Universität Stuttgart
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Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Multistep reactions of molten nitrate salts and gas atmospheres(2024) Steinbrecher, Julian; Thess, André (Prof. Dr.)Dissertation zur Untersuchung der Stabilität von Nitratsalzschmelzen unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen und Temperaturen.Item Open Access Calculation of pure substance and mixture viscosities using PCP-SAFT and entropy scaling(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik, 2020) Lötgering-Lin, Oliver; Gross, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Chemical equilibria and intrinsic kinetics of reactions in molten nitrate salt(2021) Sötz, Veronika Anna; Thess, André (Prof. Dr.)Die Nitratsalzmischung „Solarsalz“ wird als Wärmespeichermedium in großtechnischen Speichersystemen eingesetzt, die wesentliche Bestandteile von konzentrierenden Solarkraftwerken sind, um die Stromproduktion der Nachfrage anzupassen. Die Speichertemperatur beträgt in bestehenden Systemen maximal 565 °C, soll aber zukünftig ansteigen, um den Wirkungsgrad bei der Verstromung und die Speicherkapazität zu erhöhen. Chemische Reaktionen in Flüssigsalz werden jedoch durch steigende Temperaturen beschleunigt und verstärkt, was zu thermischer Instabilität des Speichermaterials führt und wodurch vermehrt Zersetzungsprodukte einschließlich korrosiver Ionen und toxischer Gase entstehen. Ein grundlegendes Verständnis des Zersetzungsprozesses ist notwendig, um die Materialien bei erhöhten Temperaturen stabil zu halten. In dieser Dissertation sind Reaktionen, die relevanten Zersetzungsprodukte bilden, experimentell untersucht und mathematisch beschrieben. Die Reaktion von Nitrationen zu Nitritionen stellt den ersten Schritt des Zersetzungsprozesses dar und das zugehörige chemische Gleichgewicht ist in zwei Temperaturbereichen (450-550 und 560-630 °C) bestimmt. Die intrinsische Kinetik der Nitritbildung ist bis 550 °C durch thermogravimetrische Analyse untersucht. Das differentielle Zeitgesetz enthält die Kinetik der Hin- als auch der Rückreaktion. Die Zersetzung von Nitritionen weiter zu Oxidionen wird als zweiter Schritt betrachtet. Erstmalig zeigt diese Arbeit Experimente, die ein chemisches Gleichgewicht mit Beteiligung von Oxidionen in Solarsalz belegen. Der Zusatz nitroser Gase zum Spülgas (synthetische Luft) stabilisiert den Oxidgehalt, was bei 600 und 620 °C nachgewiesen ist. Diese Ergebnisse sind besonders wertvoll, da Oxidionen Stahlkorrosion in Solarsalz verstärken. Die intrinsische Kinetik der Oxidbildung ist in Luftatmosphäre bis 630 °C untersucht und mathematisch ausgedrückt. Die Kinetikparameter sind durch Fit der experimentellen Ergebnisse ermittelt. Insgesamt bilden die Zersetzungsreaktionen ein konsistentes Netzwerk, das durch chemische Gleichgewichte und die intrinsische Kinetik zweier Reaktionen beschrieben ist. Die Ergebnisse tragen zur Entwicklung der Flüssigsalz-Wärmespeichertechnologie durch Vorhersage der Solarsalzstabilität bei bestehenden und höheren Betriebstemperaturen bei.Item Open Access Nanomechanische und nanoelektrische rasterkraftmikroskopische Analyse von Polymerelektrolytbrennstoffzellen(2022) Morawietz, Tobias; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Brennstoffzellenkomponenten. Dabei wird der Fokus dieser Arbeit auf die Analyse der katalytischen Schichten mit dem Rasterkraftmikroskop gelegt. Das Rasterkraftmikroskop kann Strukturen mit wenigen Nanometern auflösen und dabei die materialspezifischen Eigenschaften aufzeichnen. Der Einsatz und die Weiterentwicklung von Rasterkraftmikroskop basierten Messmethoden für diesen Anwendungszweck wird in dieser Arbeit dargelegt. Die (Nano)-Struktur von vielen Brennstoffzellenkomponenten konnte mit den bisherigen verwendeten Methoden nicht vollständig aufgeklärt werden. Vor allem die Struktur des Ionomers innerhalb der Elektrode ist eine Unbekannte. Über das materialsensitive Rasterkraftmikroskop kann die Identifikation und Strukturanalyse der einzelnen Komponenten der katalytischen Schichten erfolgen. Die Struktur und die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Ionomers in der Elektrode ist für den Massentransport und die ionische/elektronische Leitfähigkeit von Bedeutung. Um die Eigenschaften