrer Umformbarkeit untersucht. Die Erhaltung der Materialeigenschaften wurde dabei anhand von Zugversuchen untersucht, wobei der Einfluss der Garnondulation auf die Zugeigenschaften analysiert wurde. Die quasiplastische Verformung von Stapelfaserorganoblechen wurde grundlegend in Zugversuchen im Bereich und über der Schmelztemperatur der Matrix untersucht. Ein angepasster Thermoformprozess wurde entwickelt, der neue Freiheitsgrade zur Bauteilherstellung ermöglicht. Das Verformungsverhalten wurde untersucht und ein Kriterium zur Bewertung der Homogenität der Verformung entwickelt. Organic sheets are suitable for the series production of fiber reinforced polymer composite components in large quantities. One disadvantage of this type of semi-finished products is the limited range of components that can be produced. Also, organic sheets, like other fiber reinforced polymer composites, are faced with the challenge of not yet having any true recycling concepts. In this work, staple fiber organic sheets made of recycled carbon staple fibers and polyamide 6 as matrix are manufactured and examined with regard to their mechanical performance and formability. The preservation of the material properties was investigated by means of tensile tests, whereby the influence of yarn undulation on tensile properties was analyzed. The quasiplastic deformation of staple fiber organic sheets was fundamentally investigated in tensile tests in the range of and above the matrix melting temperature. An adapted thermoforming process was developed which allows new degrees of freedom for component manufacturing. The local deformation behavior was investigated and a criterion for the evaluation of the homogeneity of the deformation was developed.

In dieser Arbeit wird ein formales Modell zur Beschreibung von hardwarenaher Software vorgestellt: Die Programmnetzliste. Die Programmnetzliste (PN) besteht aus Instruktionszellen die in einem gerichteten azyklischen Graph verbunden sind und dabei alle Ausführungspfade des betrachteten Programms beinhaltet. Die einzelnen Instruktionszellen repräsentieren eine Instruktion oder eine Instruktionssequenz. Die PN verfügt über eine explizite Darstellung des Programmablaufs und eine implizite Modellierung des Datenpfads und ist als Modell für die Verifikation von Software nutzbar. Die Software wird dabei auf Maschinencode-Level betrachtet. Die Modellgenerierung besteht aus wenigen und gut automatisierbaren Schritten. Als Grundlage dient ein – ggf. unvollständiger – Kontrollfluss Graph (CFG), der aus der Software generiert werden kann. Die Modellgenerierung besteht aus zwei Schritten. Der erste Schritt ist die Erzeugung des expliziten Programmablaufs, indem der CFG abgerollt wird. Dabei wird ein sogenannter Execution-Graph (EXG) erzeugt, der alle möglichen Ausführungspfade des betrachteten Programms beinhaltet. Um dieses Modell so kompakt wie möglich zu halten, werden unterschiedliche Techniken verwendet – wie das Zusammenführen gemeinsamer Pfade und das Erkennen von “toten” Verzweigungen im Programm, die an der entsprechenden Stelle niemals ausgeführt werden. Im Anschluss wird im zweiten Schritt der Execution-Graph in die Programmnetzliste (PN) übersetzt. Dabei werden alle Knoten im EXG durch eine entsprechende Instruktionszelle ersetzt. Die Kanten des Graphen entsprechen dabei dem Programmzustand. Der Programmzustand setzt sich aus den Variablen im Speicher wie auch dem Architekturzustand des unterliegenden Prozessors zusammen. Ergänzt wird der Programmzustand in der Programmnetzliste um ein sogenanntes Active-Bit, welches es ermöglicht den aktiven Pfad in der Netzliste zu markieren. Das ist notwendig, da die Software immer nur einen Pfad gleichzeitig ausführen kann, aber die PN alle möglichen Pfade beinhaltet. Auf der Programmnetzliste können dann mit Hilfe von Hardware Property Checkern basierend auf BMC oder IPC diverse Eigenschaften bewiesen werden. Zusätzlich wird die Programmnetzliste um die Fähigkeit zur Interruptmodellierung erweitert.

In recent years, the Internet has become a major source of visual information exchange. Popular social platforms have reported an average of 80 million photo uploads a day. These images, are often accompanied with a user provided text one-liner, called an image caption. Deep Learning techniques have made significant advances towards automatic generation of factual image captions. However, captions generated by humans are much more than mere factual image descriptions. This work takes a step towards enhancing a machine's ability to generate image captions with human-like properties. We name this field as Affective Image Captioning, to differentiate it from the other areas of research focused on generating factual descriptions. To deepen our understanding of human generated captions, we first perform a large-scale Crowd-Sourcing study on a subset of Yahoo Flickr Creative Commons 100 Million Dataset (YFCC100M). Three thousand random image-caption pairs were evaluated by native English speakers w.r.t different dimensions like focus, intent, emotion, meaning, and visibility. Our findings indicate three important underlying properties of human captions: subjectivity, sentiment, and variability. Based on these results, we develop Deep Learning models to address each of these dimensions. To address the subjectivity dimension, we propose the Focus-Aspect-Value (FAV) model (along with a new task of aspect-detection) to structure the process of capturing subjectivity. We also introduce a novel dataset, aspects-DB, following this way of modeling. To implement the model, we propose a novel architecture called Tensor Fusion. Our experiments show that Tensor Fusion outperforms the state-of-the-art cross residual networks (XResNet) in aspect-detection. Towards the sentiment dimension, we propose two models:Concept & Syntax Transition Network (CAST) and Show & Tell with Emotions (STEM). The CAST model uses a graphical structure to generate sentiment. The STEM model uses a neural network to inject adjectives into a neutral caption. Achieving a high score of 93% with human evaluation, these models were selected as the top-3 at the ACMMM Grand Challenge 2016. To address the last dimension, variability, we take a generative approach called Generative Adversarial Networks (GAN) along with multimodal fusion. Our modified GAN, with two discriminators, is trained using Reinforcement Learning. We also show that it is possible to control the properties of the generated caption-variations with an external signal. Using sentiment as the external signal, we show that we can easily outperform state-of-the-art sentiment caption models.

