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Item Open Access Strukturelle Eigenschaften von Cu(In,Ga)(Se,S)2 Dünnschichten(2003) Kötschau, Immo Michael; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)In Cu(In,Ga)(S,Se)2-Dünnfilmen treten, je nach Wachstum, auf natürliche Weise teilweise recht große Zusammensetzungsgradienten auf. Einerseits wurde an In-reichem Material eine Cu-arme Oberflächendefektschicht entdeckt, andererseits sorgt die Dynamik Cu-reicher Wachstumsprozesse für einen über die gesamte Schichtdicke veränderlichen Ga- oder S-Gehalt. Die gezielte Beeinflussung der tiefenabhängigen Konzentration von Ga und S kann unter anderem dazu genutzt werden, Rekombinationsverluste innerhalb der Solarzelle zu minimieren. Solches "Bandgap-Engineering" führte bereits zu entscheidenden Verbesserungen des Wirkungsgrades von Cu(In,Ga)(S,Se)2-Solarzellen. Für die gezielte quantitative Untersuchung der tiefenabhängigen Zusammensetzung in Dünnfilmen standen bisher ausschließlich nicht zerstörungsfreie Methoden zur Verfügung. Insbesondere können die mit Sputtermethoden erzielten Tiefenprofile der Zusammensetzung aufgrund des Sputterprozesses selbst stark fehlerbehaftet sein. Wegen dieser Problematik entwickelt diese Arbeit eine alternative Methode. Es hat sich gezeigt, dass sich Röntgenbeugungsspektren von Cu(In,Ga)(S,Se)2-Dünnfilmen, gemessen unter streifendem Einfall (Grazing Incidence X-Ray Diffraction; GIXRD), korrekt mittels eines Schichtenabsorptionsmodells, in welchem über die Absorption gewichteter Anteile aus unterschiedlich tiefen Schichten das Beugungsspektrum als Summe über alle Schichten berechnet wird, beschreiben lassen. Eine quantitative Auswertung von Strukturdaten, insbesondere die Verfeinerung von Zusammensetzungstiefenprofilen, ist damit möglich. Um die Gültigkeit der Modellierung einzugrenzen, erfolgte die Betrachtung und ausführliche Diskussion aller in der Praxis vorkommender apparate- und probenspezifischer Effekte. Während die Wechselwirkung von Oberflächenrauigkeiten und Brechung durch einfache Transformationen zu kompensieren sind, können beispielsweise tiefenabhängige Unterschiede der bevorzugten Orientierung Probleme aufwerfen, wenn über ihre Tiefenabhängigkeit keine Daten vorliegen. Prinzipiell ist jedoch die Untersuchung der Einflüsse aller Eingangsparamter, seien sie apparatebedingt oder durch die Probe selbst verursacht, möglich, solange alle übrigen Parameter bekannt sind. Eine eindeutige Verfeinerung von Tiefenprofilen muss dabei immer die Voraussetzung erfüllen, dass ein und derselbe Eingangsparametersatz gleichzeitig alle unter verschiedenen Einfallswinkeln gemessenen Spektren hinreichend genau beschreibt. Die Verfeinerung von Zusammensetzungstiefenprofilen erfolgt praktisch durch den Vergleich gemessener und simulierter Spektren, wobei dies in der jetzigen Fassung des dafür entwickelten Simulationsprogrammes (Thin Film X-Ray Diffraction Absorption Utility; TFXDAU) interaktiv geschieht. Die Eindeutigkeit der Anpassung hängt vom Umfang der a priori zur Verfügung stehenden Eingangsparameter ab. Liegen beispielsweise aufgrund des Wachstumsprozesses Informationen über mögliche Tiefenprofile bereits vor, lassen sich geeignete Modellfunktionen (Diffusionsprofile, Stufenfunktionen etc.) schrittweise durch vergleichende Simulationen anpassen. So gelang es, einen mehrstufigen S-Se-Gradienten des Anionen-Untergitters in einer Cu(In,Ga)(S,Se)2-Schicht detailgenau nachzuweisen. Die Veränderungen, die sich dabei gegenüber dem mit Sekundärionen-Massenspektrometrie gemessenen Tiefenprofil ergaben, ließen sich auf Messartefakte zurückführen, die der Sputterprozess selbst verursacht hat. Ebenso war ein In-Ga-Gradient im Kationen-Untergitter einer Cu(In,Ga)Se2-Schicht mit einer Tiefenauflösung von unter 50nm nachzuweisen. Die Gradierungen erstrecken sich dabei immer über die ganze Schichtdicke. In diesem Sinne erreicht diese Arbeit ihr eigentliches Ziel: die Entwicklung einer Methode, mit der