des Ionomers in den Elektroden zu beschreiben, wurde die Nanostruktur des Polymerelektrolyten auf verschiedenen Größenskalen untersucht. Es werden in dieser Arbeit ultra-dünne Schichten und deren Eigenschaften, sowie die Ausbildung von Grenzschichten zur Gasphase beschrieben. Ausgegangen wird von der Struktur einzelner Ionomerbündel welche auf verschiedene Substrate abgesetzt wurden. Die Struktur dieser Primärstrukturen und die Ausbildung erster Schichten werden für Ionomere mit unterschiedlichem Äquivalentgewicht beschrieben. Es wurden eine minimale Bündelhöhe von 1,5 nm und ein lamellarer Aufbau von den Schichten gemessen. Die Bündelhöhe wird in Abhängigkeit von Temperatur und relativen Luftfeuchte dargestellt. Ultra-dünne Ionomerschichten wurden als Model für Schichten in den Elektroden hergestellt. Als Ultra-dünne Schichten werden Schichten bezeichnet, welche eine Dicke kleiner als 100 nm besitzen. Sehr dünne Schichten (< 12 nm) zeigten in den Messungen keine oder nur sehr geringe ionische Leitfähigkeit durch die Schicht. Mit katalytisch aktiven AFM Spitzen wurde eine Querleitfähigkeit dieser sehr dünnen Schichten und eine Schichtdickenabhänigkeit der Ionenleitfähigkeit nachgewiesen. Dickere Schichten über einen Mikrometer wurden über ein Tauchziehverfahren erzeugt, um die Ausbildung der kristallinen Bereiche sowie der Grenzphase zur Gasphase von Membranen mit bekannter Vorgeschichte zu beschreiben. In den Messungen zeigten sich Bereiche mit erhöhter Steifigkeit. Die Messungen der Steifigkeit konnte eine Proportionalität zur mit Dynamische Differenzkalorimetrie gemessenen Kristallinität der Ionomere gezeigt werden. Die Kristallinität nahm mit zunehmendem Äquivalentgewicht und Alter der Schichten zu. Die Untersuchungen der katalytischen Schichten mit dem Rasterkraftmikroskop zeigten einen deutlichen Kontrast in den Materialeigenschaften der katalytischen Schichten zwischen dem Ionomer und dem Katalysator. Dabei kann die Struktur sehr hoch aufgelöst vermessen werden. Je nach verwendeter Spitze liegt die laterale Auflösung zwischen 1-25 nm. Das Ionomer konnte durch höhere Adhäsion und Deformation, eine niedrigere Steifigkeit sowie keinen elektronischen Strom identifiziert werden. An Messungen der Oberfläche wurden die Bereiche, die den Katalysator umhüllen, sowie größere zusammenhängende Ionomerbereiche gemessen. An Mikrotom-Querschnitten, wurden in den katalytischen Schichten Ionomerschichten in einer Größe gefunden, die auch durch die ultra-dünnen Schichten als Modellelektroden erzeugt werden konnten. Diese Ionomerschichten umhüllen die Katalysatorpartikel. Die Dicke der Schichten lag im Bereich von ~2,5 nm - 15 nm und war abhängig von der Temperatur und relativen Luftfeuchte. Außerdem scheint die Ionomerschichtdicke von dem Herstellungsverfahren abhängig zu sein. Nach Betrieb der Brennstoffzellen wurde eine Abnahme der Schichtdicke festgestellt. Ein Zusammenhang zwischen Ausgangsschichtdicke und irreversibler Degradationsrate durch den Brennstoffzellenbetrieb wurde gezeigt. Nach Betrieb wurde über Rasterelektronenmikroskop-Messungen unterstützend eine Abnahme der Elektroden- und Membrandicke gemessen. Eine Abnahme des Gesamtionomers konnte über das Rasterkraftmikroskop, Energiedispersive Röntgenspektroskopie und Infrarotspektroskopie gezeigt werden. In der Membran bildete sich nach Betrieb ein Platinband, welches von der Position der Probe in der Membran Elektroden Einheit abhängig war. Eine Korrelation zwischen Degradationsrate und Ablagerung von Platin in der Membran konnte gezeigt werden. Die Ablagerung kann in sehr großem Ausmaß stattfinden, dass Kurzschlüsse durch die Membran festgestellt werden konnten, welche mit dem Rasterkraftmikroskop nachgewiesen werden konnten. In der Bildanalyse Software GeoDict wurden Modelle von den Elektroden nach den gemessenen Daten erstellt und verschiedene Faktoren, wie Ionomerschichtdicke, Katalysatordurchmesser und Bedeckung des Katalysators mit Ionomer auf die resultierende ionische und elektronische Leitfähigkeit untersucht. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zur Aufklärung der Struktur und Eigenschaften von Polymerelektrolytbrennstoffzellen bei und zeigt Degradationsmechanismen auf.Item Open Access Renewable district energy systems with formic acid based hydrogen storage(2022) Lust, Daniel; Eicker, Ursula (Prof. Dr.)In zukünftigen Energiesystemen mit einem hohen Anteil fluktuierender Energieerzeugung durch Windkraft und Photovoltaik, wird Wasserstoff aus einer Elektrolyse eine zunehmend wichtige Rolle einnehmen. Die lokale Speicherung und der Transport von Wasserstoff sind jedoch technologisch herausfordernd. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Wasserstoffspeicherung ist das Laden und Entladen eines Trägermoleküls, was oftmals eine drucklose Speicherung und die Verwendung bestehender Transportinfrastruktur erlaubt. Ameisensäure enthält 4.4 Gew.-% Wasserstoff, ist unter Umgebungsbedingungen flüssig und damit ein potentiell geeignetes Wasserstoffträgermolekül. Die zugrunde liegende Forschungsfrage dieser Arbeit ist, ob und unter welchen Voraussetzungen ameisensäurebasierte Wasserstoffspeicher für eine Anwendung als saisonaler Energiespeicher im Gebäudesektor geeignet sind. Ein Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung ameisensäurebasierter Wasserstoffspeichersysteme. Es werden drei Systeme beschrieben mit jeweils den folgenden Hauptkomponenten: eine reversible Wasserstoffbatterie, Flussreaktoren für die Hin- und Rückreaktion von Wasserstoff zu Ameisensäure und ein CO2-Elektrolyseur für die direkte elektrochemische Reduktion von gasförmigem CO2 mit Wasser zu Ameisensäure. Die entwickelten Modelle wurden mit experimentellen Daten oder Literaturwerten validiert. Weiterhin werden Verfahren zur Dimensionierung dieser Systeme, zur Betriebsführung und zur Integration in bestehende Energiesysteme gezeigt. In einer Fallstudie werden verschiedene Leistungsparameter der drei Systeme, wie Wirkungsgrad, Platzbedarf und Systemkomplexität, bewertet und einem Referenzsystem gegenübergestellt. Es hat sich gezeigt, dass eine übertragbare, regelbasierte Dimensionierung der Systeme aufgrund der hohen Systemkomplexität unzureichend ist. Optimierungsverfahren, z.B. mit genetischen Algorithmen, könnten zu besseren Ergebnissen führen, setzen jedoch das Vorhandensein von Systemmodellen voraus. Die Fallstudie für ein Gebäudecluster hat ergeben, dass der CO2-Elektrolyseur insgesamt das am besten geeignete System für eine Anwendung als Energiespeicher ist. Die Zugänglichkeit flüssiger Ameisensäure ermöglicht einen einfachen Energietransport und die Reaktion läuft unter moderaten Bedingungen ab. Der CO2-Elektrolyseur wurde daraufhin detaillierter betrachtet und wesentliche Parameter für die Fallstudie optimiert. Durch hohe Überspannungen der Elektrolysezellen weist der CO2-Elektrolyseur jedoch einen geringen Gesamtwirkungsgrad auf, wodurch in der betrachteten Fallstudie kein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist. Auch die Erhöhung der Eingangsleistung durch die Hinzunahme von Kleinwindkraftanlagen hat nur einen geringen Einfluss auf die Gesamtperformance des Systems. Weiterer Forschungsbedarf zur hardwareseitigen Verbesserung des CO2-Elektrolyseurs und zur Steuerung und Betriebsführung mit fluktuierender elektrischer Last ist demnach notwendig um den Wirkungsgrad zu erhöhen und einen wirtschaftlichen Einsatz des Systems als saisonaler Energiespeicher zu ermöglichen.Item Open Access Scale-up of gas fermentations : modelling tools for risk minimisation(2020) Siebler, FloraThe reduction of greenhouse gas emissions is a global endeavour supported by society, politics and industry. In recent years, circular economy, reducing the exploitation of fossil energy sources, have increased the demand for new solutions when producing commodities and fine chemicals. Caboxydotrophic fermentations with acetogenic bacteria are potential processes in order to reach these goals. They convert gaseous substrates such as CO, and CO2/H2 mixtures. However, gases as sole substrate are rather challenging, not only in small lab-scales but especially in large-scale. Transferring an efficient fermentation process from experimental to industrial scales often results in unpredictable performance losses. This study presents an in silico concept minimising possible risks in gas fermentations up-scaling. First, the economical feasibility of various fermentation methods is investigated. Then, two computational tools are presented using Clostridium ljungdahlii as model organism and synthesis gas as