Ethernet has become an established communication technology in industrial automation. This was possible thanks to the tremendous technological advances and enhancements of Ethernet such as increasing the link-speed, integrating the full-duplex transmission and the use of switches. However these enhancements were still not enough for certain high deterministic industrial applications such as motion control, which requires cycle time below one millisecond and jitter or delay deviation below one microsecond. To meet these high timing requirements, machine and plant manufacturers had to extend the standard Ethernet with real-time capability. As a result, vendor-specific and non-IEEE standard-compliant "Industrial Ethernet" (IE) solutions have emerged. The IEEE Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group specifies new IEEE-conformant functionalities and mechanisms to enable the determinism missing from Ethernet. Standard-compliant systems are very attractive to the industry because they guarantee investment security and sustainable solutions. TSN is considered therefore to be an opportunity to increase the performance of established Industrial-Ethernet systems and to move forward to Industry 4.0, which require standard mechanisms. The challenge remains, however, for the Industrial Ethernet organizations to combine their protocols with the TSN standards without running the risk of creating incompatible technologies. TSN specifies 9 standards and enhancements that handle multiple communication aspects. In this thesis, the evaluation of the use of TSN in industrial real-time communication is restricted to four deterministic standards: IEEE802.1AS-Rev, IEEE802.1Qbu IEEE802.3br and IEEE802.1Qbv. The specification of these TSN sub-standards was finished at an early research stage of the thesis and hardware prototypes were available. Integrating TSN into the Industrial-Ethernet protocols is considered a substantial strategical challenge for the industry. The benefits, limits and risks are too complex to estimate without a thorough investigation. The large number of Standard enhancements makes it hard to select the required/appropriate functionalities. In order to cover all real-time classes in the automation [9], four established Industrial-Ethernet protocols have been selected for evaluation and combination with TSN as well as other performance relevant communication features. The objectives of this thesis are to (1) Provide theoretical, simulation and experimental evaluation-methodologies for the timing performance analysis of the deterministic TSN-standards mentioned above. Multiple test-plans are specified to evaluate the performance and compatibility of early version TSN-prototypes from different providers. (2) Investigate multiple approaches and deduce migration strategies to integrate these features into the established Industrial-Ethernet protocols: Sercos III, Profinet IRT, Profinet RT and Ethernet/IP. A scenario of coexistence of time-critical traffic with other traffic in a TSN-network proves that the timing performance for highly deterministic applications, e.g. motion-control, can only be guaranteed by the TSN scheduling algorithm IEEE802.1Qbv. Based on a requirements survey of highly deterministic industrial applications, multiple network scenarios and experiments are presented. The results are summarized into two case studies. The first case study shows that TSN alone is not enough to meet these requirements. The second case study investigates the benefits of additional mechanisms (Gigabit link-speed, minimum cycle time modeling, frame forwarding mechanisms, frame structure, topology migration, etc.) in combination with the TSN features. An implementation prototype of the proposed system and a simulation case study are used for the evaluation of the approach. The prototype is used for the evaluation and validation of the simulation model. Due to given scalability constraints of the prototype (no cut-through functionalities, limited number of TSN-prototypes, etc…), a realistic simulation model, using the network simulation tool OMNEST / OMNeT++, is conducted. The obtained evaluation results show that a minimum cycle time ≤1 ms and a maximum jitter ≤1 μs can be achieved with the presented approaches.

The Directive 97/23/EC of the European Parliament and of the Council of 29 May 1997 on the approximation of the laws of the Member States concerning pressure equipment (European Commision, 1997) is the basis of the legal framework for protection of pressure equipment within the European Union. Codes and standards are useful to comply with the legal and regulatory responsibilities stipulated in PED Directive regarding the protection of pressure equipment against overpressure, sizing, and selection safety relief devices. Rupture disk devices are primary relief devices to protect vessels, pipe, and equipment against overpressure. A rupture disk bursts once the so-called burst pressure is reached in the protected system, thereby discharging flow and preventing further increase in pressure. Currently, rupture disks are sized with standards and codes assuming the worst-case scenario at burst pressure. There is however no standardized procedure for sizing rupture disks with two-phase flow and there lacks suited test-facilities, test-sections, and reliable experimental data for model validation. Sizing rupture disk vent-line systems with current characteristic numbers comes with significant uncertainties, especially for high-velocity compressible flows (Schmidt, 2015). Zero-Emission and Green Safety are current trends for organizations that seek to attain innovative protection concepts beyond regulatory compliance. A procedure to size a rupture disk vent-line should accurately determine the discharge rate and pressure-drop across a rupture disk, from the point of rupture disk activation to the point when the system depressurizes fully. This procedure is critical for further safety considerations, such as for modeling the dispersion of toxic gases released during emergency-relief and calculating the emissions to the environment with time. Over-dimensioning is one measure taken today to mitigate uncertainties encountered while sizing with current methods. This is not always an option, as over-dimensioning the rupture disk vent-line system leads to unnecessary financial costs. It may also cause malfunction of the collecting systems downstream when the fluids discharged are more than the design limits. Emissions to the environment are thereby potentially higher than necessary, causing excessive harm to the environment. Under-dimensioning, on the other hand, may lead to hazardous incidents with loss of human life and equipment. This work has therefore focused on the investigation of the mass flow rate and pressure-drop through rupture disk devices with compressible gas and two-phase flow. The experimental focus was in the design, construction, and commissioning of a high-capacity, high-pressure industry-scale test facility for testing small- to large-diameter rupture disks and other fittings with gas flow. The resulting test facility is suited to test safety devices and pipe fittings at near realistic flow conditions at pressures up to 150 bar. This work also presents the design of a pilot plant for testing rupture disks with air/water two-phase flow. These test facilities open-up new frontiers for capacity testing because they have precise and state-of-the-art measurement and instrumentation. Experimental results from these facilities deliver reliable experimental data to validate proposed sizing procedures for rupture disk devices. The theoretical focus was on the development of a reliable rupture disk sizing procedure for compressible gas and two-phase flow. This required phenomenological studies of flow through rupture disks with both experiments and CFD studies. Better suited rupture disk characteristic numbers and model parameters for determining the mass flow rate and pressure-drop across rupture disks are identified. The proposed sizing procedure with compressible gas and two-phase flow predicts the dischargeable mass flow rate and pressure-drop across a rupture disk within ±4 % of measured value. Experimental validation has been undertaken with different types of rupture disks. The procedure is suited for determine the mass flow rate and pressure-drop through rupture disk seamlessly, from the point of rupture disk activation (worst-case scenario) to the point when the system fully depressurizes beyond regulatory compliance.