die Tiefenabhängigkeiten der strukturellen Eigenschaften, welche auf das Engste mit den elektronischen Eigenschaften (Verlauf der Bandkanten) in Verbindung stehen, zu bestimmen sind. Als "Nebenprodukt" eignet sich diese Modellierung dazu, die integralen Ga- und S-Gehalte an homogenen Proben bis auf 2% genau zu bestimmen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Möglichkeiten des Schichtenabsorptionsmodells noch nicht ausgeschöpft sind. Oberflächennahe Zusammensetzungsgradienten zeigen in Beugungsspektren, die unter kleinsten Einfallswinkeln gemessen werden, noch deutliche Auswirkungen. Die Existenz der immer wieder ins Spiel gebrachten Cu-armen Oberflächendefektschicht war mit Hilfe der Modellierung Cu-armer Oberflächen eindeutig nachzuwiesen. Überdies ließ sich ein Zusammenhang zwischen integralem Cu-Gehalt und der mittleren Dicke der Cu-armen Oberflächendefektschicht belegen.Item Open Access Optimierung eines Portfolios mit hydro-thermischem Kraftwerkspark im börslichen Strom- und Gasterminmarkt(2003) Bagemihl, Joachim; Voß, Alfred (Prof.-Dr.)Terminbörsen für Strom und Gas sind von grundlegender Bedeutung für die Planungsprozesse der durch das Unbundling geschaffenen Unternehmenszweige Erzeugung und Handel. Für die Kraftwerkseinsatzplanung bedeutet dies, daß nicht mehr primär die langfristige Lastprognose, sondern in zunehmendem Maße die Terminpreise der Futureskontrakte den Kraftwerkseinsatz bestimmen. Dem Stromhandel müssen zur Bewertung der Börsenprodukte hingegen die Kosten der Erzeugung im konzerneigenen Kraftwerkspark bekannt sein. Da sich aber beide Akteure wechselseitig beeinflussen, muss der Kraftwerkseinsatz gemeinsam mit dem Stromhandel ko-ordiniert werden, um zu einem gesamtwirtschaftlichen Optimum im Konzern zu gelangen. Die vorgestellte Methode zur Optimierung eines Portfolios mit hydro-thermischem Kraftwerksparks erlaubt dem Konzern die Identifizierung eines optimalen Geschäftsportfolios, in dem mit Ausnahme nicht ausgelasteter Kraftwerkskapazitäten keine offenen Positionen zu-gelassen werden. Ausgehend von einem hydro-thermischen Kraftwerkspark mit Jahresspei-cherkapazitäten für Wasser und Gas kann unter Berücksichtigung von Restriktionen, wie begrenzten Gas-/Strom-Durchleitungskapazitäten und Limits auf Handelsmengen, bei signifi-kanten Änderungen der Terminpreise die jeweils gewinnoptimale Veränderung im Portfolio identifiziert werden. Aufgrund der vielfältigen Freiheitsgrade, die ein solches hydro-thermi-sches System aufweist, ist es auf Basis des vorgestellten Verfahrens möglich, allein durch die Marktpreisbewegungen der unterschiedlichen börslich gehandelten Produkte im täglichen Handelsgeschäft, zusätzliche Margen zu erwirtschaften. Die langen Planungshorizonte, vorgegeben durch die Laufzeiten der Produkte an Termin-börsen (EEX bis 18 Monate), bedingen bei der Optimierung hohe Rechenzeiten und erfordern daher oft problemangepaßte Algorithmen wie etwa die Langrange Relaxation. Durch das Auf-treten neuer Handelsprodukte und die häufige Veränderung der Vertragsformen kann mit die-sen Algorithmen nur schwer entsprechend flexibel reagiert werden, da die Anpassung meist mit hohem Aufwand verbunden ist. Das Standardverfahren der Gemischt-Ganzzahlig-Linearen Programmierung (GGLP) bietet hier entscheidende Vorteile, da der dabei verwendete Lösungs-algorithmus Branch & Bound unabhängig von der Problemstellung angewendet werden kann. Die vorgestellte Methode basiert auf einem Dekompositionsansatz im Zeitbereich, so daß die für schnelle Reaktionszeiten nötigen Rechenzeiten von wenigen Minuten erreicht werden kön-nen. Das System zur Optimierung des Portfolios wurde mit dem Energiemanagementsystem MESAP/PROFAKO realisiert.Item Open Access From microscopic simulations towards a macroscopic description of granular media(2003) Lätzel, Marc; Luding, Stefan (PD Dr.)Sitzt man am Strand und beobachtet Kinder beim Bau von Sandburgen oder Pferde die über den Sand galoppieren, wird sich kaum jemand Gedanken über