substrate in a 125 m3 bubble column reactor. The combination of economical investigation with modelling tools show high potential for successful scale-up of gas fermentations. With this concept feasibility, reactor design, operation mode and general risk minimisation can be analysed and specified.Item Open Access Fundamental understanding of inherent processes in magnesium-sulfur batteries(2024) Häcker, Joachim; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)In the face of climate change, the decarbonization of industry and everyday life has finally been declared a global goal in recent years, with energy storage in batteries playing a key role. These are needed for both, the decarbonization of vehicles and, in the long term, aviation, as well as in the stationary sector for grid stabilization due to day-night or seasonal fluctuations in renewable energy generation. On account of raw material shortages, lithium-based batteries alone, however, will not be capable to meet the global demand – thus alternative battery systems are tracking attention in the past decade. Among the various cell chemistries under research, magnesium-sulfur represent a promising electrochemical couple in terms of material abundance, high energy density, improved safety, good recyclability and low cost. Despite benefitting from the long-term research on lithium-sulfur batteries (Li-S), the magnesium-sulfur battery (Mg-S) is still in its infancy facing unique challenges and intrinsic limitations. This cumulative dissertation consists of five peer-reviewed scientific articles, which aim to shed light on different components and processes in a Mg-S battery constituting the main obstacles in its development, namely (i) the high ion charge density resulting in large desolvation energy, slow diffusion and impeded redox kinetics, (ii) the sulfur dissolution, self-discharge and polysulfide shuttle and (iii) the passivating surface layers on the Mg anode. Therefore, different attempts in terms of electrode manufacturing and operando characterization methods were pursued. Starting with an in-depth analysis of the first discharge cycle by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the subsequent study applied operando UV/Vis spectroscopy and operando imaging to gain insights into the sulfur and polysulfide dissolution of different cathode compositions during the initial ten cycles. Identifying the magnesium anode and the processes at its electrolyte interface as crucial for the efficiency and capacity retention, the long-term cycling performance of pristine and coated Mg anodes was investigated over 150 cycles. Additionally, the influence of sulfur species on the interfacial processes of six different anode concepts could be determined in symmetrical and full cells applying operando EIS. In a concluding study, the transport properties of Mg cations in different separators were compared to their calcium and lithium counterparts. The main findings comprise a severe three-staged self-discharge governed by the sulfur reduction at the unprotected Mg surface and boosted by temperature. An artificial SEI coating is beneficial to not only mitigate the self-discharge, but also enhance the initial Coulombic efficiency and capacity retention. This is originated in mitigated parasitic reactions to form an in situ SEI, mainly consisting of MgF2, MgS and MgO, on the magnesium surface. Therein, hindering the reaction of sulfur species is particularly decisive to circumvent large interfacial resistances. On the cathode side, polar additives are beneficial to serve as adsorption and reaction centers, however with no long-term effect due to precipitates covering the surface. The kinetic of the sulfur redox reactions, which involve S8, S62- and S42- in the glyme-based Mg[B(hfip)4]2 electrolyte, are significantly enhanced by temperature indicating the sluggish MgS nucleation kinetics and Mg2+ solid diffusion. Its inherent high charge density further affects the magnesium cation transport in the electrolyte and its desolvation at the anode/electrolyte interface due to the rigid and strongly bound solvation shell. Consequently, in comparison to calcium and lithium, larger polarization overpotentials and separator tortuosities, respectively, were observed in the Mg system.