Forschungsrelevanter Hintergrund: Mitunter die häufigsten Verletzungen im Sport sind am Kniegelenk zu lokalisieren. Neben der hohen Prävalenzrate sind vor allem ligamentäre Schädigungen wie eine Ruptur des vorderen Kreuzbandes besonders schwerwiegend. Es sind lange Ausfallzeiten von durchschnittlich 7,5 Monaten zu verzeichnen, wobei eine vollständige Rückkehr zum ursprünglichen Leistungsniveau ungewiss ist. Auch die Wahrscheinlichkeit einer Reruptur ist deutlich erhöht und häufig bedeutet eine schwere Knieverletzung das frühzeitige sportliche Karriereende. Auch müssen betroffene Sportler oftmals mit schweren Folgeerscheinungen wie einer Gelenksarthrose rechnen. Als Risikosportarten für diese Art von Verletzungen gelten Ballsportspiele wie Fußball, Handball oder Basketball. Charakteristisch für das Auftreten einer Knieverletzung in diesen von hoher Dynamik und Schnelligkeit geprägten Mannschaftsspielen ist die Tatsache, dass sich diese mehrheitlich ohne direkten Gegnerkontakt als „non-contact“ Trauma ereignen. In der Regel findet eine Verletzung bei sportspieltypischen Manövern wie Landungen nach Sprüngen, spontanen Richtungsänderungen oder plötzlichen Drehbewegungen statt. Als Verletzungsmechanismus bei diesen Bewegungsformen ist in den meisten Fällen der sog. „Dynamische Knievalgus“ verantwortlich. Dieser ist gekennzeichnet durch ein Abknicken des Kniegelenks nach innen (Knieabduktion/Valgisierung) in Verbindung mit einer Rotation der Tibia bei geringem Flexionsgrad des Kniegelenks. Die maximale Kraftleistungsfähigkeit sowie das neuromuskuläre Aktivierungsverhalten der knieumschließenden Muskelgruppen und der Hüftmuskulatur können den Verletzungsmechanismus beeinflussen. Insbesondere die Hüftmuskulatur kann durch ihre Eigenschaften korrigierend auf die Beinachse und damit auf die Kontrolle des Kniegelenks einwirken. Die Forschungslage über die Zusammenhänge der Hüfte und deren muskulärer Strukturen hinsichtlich ihrer protektiven Wirkungsweise bildet sich jedoch defizitär und teilweise unspezifisch ab. Daher ist die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit, Kontrollmechanismen ausgehend vom Hüftgelenk in Bezug auf eine verbesserte dynamische Kniegelenksstabilität mittels eines ganzheitlichen Ansatzes zu evaluieren. Des Weiteren wird in der vorliegenden Arbeit die Wirkungsweise eines apparativen Krafttrainings gegenüber eines koordinativen Sprungtrainings mit jeweiliger Fokussierung des Hüftgelenks analysiert. Methodik: Anhand relevanter Belastungsformen (uni- und bilaterale Drop Jumps, einbeinige Landemanöver und reaktive laterale Sprungbewegungen) unter Belastungsstufen wurden bei Ballspielsportlern Situationen simuliert, in denen der beschriebene Verletzungsmechanismus auftreten kann. Dabei wurden im Sinne eines ganzheitlichen, multimodularen Screening-Verfahrens die Knie- und Hüftgelenksbewegungen mittels 3-D Kinematik erfasst. Die kinetische Analyse umfasst die Berechnung der Gelenksmomente, Bodenreaktionskräfte und die Ermittlung der maximalen Kraftfähigkeit der relevanten Hüftmuskulatur sowie der Oberschenkelstreckerkette. Der Einfluss des neuromuskulären Aktivierungsverhaltens auf die dynamische Kniegelenkskontrolle wurde über elektromyographische Verfahren abgebildet. Der Studienteil 1 untersuchte in einem Querschnittdesign die Auswirkungen der unterschiedlichen Belastungsformen hinsichtlich der Determinanten der dynamischen Kniegelenksstabilität, der Studienteil 2 diesbezügliche Zusammenhänge mit Hüftgelenksexkursionen und deren (neuro-) muskulären Strukturen. Im Rahmen des Studienteils 3 wurden in einem Längsschnittdesign zwei Interventionsgruppen (apparatives Krafttraining vs. koordinatives Sprungtraining) im Pre- zu-Posttest-Vergleich auf Unterschiede der kniestabilisierenden Parameter sowie Indikatoren für eine Verletzungsexposition hin untersucht. Zentrale Ergebnisse: In der vorliegenden Studie kann gezeigt werden, dass laterale Sprungmanöver im Vergleich zu vertikalen Sprung- oder Landemanövern größere Knie- und Hüftgelenksexkursionen aufweisen und damit eine erhöhte Belastung für diese spieltypischen Situationen einhergeht. Im Vergleich der Belastungsformen scheinen Belastungssteigerungen innerhalb einer Belastungsform einen untergeordneten Einfluss auf eine Verletzungsexposition zu haben. Vielmehr entscheidend ist die verhältnismäßige Risikoeinordnung der Belastungsformen zueinander. Für alle Bewegungen wird ein starker Zusammenhang der Hüftstellung in der Rotation mit der dynamischen Kniegelenkskontrolle festgestellt. Um die Komplexität der Kniegelenkskontrolle über die gesamte Belastungsphase abbilden zu können, wurde als neue Messmethodik die „medio-laterale Knieschlackerbewegung“ erarbeitet und mit den maximalen kinematischen Knieparametern als Indikator für die (In-)Stabilität des Kniegelenks eingesetzt. Die (neuro-) muskulären Eigenschaften der Hüftmuskulatur können insbesondere durch ihre außenrotatorische und abduzierende Wirkung Einfluss auf die Ausrichtung der Gelenkachse und damit auf die Kniegelenkskontrolle nehmen. Dabei scheinen Elemente eines koordinativen Sprungtrainings effektiver als ein apparatives Krafttraining zu sein. Fazit: Die Arbeit liefert einen Beitrag, um die komplexen Zusammenhänge der dynamischen Kniegelenkskontrolle im Kontext verletzungsrelevanter Szenarien im Sport zu evaluieren. Durch eine ganzheitliche Analyse der Knie- und Hüftgelenksbewegungen sowie der dazugehörigen kinetischen sowie (neuro-)muskulären Parameter können die gewonnenen Erkenntnisse helfen, Verletzungsmechanismen des Kniegelenks besser zu kontrollieren. Diagnostische Verfahren und Trainingsprogramme können auf dieser Basis weiterentwickelt werden, woraus durch ein tieferes Verständnis die Möglichkeiten der Verletzungsprävention zukünftig optimiert gestaltet werden können.