eine mathematische Beschreibung des Sandes machen. Dennoch lohnen sich diese Gedanken. Sand gehört zu einer Gruppe von Materialien, die als granulares Material oder Schüttgut bezeichnet wird. Im alltäglichen Gebrauch fallen uns granulare Materialien meist nicht auf, obwohl bereits beim Frühstück das Kaffeepulver oder die Cornflakes Beispiele granularer Medien sind. Zucker, Tabletten oder Zahncreme sind weitere Beispiele granularen Materials im Haushalt. Auch im industriellen Umfeld sind Schüttgüter wie Erze, Zement oder auch Plastikgranulate omnipräsent. Aufgrund ihrer Allgegenwärtigkeit erscheinen Granulate häufig als einfach und gut verstanden, allerdings geben einige Phänomene im Verhalten von Schüttgütern bis heute Rätsel auf. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Scherzonen und Dilatanz in einem gescherten Granulat, ihrer Modellierung und theoretischen Beschreibung. Der Aufbau der Arbeit spiegelt diese Ziele wider, indem zunächst ein experimentelles Modellsystem vorgestellt und anschließend mittels einer Molekulardynamik simuliert wird. Um einen Vergleich von Experiment und Simulation zu ermöglichen, wird ein geeigneter Mittelungsformalismus entwickelt, um aus den diskreten "mikroskopischen" Größen der Simulation "makroskopische" Messgrößen zu erhalten. Dieser Formalismus wird verwendet, um kinematische Größen wie Geschwindigkeitsprofile und Rotationen in der Simulation der Scherzelle zu ermitteln und mit den experimentellen Daten zu vergleichen. Aufgrund der gefundenen Vergleichbarkeit von Experiment und Simulation lassen sich dann vertrauenswürdige Aussagen auch über Größen treffen, die im Experiment gar nicht oder nur schwer zugänglich, jedoch für das Verständnis der Vorgänge innerhalb des Granulates hilfreich sind. Im Rahmen eines kontinuumstheoretischen Ansatzes werden die Spannungen und die Deformationen des Granulates bestimmt. Zusätzlich wird der Fabric-, oder Strukturtensor ermittelt, mit dessen Hilfe sich Aussagen über die innere Struktur des Schüttgutes, wie beispielsweise den Grad der Anisotropie, treffen lassen. Die ermittelten Feldgrößen werden dann verwendet, um Materialkenngrößen einer Kontinuumstheorie zu bestimmen. Dazu wird zunächst ein elastisches Materialgesetz nach Hooke verwendet und der Elastizitäts- und Schermodul berechnet. Da es sich zeigt, dass die Rotationen der einzelnen Körner im System eine wichtige Rolle für das Verhalten des Materials insbesondere in der Scherzone spielen, führen wir einen Cosserat-Ansatz ein, in welchem die klassische Kontinuumstheorie um die rotatorischen Freiheitsgrade erweitert wird. Daher müssen die Bilanzrelationen um Gleichungen für Momente und Krümmungen erweitert werden. Diese Größen werden ebenfalls aus den Simulationen bestimmt und eine neue Materialgröße, die Verdrehungssteifigkeit errechnet. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse der Simulationen mit den Vorhersagen eines elasto-plastischen Cosserat-Modells verglichen. Da experimentelle Daten für diesen Vergleich fehlen, bietet die Simulation hier erstmals die Möglichkeit einen Test des Modells durchzuführen.Item Open Access Ladungsträgertransport in farbstoffsensibilisierten Solarzellen auf Basis von nanoporösem TiO2(2003) Kron, Gregor; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung und der elektrischen Charakterisierung farbstoffsensibilisierter Solarzellen (FSSZ), die zum einen mit dem flüssigen Iodid/Triiodid-Redoxelektrolyt, zum anderen mit einem organischen Festkörperlochleiter arbeiten. Entlang des Weges eines am Frontkontakt injizierten Elektrons untersuche und modelliere ich vier verschiedene funktionale Prozesse an den Grenzschichten und in den einzelnen Medien. Dabei vergleiche ich teilweise die beiden FSSZ-Typen miteinander. Der Einfluß des Frontkontaktmaterials auf die Extraktion photogenerierter Elektronen bildet den ersten Schwerpunkt der Arbeit. Das effektive Banddiagramm der FSSZ im thermodynamischen Gleichgewicht zeigt, daß sich am Frontkontakt eine eingebaute Spannung aufbaut, die vom verwendeten Kontaktmaterial abhängt. Eine im Experiment vorgenommene Variation der Frontkontaktmaterialien in der FSSZ modifiziert aufgrund der unterschiedlichen Austrittsarbeiten die eingebaute Spannung. Die Größe der eingebauten Spannung am Frontkontakt wirkt sich wenig auf die Leerlaufspannung des Bauelements aus, sondern spiegelt sich vor allem in der Form der I/V-Kurven wider. Den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Admittanzspektroskopie der FSSZ. Entsprechend der Theorie der klassischen Diffusionsadmittanz am pn-Übergang bestimmt die Diffusion von Elektronen im TiO2 die Admittanz der Elektrolyt-FSSZ. Im Falle der Festkörper-FSSZ zeigt die Analyse der Admittanzdaten negative Kapazitätswerte, gleichbedeutend einer Induktivität. Die Auswertung von I/V-Kennlinien der beiden verwendeten FSSZ-Typen zeigt, daß die Leerlaufspannung der Festkörper-FSSZ parallel zur Titandioxid-Schichtdicke d zunimmt. Die Elektrolyt-FSSZ verhält sich konträr dazu und damit im Sinne konventioneller Solarzellen normal. Um die besondere Abhängigkeit für den Fall des organischen Lochleiters zu erklären, wird ein quantitatives Modell entwickelt. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung und Modellierung des Ionentransports in der Elektrolyt-FSSZ. Mit Hilfe eines der realen Solarzelle ähnlichen Bauelements, bei dem sich die poröse Titandioxidstruktur direkt auf einer Platin-Frontelektrode befindet, werden die limitierenden Diffusionsstromdichten bestimmt. Parallel dazu wird ein detailliertes Modell erstellt, welches die seriell verknüpften Diffusionsprozesse im porösen Medium und im Elektrolytvolumen berücksichtigt. Durch Anpassung der experimentellen Daten, an die Theorie, erhält man schließlich die Triiodiddiffusionskonstante im Volumen und eine effektive Diffusionskonstante im nanoporösen Medium. Zusätzlich läßt sich ein auf die jeweilige FSSZ angepaßtes, optimales Verhältnis zwischen der Dicke der TiO2-Schicht und der des Elektrolytvolumens, sowie eine optimale Triiodidkonzentration im Elektrolyt berechnen.Item Open Access Untersuchungen zur aerodynamisch induzierten Schwingungsanregung von Niederdruck-Laufschaufeln bei extremer Teillast(2003) Truckenmüller, Frank; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die heutigen Marktanforderungen führen bei Dampfturbosätze zu einem stark variablen Betrieb, der in der Gesamtturbine oder in einzelnen Stufen häufiger eine sehr geringe oder sogar gar keine Durchströmung hervorruft. Dieser Betriebszustand wird Ventilation genannt, er stellt für den Turbosatz durch die auftretenden thermischen und dynamischen Belastungen eine zusätzliche Beanspruchung dar, die berücksichtigt werden muß. An einer dreistufigen Niederdruck-Modelldampfturbine wurden umfangreiche Untersuchungen im Betriebsbereich der extremen Teillast durchgeführt, wobei neben der Ermittlung der thermischen Belastung im Bereich der letzten drei Stufen die Bestimmung der dynamischen Schaufelbelastung der letzten Laufschaufelreihe das Ziel war. Die Untersuchungen ergaben maximale Temperaturen von bis zu 300°C zwischen der Vorstufe (L-1) und der Endstufe (L-0) bei geschlossenem Frischdampfschieber. Die Gegenüberstellung der gemessenen Ventilationsverluste von ein- und dreistufigem Modellaufbau zeigte, daß die Verluste des einstufigen Aufbaus in der gleichen Größenordnung wie beim dreistufigen Aufbaus lagen. Bei einem Volumenstrom kleiner 23% von der Auslegung stellt sich bei beiden Versuchskonfigurationen für das letzte Laufrad eine nahezu konstante Leistungsaufnahme ein. Pneumatische Strömungsfeldmessungen im Bereich der letzten Stufe zeigen, daß sich vor dem Endstufenlaufrad bei abnehmendem Volumenstrom eine starke Zunahme der Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung ausbildet; das Fluid wird, beginnend vom Spitzenschnitt, durch die Laufschaufel mitgerissen. Im Bereich der extremen Teillast wurde, neben einer moderaten Zunahme der Wechseldeh-nungsbelastung