With the technological advancement in the field of robotics, it is now quite practical to acknowledge the actuality of social robots being a part of human's daily life in the next decades. Concerning HRI, the basic expectations from a social robot are to perceive words, emotions, and behaviours, in order to draw several conclusions and adapt its behaviour to realize natural HRI. Henceforth, assessment of human personality traits is essential to bring a sense of appeal and acceptance towards the robot during interaction. Knowledge of human personality is highly relevant as far as natural and efficient HRI is concerned. The idea is taken from human behaviourism, with humans behaving differently based on the personality trait of the communicating partners. This thesis contributes to the development of personality trait assessment system for intelligent human-robot interaction. The personality trait assessment system is organized in three separate levels. The first level, known as perceptual level, is responsible for enabling the robot to perceive, recognize and understand human actions in the surrounding environment in order to make sense of the situation. Using psychological concepts and theories, several percepts have been extracted. A study has been conducted to validate the significance of these percepts towards personality traits. The second level, known as affective level, helps the robot to connect the knowledge acquired in the first level to make higher order evaluations such as assessment of human personality traits. The affective system of the robot is responsible for analysing human personality traits. To the best of our knowledge, this thesis is the first work in the field of human-robot interaction that presents an automatic assessment of human personality traits in real-time using visual information. Using psychology and cognitive studies, many theories has been studied. Two theories have been been used to build the personality trait assessment system: Big Five personality traits assessment and temperament framework for personality traits assessment. By using the information from the perceptual and affective level, the last level, known as behavioural level, enables the robot to synthesize an appropriate behaviour adapted to human personality traits. Multiple experiments have been conducted with different scenarios. It has been shown that the robot, ROBIN, assesses personality traits correctly during interaction and uses the similarity-attraction principle to behave with similar personality type. For example, if the person is found out to be extrovert, the robot also behaves like an extrovert. However, it also uses the complementary attraction theory to adapt its behaviour and complement the personality of the interaction partner. For example, if the person is found out to be self-centred, the robot behaves like an agreeable in order to flourish human-robot interaction.

Interconnection networks enable fast data communication between components of a digital system. The selection of an appropriate interconnection network and its architecture plays an important role in the development process of the system. The selection of a bad network architecture may significantly delay the communication between components and decrease the overall system performance. There are various interconnection networks available. Most of them are blocking networks. Blocking means that even though a pair of source and target components may be free, a connection between them might still not be possible due to limited capabilities of the network. Moreover, routing algorithms of blocking networks have to avoid deadlocks and livelocks, which typically does only allow poor real-time guarantees for delivering a message. Nonblocking networks can always manage all requests that are coming from their input components and can therefore deliver all messages in guaranteed time, i.e, with strong real-time guarantees. However, only a few networks are nonblocking and easy to implement. The simplest one is the crossbar network which is a comparably simple circuit with also a simple routing algorithm. However, while its circuit depth of O(log(n)) is optimal, its size increases with O(n^2) and quickly becomes infeasible for large networks. Therefore, the construction of nonblocking networks with a quasipolynomial size O(nlog(n)^a) and polylogarithmic depth O(log(n)^b) turned out as a research problem. Benes [Clos53; Bene65] networks were the first non blocking networks having an optimal size of O(nlog(n)) and an optimal depth of O(log(n)), but their routing algorithms are quite complicated and require circuits of depth O(log(n)^2) [NaSa82]. Other nonblocking interconnection networks are derived from sorting networks. Essentially, there are merge-based (MBS) and radix-based (RBS) sorting networks. MBS and RBS networks can be both implemented in a pipelined fashion which leads to a big advantage for their circuit implementation. While these networks are nonblocking and can implement all n! permutations, they cannot directly handle partial permutations that frequently occur in practice since not every input component communicates at every point of time with an output component. For merge-based sorting networks, there is a well known general solution called the Batcher-Banyan network. However, for the larger class of radix-based sorting networks this does not work, and there is only one solution known for a particular permutation network. In this thesis, new nonblocking radix-based interconnection networks are presented. In particular, for a certain permutation network, three routing algorithms are developed and their circuit implementations are evaluated concerning their size, depth, and power consumption. A special extension of these networks allows them to route also partial permutations. Moreover, three general constructions to convert any binary sorter into a ternary split module were presented which is the key to construct a radix-based interconnection network that can cope with partial permutations. The thesis compares also chip designs of these networks with other radix-based sorting networks as well as with the Batcher-Banyan networks as competitors. As a result, it turns out that the proposed radix-based networks are superior and could form the basis of larger manycore architectures.

The neural networks have been extensively used for tasks based on image sensors. These models have, in the past decade, consistently performed better than other machine learning methods on tasks of computer vision. It is understood that methods for transfer learning from neural networks trained on large datasets can reduce the total data requirement while training new neural network models. These methods tend not to perform well when the data recording sensor or the recording environment is unique from the existing large datasets. The machine learning literature provides various methods for prior-information inclusion in a learning model. Such methods employ methods like designing biases into the data representation vectors, enforcing priors or physical constraints on the models. Including such information into neural networks for the image frames and image-sequence classification is hard because of the very high dimensional neural network mapping function and little information about the relation between the neural network parameters. In this thesis, we introduce methods for evaluating the statistically learned data representation and combining these information descriptors. We have introduced methods for including information into neural networks. In a series of experiments, we have demonstrated methods for adding the existing model or task information to neural networks. This is done by 1) Adding architectural constraints based on the physical shape information of the input data, 2) including weight priors on neural networks by training them to mimic statistical and physical properties of the data (hand shapes), and 3) by including the knowledge about the classes involved in the classification tasks to modify the neural network outputs. These methods are demonstrated, and their positive influence on the hand shape and hand gesture classification tasks are reported. This thesis also proposes methods for combination of statistical and physical models with parametrized learning models and show improved performances with constant data size. Eventually, these proposals are tied together to develop an in-car hand-shape and hand-gesture classifier based on a Time of Flight sensor.

Der Leitungsbau hat vor dem Hintergrund der aktuellen ökologischen Herausforderungen und unter dem Aspekt einer umweltgerechten und sicheren Bewirtschaftung des Abwassers nach wie vor einen hohen Stellenwert unter den kommunalen Aufgaben. Nach Erhebungen des Statistischen Bundesamts von 2016 wurden in den letzten Jahren jährlich ca. 4.600 km neue Entwässerungskanäle hergestellt. Dabei sind Baustellen immer ein Eingriff in die Umwelt. Insbesondere der innerstädtische Kanalbau hat erhebliche Auswirkungen auf den Verkehrsfluss. Im urbanen Umfeld und generell bei größeren Tiefenlagen stellt der maschinelle Rohrvortrieb eine Verlegemethode für Abwasserkanäle dar, die gegenüber der offenen Bauweise deutlich reduzierte Einschränkungen für Anwohner und Verkehrsfluss mit sich bringt. Um eine möglichst wirtschaftliche Herstellung von Leitungen zu erreichen, gehen die Bestrebungen hin zu möglichst wenigen Schachtbauwerken. In der Folge werden immer längere Vortriebsstrecken, aber auch immer mehr bogenförmige Trassen mit immer engeren Kurvenradien geplant. Durch eine gekrümmte Trassierung lassen sich insbesondere Schächte vermeiden, die im Wesentlichen dazu dienen, Hindernisse zu umgehen oder nicht geraden Straßenverläufen zu folgen. Um gekrümmten Trassen folgen zu können, müssen sich die Vortriebsrohre gegeneinander abwinkeln. Die Abwinklung führt zu einer Verkleinerung der Kontaktfläche in der Rohrfuge und zu einer Spannungsumlagerung auf die Kurveninnenseite des Rohrspiegels. Die entstehenden Spannungsspitzen können an dieser Stelle zu einer Überbeanspruchung der Rohrwandung führen. Die vorliegende Arbeit entwickelt eine alternative Ausführung der Rohrenden. Diese soll durch eine gelenkige Rohrverbindung die Kontaktfläche zwischen zwei Rohren vergrößern und das Abwinkeln in der Rohrfügung verhindern. Die Gelenkigkeit der Verbindung wird durch die Ausrundung der Rohrenden erreicht. Da die gelenkige Rohrverbindung - aufgrund ihrer Ausrundung - eine grundlegend andere Kinematik aufweist als Rohre mit ebenem Rohrspiegel, werden die Auswirkungen der Ausrundung auf die Geometrie, die Hydraulik und die Statik der neuartigen Rohre untersucht.

As visualization as a field matures, the discussion about the development of a theory of the field becomes increasingly vivid. Despite some voices claiming that visualization applications would be too different from each other to generalize, there is a significant push towards a better understanding of the principles underlying visual data analysis. As of today, visualization is primarily data-driven. Years of experience in the visalization of all kinds of different data accumulated a vast reservoir of implicit knowledge in the community of how to best represent data according to its shape, its format, and what it is meant to express. This knowledge is complemented by knowledge imported to visualization from a variety of other fields, for example psychology, vision science, color theory, and information theory. Yet, a theory of visualization is still only nascent. One major reason for that is the field's too strong focus on the quantitative aspects of data analysis. Although when designing visualizations major design decisions also consider perception and other human factors, the overall appearance of visualizations as of now is determined primarily by the type and format of the data to be visualized and its quantitative attributes like scale, range, or density. This is also reflected by the current approaches in theoretical work on visualization. The models developed in this regard also concentrate primarily on perceptual and quantitative aspects of visual data analysis. Qualitative considerations like the interpretations made by viewers and the conclusions drawn by analysts currently only play a minor role in the literature. This Thesis contributes to the nascent theory of visualization by investigating approaches to the explicit integration of qualitative considerations into visual data analysis. To this end, it promotes qualitative visual analysis, the explicit discussion of the interpretation of artifacts and structures in the visualization, of efficient workflows designed to optimally support an analyst's reasoning strategy and capturing information about insight provenance, and of design methodology tailoring visualizations towards the insights they are meant to provide rather than to the data they show. Towards this aim, three central qualitative principles of visual information encodings are identified during the development of a model for the visual data analysis process that explicitly includes the anticipated reasoning structure into the consideration. This model can be applied throughout the whole life cycle of a visualization application, from the early design phase to the documentation of insight provenance during analysis using the developed visualization application. The three principles identified inspire novel visual data analysis workflows aiming for an insight-driven data analysis process. Moreover, two case studies prove the benefit of following the qualitative principles of visual information encodings for the design of visualization applications. The formalism applied to the development of the presented theoretical framework is founded in formal logics, mathematical set theory, and the theory of formal languages and automata. The models discussed in this Thesis and the findings derived from them are therefore based on a mathematically well-founded theoretical underpinning. This Thesis establishes a sound theoretical framework for the design and description of visualization applications and the prediction of the conclusions an analyst is capable of drawing from working with the visualization. Thereby, it contributes an important piece to the yet unsolved puzzle of developing a visualization theory.

In a recent paper, G. Malle and G. Robinson proposed a modular anologue to Brauer's famous \( k(B) \)-conjecture. If \( B \) is a \( p \)-block of a finite group with defect group \( D \), then they conjecture that \( l(B) \leq p^r \), where \( r \) is the sectional \( p \)-rank of \( D \). Since this conjecture is relatively new, there is obviously still a lot of work to do. This thesis is concerned with proving their conjecture for the finite groups of exceptional Lie type.

This thesis aims to examine various determinants of perceived team diversity on the on hand, and, on the other hand, the individual consequences of perceived team diversity. To ensure a strong theoretical foundation, I integrate and discuss different conceptualizations of and theoretical approaches to team diversity, empirically examined in three independent studies. The first study investigates the relationship between objective team diversity and perceived team diversity, and as moderators individual attitudes toward diversity and perception of one’s own work team’s diversity. The second study answers the questions of why and when dirty-task frequency impairs employees’ work relations and the third study examines how different cognitive mechanisms mediate the relationships between employees’ perceptions of different types of subgroups and their elaboration of information and perspectives. Taken together, study results provide support for the selection-extraction-application model of people perception and the assumption that individuals can integrate objective team characteristics into their mental representation of teams, using them to judging the team. Moreover, results show that a fit between perceived supervisor support and perceived organizational value of diversity can buffer the effects of dirty-task frequency on perception of identity-based subgroups, as well as perceived relationship conflict and surface acting, through employees’ perceptions of identity-based subgroups. Also, perceived social-identity threat and perceived procedural fairness but not perceived distributive fairness and perceived transactive memory systems serve as cognitive mechanisms of the relationships between employees’ perceptions of different types of subgroups and their elaboration of information and perspectives. These results contribute to diversity literature, such as the theory of subgroups in work teams and the categorization-elaboration model. In addition, I propose the input-mediator-output-input model of perceived team diversity, based on the study results, and recommend practitioners to develop diversity mindsets in teams.

The gamification of mHealth applications is a critically discussed topic. On one hand, studies show that gamification can have positive impact on an app’s usability and user experience. Furthermore, evidence grows that gamification can positively influence the regular usage of health apps. On the other hand it is questioned whether gamification is useful for health apps in all contexts, especially regarding stress management. However, to this point few studies investigated the gamification of stress management apps. This thesis describes the iterative development of the gamified stress management app “Stress-Mentor” and examines whether the implemented gamification concept results in changes in the app’s usage behavior, as well as in usability and user experience ratings. The results outline how the users’ involvement in “Stress-Mentor’s” development through different studies influenced the app’s design and helped to identify necessary improvements. The thesis also shows that users who received a gamified app version used the app more frequently than users of a non-gamified control group. While gamification of stress management is critically discussed, it was positively received by the users of “Stress-Mentor” throughout the app’s development. The results also showed that gamification can have positive effects on the usage behavior of a stress management app and therefore, results in an increased exposure to the app’s content. Moreover, an expert study outlined the applicability of “Stress-Mentor’s” concept for other health contexts.