durch eine stochastische Anregung aller Schwingungs-Eigenformen der Endstufenlaufschaufel, in einem schmalbandigen Bereich des Volumenstromes eine dominante Anregung der zweiten und der dritten Eigenform festgestellt. Während bei der dritten Schwingungsform ein nur mäßiger Anstieg des Amplitudenniveaus gemessen wurde, zeigte sich bei der zweiten Eigenform eine bis zu sechsfache Amplitudenüberhöhung gegenüber dem sonst niedrigen Niveau. Die dynamische Belastung lag in allen Betriebsbereichen unter der Dauerschwingfestigkeit der Laufschaufel. Bei instationären Strömungsfeldmessungen wurden im äußeren Bereich des Strömungskanals vor und nach der letzten Laufreihe in einem Lastbereich zwischen 11 und 22% des Auslegungsvolumenstromes stark fluktuierende Wechseldruckanteile gemessen. Hierbei handelt es sich um pulsierend umlaufende Druckzellen, die im Relativsystem generiert werden. Der Entstehungsort und der Volumenstrombereich fallen mit der bereits erläuterten starken Zunahme der Strömungsgeschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zusammen. Die mit abnehmendem Volumenstrom geringere Differenz zwischen Fluidgeschwindigkeit und Umlaufgeschwindigkeit der Laufschaufel führt im Relativ- sowie im Absolutsystem zu einer starken Frequenzänderung dieser Wechseldruckanteile. Weiterhin vergrößert das Auftreten von höheren Ordnungen der Pulsationsfrequenz die Bandbreite der möglichen Erregerfrequenz. Dadurch stellt dieses Strömungsphänomen eine nicht zu unterschätzende Gefährdung der Laufbeschaufelung von Endstufen dar, hervorgerufen durch eine zu hohe Schwingbelastung infolge aerodynamisch induzierter Zwangsanregung.Item Open Access Die Nutzung des GPS zur dreidimensionalen Ionosphärenmodellierung(2003) Dettmering, Denise; Kleusberg, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Die freien Elektronen in der Erdatmosphäre beeinflussen die Ausbreitung elektromagnetischer Signale. Für die Nutzung satellitengestützter Navigationssysteme (wie beispielsweise das Global Positioning System GPS), welche mit Frequenzen größer als 30 MHz arbeiten, wird der Einfluss der Ionosphäre auf die Radiosignale gemeinhin als Fehlerquelle für die genaue Positionierung auf der Erde betrachtet. Andererseits kann man den ionosphärischen Refraktionseffekt auch nutzen, um aus GPS-Messungen Modelle über die Verteilung der freien Elektronen in der Erdatmosphäre abzuleiten. In der vorliegenden Arbeit wird ein Algorithmus zur dreidimensionalen globalen Modellierung der freien Elektronen in der Ionosphäre vorgestellt, analysiert und bewertet. Er basiert auf Zweifrequenz-GPS-Messungen global verteilter Bodenstationen sowie von GPS-Empfängern auf erdnahen Satelliten (LEO). Der entwickelte Ansatz modelliert die horizontale Elektronenverteilung durch eine Kugelfunktionsentwicklung, die mit Chapman-Funktionen für die Vertikalprofile verknüpft wird. Um zu optimalen Ergebnissen zu gelangen, erfolgt die Schätzung der unbekannten Funktionskoeffizienten im Rahmen einer Ausgleichung nach kleinsten Quadraten bzw. sequentiell über ein statisches Kalman-Filter. Simulationen zeigen, dass bei optimaler Modellauflösung mit diesem Ansatz Genauigkeiten in den Ionosphärenverzögerungen erreicht werden können, die bis auf Zentimeterniveau den Beobachtungsunsicherheiten der eingesetzten Daten entsprechen. Das bedeutet für die Chapman-Parameter Genauigkeiten von ca. einem halben Kilometer, maximal 0.2 TECU Fehler im VTEC und Unsicherheiten kleiner als 0.05 ns für die Hardwarebias. Wegen fehlender LEO-Satelliten kann dieses Ergebnis allerdings nicht vollständig mit realen Daten verifiziert werden. Zur Zeit ist die Modellierungsgenauigkeit für Bodenstationsdaten deshalb auf ca. 0.2m begrenzt, so dass der Übergang von der zweidimensionalen auf die dreidimensionale Modellierung für Einfrequenz-GPS-Korrekturen in der momentanen Situation nur Vorteile bei hoher Ionosphärenaktivität und in Äquatornähe mit sich bringt.Item Open Access Untersuchungen zum Zelltod in eukaryotischen Zellpopulationen und Einzelzellen mittels Videomikroskopie und digitaler Bildanalyse(2003) Falkner-Tränkle, Kerstin; Gilles, Ernst Dieter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential videomikroskopischer und bildanalytischer Methoden bei der Untersuchung des Zelltodes von eukaryotischen Zellpopulationen und einzelnen Zellen aufgezeigt. Zunächst wurde ein PC-gesteuertes Bildanalysesystem aufgebaut, mit dessen Hilfe die Bestimmung der Zellvitalität von CHO-Zellen (Chinese Hamster Ovary) in Fermentationsprozessen schnell und reproduzierbar durchgeführt werden kann. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, daß die Bestimmung lebender und toter Zellen bei der verwendeten CHO-Kultur mittels Vitalfärbung vorgenommen werden kann. Zusätzlich zu dem enormen Vorteil der raschen Auswertung vieler Proben ergab ein statistischer Vergleich der Zählergebnisse aus der manuellen und bildanalytischen Methode eindeutig eine bessere Reproduzierbarkeit der bildanalytischen Methode. Das aufgebaute Bildanalysesystem arbeitet mittels Programm-Makro automatisiert, so daß eine PC-gesteuerte on-line Anbindung an Prozeßleitsysteme von Fermentern möglich ist. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Videomikroskopiesystem für Fluoreszenzversuche entsprechend erweitert, um sehr spezifische Untersuchungen durchzuführen, welche eine weitere Aufklärung von Signalkaskaden im Ablauf des apoptotischen Zelltodes bringen sollten. Im Mittelpunkt dieser Untersuchungen stand die Lokalisierung und Quantifizierung einzelner intrazellulärer Signalmoleküle sowie die Charakterisierung mitochondrialer Funktionsänderungen. Dabei war es möglich, die Auswirkungen verschiedener Stimulantien und unterschiedlicher Mutanten auf die Bildung von membran-assoziierten Signalkomplexen unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen und Aussagen über die zeitlichen Abläufe der Translokationsvorgänge zu machen. Unter Einsatz einer temperierten Zellkammer gelang die Quantifizierung des Signalmoleküls TRAF2 in diesen Signalkomplexen. Die gewonnenen Daten können in die Modellbildung eingebracht werden und so den Ausbau der entwickelten mathematischen Modelle für den ersten Teil der apoptotischen Signalkaskade, die Bindung von Rezeptor-Ligand und anschließende Bildung intrazellulärer membran-assoziierter Signalkomplexe, unterstützen.Item Open Access Ganzheitliche modellbasierte Sicherheitsanalyse von Prozessautomatisierungssystemen(2003) Biegert, Uwe; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Der Betrieb von Prozessautomatisierungssystemen ist immer mit einem gewissen Risiko verbunden. Ein Prozessautomatisierungssystem gilt dann als sicher, wenn das vorhandene Risiko zu keiner Zeit ein so genanntes Grenzrisiko überschreitet. Wird das Grenzrisiko überschritten, so droht Menschen und Umwelt unmittelbar ein Schaden. Mit Hilfe von Sicherheitsanalysen kann das vorhandene Risiko untersucht und abgeschätzt werden. Klassische Sicherheitsanalysen betrachten in der Regel nur einzelne Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems, welches aber im Allgemeinen aus drei verschiedenen Bestandteilen besteht: dem technischen System, dem Rechnersystem und dem Bedienpersonal. Was passiert aber, falls im technischen System ein Bauelement ausfällt, die Automatisierungssoftware Fehler enthält und zur gleichen Zeit das Bedienpersonal falsche Bedieneingriffe ausführt? Solche Fragen können mit klassischen Sicherheitsanalysen nur unzureichend beantwortet werden. Hinzu kommt, dass bei den meisten klassischen Sicherheitsanalysen die eigentliche Analyse des Systems in Form von Brainstorming-Prozessen durchgeführt wird. Dabei kann der Mensch niemals alle möglichen Kombinationen des Zusammenspiels zwischen den Bestandteilen überblicken und bewerten. In der vorliegenden Arbeit wird ein modellbasierter Ansatz zur Durchführung einer ganzheitlichen Sicherheitsanalyse vorgestellt, welche alle Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems berücksichtigt. Die Ausführung erfolgt rechnergestützt. Auf Grund der Komplexität von Prozessautomatisierungssystemen wird eine qualitative komponentenorientierte Modellierungsmethode gewählt. Die Systemgrößen werden durch qualitative Intervallvariablen beschrieben, wobei die definierten Intervallbereiche zusätzlich durch qualitative Ausdrücke kommentiert werden. Durch Kombination von Intervallbereichen entstehen kommentierte Situationen, die das Verhalten wiedergeben. Dabei wird sowohl der bestimmungsgemäße als auch der fehlerhafte Betrieb berücksichtigt. Anhand der Systemstruktur werden die Modelle der Bestandteile miteinander kombiniert, um alle möglichen Situationen des gesamten Prozessautomatisierungssystems zu erhalten. Anschließend werden die ermittelten sicherheitskritischen Situationen des Prozessautomatisierungssystems bewertet und es wird entschieden, ob Sicherheitsmaßnahmen notwendig sind. Durch das rechnergestützte Vorgehen lassen sich im Unterschied zu klassischen Methoden beliebig viele Fehlerkombinationen analysieren und damit Sicherheitslücken im Prozessautomatisierungssystem ermitteln. Das komplexe Zusammenspiel der Bestandteile wird mit Hilfe des qualitativen Modells transparent und analysierbar. Das Modell ist auf Grund seines qualitativen Charakters einfach anzuwenden und die Ergebnisse können leicht interpretiert werden.Item Open Access Erhöhung der Verfügbarkeit von Daten für die Gestaltung und Berechnung der Zuverlässigkeit von Systemen(2003) Schüppenhauer, Lutz; Lechner, Gisbert (Prof. Dr.-Ing.)Zuverlässigkeit eine wichtige Produkteigenschaft - für die Hersteller wie für die Nutzer. Zutreffende Vorhersagen der Zuverlässigkeit von Produkten in einem frühen Stadium ihrer Entwicklung sparen Zeit und Kosten. Die entwickelten theoretischen Methoden der Prognose der Einzelteilzuverlässigkeit (Lebensdauerverteilungen) wie der Systemzuverlässigkeit könnten das bewirken. In der Praxis behindert aber Datenmangel ihre breite Anwendung. Die Herstellen generieren Zuverlässigkeitsdaten durch die Erprobung von Einzelteilen, Aggregaten und ganzen Maschinen unter Labor- und Feldbedingungen. Weitere Daten können über den Kundendienst gewonnen werden, durch Garantiedaten, Ersatzteilverkäufe und Wartungsverträge, doch wird der Zugang zu Daten über die Produktlebensdauer immer schwieriger und aufwendiger. Die Nutzer erfahren Zuverlässigkeit durch (Nicht-)Ausfälle. Zuverlässigkeitsinformationen können über Instandhaltungsdaten, Verfügbarkeit, Ersatzteilverbrauch und Betriebskosten erfaßt werden. Für eine effektive Auswertung von Zuverlässigkeitsinformationen und Anwendung der Zuverlässigkeitsmethoden ist die Entwicklung eines computerbasierten „Informationssystems für die Projektierung der Zuverlässigkeit“ (IPZ) notwendig. Alle Bereiche, die sich mit Zuverlässigkeit befassen, wie Konstruktion, Versuch und Zuverlässigkeitsanalyse, sollten das IPZ nutzen. Ein Informationssystem besteht im allgemeinen aus 3 Modulen: (1) Methoden, (2) Datenbank und (3) Modelle. Letztere vereinfachen die Wiederholung gleichartiger Fälle durch die Beschreibung der Auswahl der Methoden mit den zugehörigen Parametern sowie den notwendigen Daten in Qualität und Quantität, geben Interpretationshilfe und vereinfachen die Dokumentation. Eine Literatursammlung und ein Servicekommunikationssystem für Probleme und Lösungen können ebenso eingebunden werden. Die Entwicklung eines Informationssystems, das alle Bedürfnisse von Herstellern verschiedener Branchen, von Nutzern und von wissenschaftlichen Einrichtungen gleichermaßen befriedigt ist zu komplex und nicht vorstellbar. So wurde eine allgemeine Methode zum Aufbau eine IPZ entwickelt und ein beispielhaftes System praktisch umgesetzt. Ein IPZ muß das konventionelle Erreichen von Zuverlässigkeitsvorgaben ermöglichen: wenn vorhandenes Wissen und Erfahrungen nicht ausreichen, kommt ein Zuverlässigkeitsmodell zur Anwendung. Es werden eine oder mehrere Methoden angewandt, die wiederum die notwendigen Daten in Qualität und Quantität bestimmen. Sind die Daten nicht verfügbar, müssen sie generiert oder gesammelt werden. Nach der Berechnung und Interpretation der Ergebnisse können die Vorgaben erfüllt sein, oder ein iterativer Prozeß muß einsetzen, bis das erreicht ist. Die Softwareentwicklung besteht aus drei Schritten: 1. Das Konzeptionelle Modell: ein Ausschnitt der Realität wird in einem „Entity-Relationship-Diagramm“ beschrieben. 