In an overall effort to contribute to the steadily expanding EO literature, this cumulative dissertation aims to help the literature to advance with greater clarity, comprehensive modeling, and more robust research designs. To achieve this, the first paper of this dissertation focuses on the consistency and coherence in variable choices and modeling considerations by conducting a systematic quantitative review of the EO-performance literature. Drawing on the plethora of previous EO studies, the second paper employs a comprehensive meta-analytic structural equation modeling approach (MASEM) to explore the potential for unique component-level relationships among EO’s three core dimensions in antecedent to outcome relationships. The third paper draws on these component-level insights and performs a finer-grained replication of the seminal MASEM of Rosenbusch, Rauch, and Bausch (2013) that proposes EO as a full mediator between the task environment and firm performance. The fourth and final paper of this cumulative dissertation illustrates exigent endogeneity concerns inherent in observational EO-performance research and provides guidance on how researchers can move towards establishing causal relationships.

Die vorliegende Dissertation thematisiert die Weiterentwicklung der Zwei-Photonen Laserlithographie zur Realisierung hochaufgelöster Maßverkörperungen für die Kalibrierung optisch-flächenhafter Topographie-Messgeräte nach DIN EN ISO 25178. Die additive Fertigung als generelle Bezeichnung für ein schicht- oder punktweise auftragendes Fertigungsverfahren prosperiert und wird in Zukunft laut der von der Bundesregierung eingerichteten Expertenkommission für Forschung und Innovation (EFI) eine wichtige Rolle als Schlüsseltechnologie einnehmen. Anstatt Bauteile z.B. aus einem soliden Block geometrielimitiert herauszufräsen, baut die additive Fertigung das entsprechende Werkstück aus Metallen, Kunst- oder Verbundwerkstoffen sukzessive auf und ist dabei von der Geometrie meist unabhängig. Dadurch ist die Technologie z.B. für das rapid prototyping interessant und erlaubt einen strukturgetriebenen Herstellungsprozess: "Die Bauteile der Zukunft werden nicht designt sondern berechnet!" (Dr. Karsten Heuser, VP Additive Manufacturing, Siemens AG bei 3D Printing and Industry 4.0: An Industry Perspective, Photonics West 2018, San Francisco, 31.01.2018 (frei übersetzt)). Speziell auf der Mikro- und Nanoskala erfreut sich die additive Fertigung einer wachsenden Bedeutung. Angefangen bei den zunächst fundamentalen Fragestellungen auf den Gebieten der photonischen Kristalle, biologischen Zelltemplaten oder Metamaterialen erhält so z.B. die Zwei-Photonen Laserlithographie, auch direct laser writing (DLW) genannt, einen immer stärkeren Einzug in die Industrie. Beim DLW werden Bereiche photosensitiver Materialien, z.B. Photolacke, mithilfe eines fokussierten Laserstrahls gezielt ausgehärtet, sodass über präzise Relativbewegungen von Lack und Fokus nahezu beliebige 3D Strukturen mit Details auf der Gröÿenordnung des Laserfokus generiert werden können. Dabei spielt die namensgebende, nichtlineare Zwei-Photonen Absorption (2PA) eine entscheidende Rolle: Nur bei einer nahezu simultanen Absorption von zwei Photonen ist die eingebrachte Energie ausreichend hoch, um die gewünschte Aushärtung des Materials zu initiieren. Der entsprechende Zwei-Photonen Absorptionsquerschnitt skaliert mit dem Quadrat der Lichtintensität und dem Imaginärteil der elektrischen Suszeptibilität dritter Ordnung chi(3), sodass beim DLW auch von einem chi(3)-Prozess gesprochen wird. Die zur Aushärtung notwendige Photonenendichte ist somit ausschlieÿlich im Fokus des verwendeten Objektivs hoch genug und erlaubt dadurch die Fertigung von Strukturdetails im Bereich von 100 nm. Eine aktuelle Anwendung findet das DLW in der Metrologie. Hier werden beispielsweise für die Kalibrierung optischer Messgeräte sogenannte Kalibrierkörper benötigt, welche als Referenzstrukturen dienen. Mit dem Wissen der entsprechenden Referenzkennwerte lassen sich die jeweiligen Messgeräteabweichungen bestimmen gegebenenfalls bei der Datenauswertung korrigieren. Dadurch werden die Ergebnisse für Forschung und Industrie verlässlicher, reproduzierbarer und vergleichbarer. Das DLW erlaubt aufgrund seiner hohen Flexibilität und Designfreiheit erstmals, sämtliche Kalibrierkörper für eine ganzheitliche Messgerätekalibrierung kombiniert auf einem einzelnen Trägersubstrat herzustellen. Um das Alterungs- und Skalierungsverhalten sowie die jeweiligen Kalibriereigenschaften der additiv gefertigten Strukturen für einen nachhaltigen technologischen Einsatz attraktiv zu halten, ist ein tiefergehendes Verständnis des entsprechenden Materialsystems unabdingbar. Unter bestimmten Bedingungen zeigt sich, dass die zeitabhängigen Veränderungen der Strukturen nach der thermisch beschleunigten Alterung nach Arrhenius auf den industriell relevanten Zeitskalen von einigen Jahren vernachlässigt werden kann. Auch die für die Kalibrierung unterschiedlicher Objektivvergröÿerungen notwendige Skalierung dieser Kalibrierkörper liefert nach entsprechender Herstellungsoptimierung verlässliche Daten: Sowohl filigrane Strukturen im Bereich einiger weniger Mikrometer und darunter zur Auflösungskalibrierung stark vergrößernder Optiken, als auch großflächige Strukturen von nahezu 1mm² für niedrigere Vergrößerungen bei ähnlicher Auflösung erweisen sich als realisierbar. Um die für eine Auflösungskalibrierung ausreichend hohe Qualität der gefertigten Kalibrierkörper auch in Zukunft zu gewährleisten, muss die Technologie des DLWs stetig weiterentwickelt werden. Die gezielte Aberrationskorrektur des strukturierenden Laserfokus stellt in diesem Kontext zwar eine vielversprechende Option dar, die etablierte iterative Phasenfrontmodifikation mittels Zernike-Polynome erweist sich allerdings als aufwendig und subjektiv. Im Hinblick auf Reproduzierbarkeit und Präzision soll daher zunächst ein passender Algorithmus Abhilfe schaffen. Das Grundprinzip beruht dabei auf dem sogenannten Gerchberg-Saxton Algorithmus, bei dem die Amplitudeninformation sowohl in der Fokus-, als auch in der Pupillenebene iterativ variiert wird. Dadurch werden die Aberrationen über die Phasenverteilung repräsentiert, welche im Anschluss zur Korrektur der Aberrationen verwendet werden kann. Diese Herangehensweise konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals auf Systeme hoher numerischer Apertur sowie auf nahezu beliebige fokale Intensitätsverteilungen erweitert werden. Die technologische Grundlage hierfür liefert ein räumlicher Lichtmodulator (spatial light modulator, SLM), der die Feldverteilung in der Pupillenebene mittels doppelbrechender Flüssigkristalle einstellt. Durch einen geschickten Aufbau können somit Phase und Amplitude des Laserstrahls über computergenerierte digitale Hologramme gezielt und ohne mechanische Einwirkung verändert werden. Die somit automatisierte Aberrationskorrektur verbessert in der Folge die Strukturierungseigenschaften der Fertigungstechnologie und damit die Qualität der resultierenden Kalibrierkörper. Eine weitere Verbesserung erfolgt in Analogie zum Nobelpreis gekürten Prinzip der STED Mikroskopie, bei der durch stimulierte Emission das effektive Anregungsvolumen verkleinert und damit die laterale Distanz zwischen zwei gerade noch aufgelösten Strukturen von einigen wenigen hundert Nanometern auf ca. fünf Nanometer verbessert wurde. In der Lithographie erfolgt die stimulierte Emission durch einen zweiten Laser via Ein-Photonen Absorption (1PA ~chi(1)), ist jedoch aufgrund komplexer photochemischer und quantenmechanischer Prozesse in den Photolacken nicht unmittelbar aus der Mikroskopie übertragbar. Die grundlegende Machbarkeit wurde bereits von anderen Forschungsgruppen verifiziert, jedoch stets mit der Limitierung auf sehr geringe Strukturierungsgeschwindigkeiten im Bereich von ungefähr 100 µm/s. Damit würden die zuvor erwähnten großflächigen Kalibrierstrukturen bei unveränderten Parametern eine Fabrikationszeit von über einem Monat beanspruchen, weswegen das Verfahren im Rahmen dieser Arbeit auf das ca. 200 mal schnellere Strukturieren mittels Galvanometerspiegel erweitert wird. Dies wird zwar durch wellenlängenabhängige Eigenschaften des Systems, wie z.B. chromatische Aberrationen erschwert, dennoch ergeben sich nachweislich einige Fortschritte: Unerwünschte Abweichungen von der Sollstruktur durch die experimentell stets vorhandene Vignettierung können deutlich reduziert werden. Außerdem kann der Parameterbereich zur Erzeugung konstant hoher Strukturqualität deutlich vergrößert werden. In Kombination mit den SLMs können somit, je nach Anforderungen der Zielstrukturen, die jeweils passenden fokalen Intensitätsverteilungen für den An- und Abregungsstrahlengang automatisiert generiert und optimiert werden. Zudem wurde durch die in dieser Arbeit erbrachten konzeptionellen Fortschritte der STED inspirierten Zwei-Photonen Laserlithographie die Grundlage für eine industrielle Anwendung der erzeugten Kalibrierstrukturen in der Metrologie gelegt.

This work describes the development of a continuum phase field model that can describe static as well as dynamic wetting scenarios on the nano- and microscale. The model reaches this goal by a direct integration of an equation of state as well as a direct integration of the dissipative properties of a specific fluid, which are both obtained from molecular simulations. The presented approach leads to good agreement between the predictions of the phase field model and the physical properties of the regarded fluid. The implementation of the model employs a mixed finite element formulation, a newly developed semi-implicit time integration scheme, as well as the concept of hyper-dual numbers. This ensures a straightforward and robust exchangeability of the constitutive equation for the regarded fluid. The presented simulations show good agreement between the results of the present phase field model and results from molecular dynamics simulations. Furthermore, the results show that the model enables the investigation of wetting scenarios on the microscale. The continuum phase field model of this work bridges the gap between the molecular models on the nanoscale and the phenomenologically motivated continuum models on the macroscale.

The advent of heterogeneous many-core systems has increased the spectrum of achievable performance from multi-threaded programming. As the processor components become more distributed, the cost of synchronization and communication needed to access the shared resources increases. Concurrent linearizable access to shared objects can be prohibitively expensive in a high contention workload. Though there are various mechanisms (e.g., lock-free data structures) to circumvent the synchronization overhead in linearizable objects, it still incurs performance overhead for many concurrent data types. Moreover, many applications do not require linearizable objects and apply ad-hoc techniques to eliminate synchronous atomic updates. In this thesis, we propose the Global-Local View Model. This programming model exploits the heterogeneous access latencies in many-core systems. In this model, each thread maintains different views on the shared object: a thread-local view and a global view. As the thread-local view is not shared, it can be updated without incurring synchronization costs. The local updates become visible to other threads only after the thread-local view is merged with the global view. This scheme improves the performance at the expense of linearizability. Besides the weak operations on the local view, the model also allows strong operations on the global view. Combining operations on the global and the local views, we can build data types with customizable consistency semantics on the spectrum between sequential and purely mergeable data types. Thus the model provides a framework that captures the semantics of Multi-View Data Types. We discuss a formal operational semantics of the model. We also introduce a verification method to verify the correctness of the implementation of several multi-view data types. Frequently, applications require updating shared objects in an “all-or-nothing” manner. Therefore, the mechanisms to synchronize access to individual objects are not sufficient. Software Transactional Memory (STM) is a mechanism that helps the programmer to correctly synchronize access to multiple mutable shared data by serializing the transactional reads and writes. But under high contention, serializable transactions incur frequent aborts and limit parallelism, which can lead to severe performance degradation. Mergeable Transactional Memory (MTM), proposed in this thesis, allows accessing multi-view data types within a transaction. Instead of aborting and re-executing the transaction, MTM merges its changes using the data-type specific merge semantics. Thus it provides a consistency semantics that allows for more scalability even under contention. The evaluation of our prototype implementation in Haskell shows that mergeable transactions outperform serializable transactions even under low contention while providing a structured and type-safe interface.