2. Dieses wird in das Logische Datenmodell überführt und die semantischen Ausdrücke mit Normalisierungsregeln überarbeitet. 3. Die Physische Datenbankstruktur wird entwickelt, z.B. in zweidimensionalen Tabellen. Die Softwarespezifikationen werden mit der „Must – Want – Nice“ Methode festgelegt. Die Hardwareauswahl erfolgt mit Auswahltabellen. Nach der Entscheidung über den Typ des Datenbankmanagementsystems (relational oder objektorientiert) erfolgt die Entscheidung für ein konkretes Softwareprodukt. Das Lastenheft ist Grundlage der Softwareentwicklung. Ein beispielhaftes Informationssystems für die Projektierung der Zuverlässigkeit wurde entwickelt. Zentraler Bestandteil ist die „Datenbank Zuverlässigkeitsprojektierung“, die folgendes enthält: · einen maus-sensitiven Baum der Maschinenelemente · Identifizierungsdaten · Belastungsdaten (Kräfte, Momente, Umgebungseinflüsse) · Belastbarkeitsdaten (Geometrie-, Material- und Fertigungsangaben) · Parameter der Weibull-Lebensdauerverteilung · Reparatur- und Austauschparameter (6 verschiedene Instandhaltungsstrategien: Austausch nach Ausfall; Austausch nach einer bestimmten Lebensdauer der Maschine oder des Teils – jeweils abhängig oder unabhängig von seinem Zustand; permanente Zustandsüberwachung). Die Lebensdauer- und Instandhaltungsdaten werden von der Datenbank an die Systemzuverlässigkeitssimulation „Reliability of Serviceable Systems“ (ROSS) übergeben. ROSS berechnet Dichtefunktionen des vorbeugenden Austausches, der Ausfallhäufigkeit und des Ersatzteilbedarfs. Diese Kurven werden wiederum in der Datenbank gespeichert. Wenn das Verhalten aller beteiligten Elemente berechnet wurde, wird ein Seriensystem aus ihnen generiert und dessen Ausfallhäufigkeit und die der beteiligten Elemente gemeinsam dargestellt. Dies wird wiederum in der Datenbank Zuverlässigkeitsprojektierung zur Dokumentation gespeichert. Zusätzlich können auch angenommene Daten simuliert werden – ein spezieller Parameter erlaubt die Unterscheidung von realen Daten. Am Beispiel einer Ackerschlepper-Abgasanlage ist die Anwendung dargestellt.Item Open Access Modellierung und Optimierung von Ein- und Zweiphasen-Strahlverdichtern im stationären Betrieb(2003) Cizungu, Kabiona Izuba; Groll, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modellierung und Simulation eines Ein- und Zweiphasen-Dampfstrahlverdichters im stationären Betrieb mit besonderem Hinblick auf dessen Einsatz in einer Strahlkälteanlage. Das entwickelte eindimensionale Berechnungsmodell stützt sich auf die Erhaltungssätze der Mechanik und berücksichtigt die üblichen Düsenwirkungsgrade. Über die derzeit in der Literatur vorhandenen Berechnungsverfahren hinaus werden die Mischrohrwandreibungs- und Impulsverluste und Stoßwellen, die Vorbeschleunigung des Saugstromes sowie die Einlaufströmung zum zylindrischen Mischrohr mit berücksichtigt. Die bislang nicht berücksichtigten und wichtigsten geometrischen Parameter, LX und Lm werden zum ersten Mal in die Modellierung und Optimierung einbezogen. Kernstück der Untersuchung ist das Auslegungsverfahren zur Bestimmung und Optimierung der Strahlverdichtergeometrie bei vorgegebenen äußeren Betriebsbedingungen und Massenstromverhältnis sowie die Modellierung und Optimierung des Betriebsverhaltens des Strahlverdichters und der gesamten Anlage bei festgelegten äußeren Betriebsbedingungen und Strahlverdichtergeometrie. Zur Validierung des Rechenmodells wurden die numerischen Ergebnisse mit experimentellen Daten aus der Literatur für die Arbeitsfluide R11 und Luft verglichen.