Das Ermüdungsverhalten hochfester Stähle wird durch nichtmetallische Einschlüsse im Werkstoff bestimmt, die unter zyklischer Beanspruchung zu Rissinitiierung führen. Bisher noch nicht vollständig verstandene Ermüdungsvorgänge führen auch noch bei sehr hohen Lastspielzahlen über 10^7 Zyklen zu Versagen (Very high cycle fatigue - VHCF) und somit zum Verlust der „klassischen“ Dauerfestigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zur Klärung dieses Phänomens Ermüdungsversuche mit dem hochfesten Stahl 100Cr6 durchgeführt und die VHCF-Rissinitiierung untersucht. Zusätzlich zum natürlichen Versagen durch Einschlüsse wurde die VHCF-Rissinitiierung unter definierten Bedingungen mit künstlichen Defekten nachgestellt und untersucht. Um einen Einblick in die VHCF-Ermüdungsvorgänge zu erhalten, wurde die lokale Mikrostruktur im Bereich der Rissinitiierung mittels REM, FIB, TEM und APT analysiert. Auf Basis der beobachteten Veränderungen der lokalen Mikrostruktur um Defekte und der damit einhergehenden frühen Rissausbreitung im VHCF-Bereich kann der zugrundeliegende Mechanismus, der schlussendlich für die VHCF-Schädigung verantwortlich ist, aufgeklärt werden. Durch bruchmechanische Bewertung der rissinitiierenden Defekte aus Einstufen- und VHCF-Laststeigerungsversuchen konnten zudem Schwellenwerte des Spannungsintensitätsfaktors für VHCF-Versagen in hochfesten Stählen abgeleitet werden, die die Grenzen der VHCF-Schädigung bis zu 10^9 Zyklen festlegen.

More than ten years ago, ER-ANT1 was shown to act as an ATP/ADP antiporter and to exist in the endoplasmic reticulum (ER) of higher plants. Because structurally different transporters generally mediate energy provision to the ER, the physiological function of ER-ANT1 was not directly evident. Interestingly, mutant plants lacking ER-ANT1 exhibit a photorespiratory phenotype. Although many research efforts were undertaken, the possible connection between the transporter and photorespiration also remained elusive. Here, a forward genetic approach was used to decipher the role of ER-ANT1 in the plant context and its association to photorespiration. This strategy identified that additional absence of a putative HAD-type phosphatase partially restored the photorespiratory phenotype. Localisation studies revealed that the corresponding protein is targeted to the chloroplast. Moreover, biochemical analyses demonstrate that the HAD-type phosphatase is specific for pyridoxal phosphate. These observations, together with transcriptional and metabolic data of corresponding single (ER-ANT1) and double (ER-ANT1, phosphatase) loss-of-function mutant plants revealed an unexpected connection of ER-ANT1 to vitamin B6 metabolism. Finally, a scenario is proposed, which explains how ER-ANT1 may influence B6 vitamer phosphorylation, by this affects photorespiration and causes several other physiological alterations observed in the corresponding loss-of-function mutant plants.

Intermetallische Verbindungen stellen eine relativ neue Gruppe heterogener Katalysatoren dar. Durch die Bildung von Kristallstrukturen und die damit einhergehende Änderung elektronischer und geometrischer Strukturen handelt es sich nicht einfach um Dotierungen von bestehenden Systemen, man kann viel mehr von "neuen Elementen" für die Katalyse sprechen. Jede Kombination hat ihre eigenen Eigenschaften und damit ungeahntes Potential für katalytische Anwendungen. Eine Gruppe intermetallischer Verbindungen stellen Heusler-Phasen dar. Diese Untergruppe der intermetallischen Phasen zeigt sich im Feld der Katalyse als unbeschriebenes Blatt, ist in Anwendungen der Physik aber schon ein etabliertes System. Heusler-Verbindungen weisen die Zusammensetzung X2YZ auf, die Elemente X und Y sind in der Regel Übergangsmetalle während das Z Element aus der III. – V. Hauptgruppe stammt. Es handelt sich um ein kubisches Gitter der Raumgruppe Fm3 ̅m (Nr. 225) mit Cu2MnAl als Strukturtyp bestimmende Verbindung und der Strukturberichte Bezeichnung L21. Ziel dieser Arbeit war es, SiO2 geträgerte Materialien basierend auf einer Heusler-Phase zu synthetisieren und diese auf ihre katalytische Aktivität in Modellreaktionen zu testen. Zunächst wurde eine Reihe von Verbindungen mit der Einsatzstöchiometrie X2YZ über Co Imprägnierung hergestellt. Bei allen Materialen wurde Cu als X-Element gewählt. Die Y-Position wurde mit den Elementen Ce, Co, Fe, La, Mn, Ni und Ti besetzt, während die Z-Position durch die Elemente Al, Ga, In, Sb, Si und Sn besetzt wurde. Aus den gewählten Zusammensetzungen ergaben sich 42 verschiedene Materialien. Über Röntgenbeugung wurden die fünf Kombinationen Cu2CoSn, Cu2FeSn, Cu2LaIn, Cu2NiSn2 und Cu2TiIn (jeweils 30 Gew.% auf SiO2) als aussichtsreichste Materialien bestimmt. Mit Modellsubstanzen aus dem Bereich der Alkine (2-Hexin), der Aromaten (Benzol), der Aldehyde (Aceton) und der α, β ungesättigten Aldehyde (Citral, Citronellal, Zimtaldehyd und Furfural) wurde die höchste katalytische Aktivität an dem Material 30 Gew. % Cu2NiSn/SiO2 erzielt. Für dieses Material wurde eine Optimierung der Synthese angestrebt. Als wichtigster Parameter zur Ausbildung einer nanopartikulären Heusler-Phase in der nasschemischen Synthese stellte sich der Metallgehalt auf dem Träger heraus. Die drei Charakterisierungsmethoden N2 Physisorption, XRD und TEM zeigten, dass es möglich ist, die Heusler-Phase 10 Gew. % Cu2NiSn/SiO2 über den nasschemischen Weg als nanopartikuläres Material herzustellen. Die katalytischen Eigenschaften dieses Materials wurden anhand der Modellsubstanz Zimtaldehyd umfassend untersucht sowie vergleichend mono- und bimetallische Materialien basierend auf den drei Metallen Cu, Ni und Sn herangezogen. Mit der Heusler Phase 10 Gew. % Cu2NiSn/SiO2 wurde bei einer Reaktionstemperatur von 150 °C nach 5 h ein Umsatz von 67 % mit einer Selektivität von 49 % zu Zimtalkohol erzielt, während das thermodynamisch begünstige Produkt Hydrozimtaldehyd mit einer Selektivität von lediglich 30 % gebildet wurde. Die Heusler Verbindung weist die höchste Chemoselektivität zu Zimtalkohol aller in dieser Arbeit getesteten Systeme auf. Während die Aktivität des in dieser Arbeit entwickeltem Heusler-Materials Cu2NiSn/SiO2 geringer ist, können mit der Literatur vergleichbare Selektivitäten zu Zimtalkohol erreicht werden. Die Ergebnisse zur chemoselektiven Hydrierung eines nasschemisch hergestellten Materials zeigen somit die Vielseitigkeit und das große Potential von intermetallischen Heusler Verbindungen in der heterogenen Katalyse.