Universität Stuttgart
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Item Open Access Eigenschaften und Verfahren zur Fertigung von superhydrophoben Oberflächen zur Anwendung in der Medizin und Life Science(2021) Felk, DominiqueIn dieser Studienarbeit werden die Eigenschaften, sowie die geometrische Gestalt von superhydrophoben Oberflächen anhand einer ausführlichen Literaturrecherche aufgezeigt. Wassertropfen nehmen auf superhydrophoben Oberflächen eine nahezu sphärische Gestalt an und rollen leicht von einer geneigten Oberflächen ab. Dabei nehmen die Wassertropfen etwaige Verschmutzungen mit. Diese reinigende Wirkung ist charakteristisch für den Lotus-Effekt, welcher physikalisch auf dem Vorhandensein des Cassie-Baxter Zustands beruht. So weisen superhydrophobe Oberflächen einen Kontaktwinkel θ0 von mindestens 150° auf. Aus dem großen Kontaktwinkel resultiert eine geringe Adhäsion der Oberfläche mit einem Wassertropfen. Dadurch gleitet der Tropfen bereits bei geringen Gleitwinkeln von kleiner als 10° von einer geneigten Ebene ab. Neben einem großen Kontakt- und einem kleinen Gleitwinkel weisen superhydrophobe Oberflächen eine Kontaktwinkelhysterese von kleiner als 5° auf. Außerdem bestehen die Oberflächen aus Materialien mit geringen Oberflächenenergien. Erzielbar ist der Lotus-Effekt durch eine Oberflächenmorphologie, die ein hohes Luftvolumen zwischen der Oberfläche und einem Wassertropfen einschließt. Dies ist möglich durch Strukturen im Größenbereich von einigen hundert Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern. Die Strukturen selbst müssen ein hohes Aspektverhältnis aufweisen, welches durch hierarchisch aufgebaute Strukturen erzielt werden kann. Außerdem werden in dieser Arbeit verschiedene Anwendungen aus dem Bereich der Medizin und der Life Science aufgeführt, die durch superhydrophobe Oberflächen ermöglicht werden. Beispielhafte Anwendungen sind superhydrophobe Textilwickel, welche eine Heilung bei Druckgeschwüren begünstigen sollen, oder eine kontrollierte in-vitro Freisetzung von Medikamenten. Die Literaturrecherche zeigt, dass die Herstellung von superhydrophoben Oberflächen auf Strukturen in Metall, Silizium und Kunststoff beruhen kann. So ist die Erzeugung von Strukturen in Metall und Silizium über konventionelle Fertigungsverfahren wie die Plasmabearbeitung (DRIE, ICP), das Tauchbad und die Laserbearbeitung möglich. Zur Erzeugung der Strukturen in Kunststoff eignet sich das Spritzgießen, das Formgießen und das Heißprägen. Für die stochastische Aufrauung der Kunststoffoberfläche eignet sich die Bearbeitung mit Plasma. Die am Institut für Mikrointegration der Universität Stuttgart (IFM) und Hahn-Schickard Gesellschaft Stuttgart (HS-S) vorhandenen Geräte ermöglichen grundsätzlich eine Herstellung der für superhydrophobe Oberflächen erforderlichen Größenordnungen. Dazu muss unter anderem untersucht werden, welche Anwendungen realisiert werden sollen und welche Medien in Kontakt mit der Oberfläche stehen werden. Darauf hin muss das Verhalten des Mediums mit verschiedenen Oberflächenmorphologien analysiert werden, um die am besten geeignete Struktur zu finden.Item Open Access Berechnung und Bewertung der Schallausbreitung von Windenergieanlagen mit Hilfe von Messdaten(2023) Häfele, Lorenz KarlItem Open Access Radiation mitigation techniques for EIVE satellite mission payload computer(2022) Bischof, TobiasDie Satellitenmission ’Exploratory In-orbit Verification of an E/W-band link’ (EIVE) demonstriert die breitbandige Datenübertragung von der niedrigen Erdumlaufbahn zur Erde mit Datenraten von bis zu 15 Gbits−1.Umden korrekten Betrieb des EIVE-Satelliten sicherzustellen und die Strahlungseinwirkungen auf die Schaltung von EIVE zu reduzieren, sind Strahlungsminderungstechniken für den Nutzlastcomputer erforderlich. Daher untersucht diese Arbeit die Strahlungsminderungstechniken, Mechanismen für den Schutz des FPGA-Konfigurationsspeichers und implementiert robuste Kodierungsmechanismen der E/W-Band-Validierungsdateien. Die Untersuchungen und die implementierten Ansätze stehen dabei im Einklang mit den Leistungsbeschränkungen der Mission.Item Open Access FPGA implementation of an energy-efficient real-time image compression algorithm for the EIVE satellite mission(2021) Wiewel, FlorianIn this thesis three commonly used image compression algorithms are analyzed in terms of computational complexity, rate-distortion performance and execution time in order to find the most suitable basis for the implementation of an energy-efficient and real time image compression algorithm for the EIVE satellite mission. The selected algorithm is than modified to reduce its complexity while keeping its performance at a comparable level to the base algorithm. Afterwards the algorithm is implemented in the programmable logic part of a Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC device. Finally, the performance of the algorithm implemented on hardware is determined and compared to the performance of an implementation using a high-level scripting language and the performance of its base algorithm.Item Open Access Johann Wendelin Braunwald : Werkverzeichnis zum Gedenken an einen vergessenen Stuttgarter Architekten(2022) Volk, Simon OttoDas Werkverzeichnis des Architekten Braunwald ist in Form einer Faltkarte gestaltet. Auf der Vorderseite sind seine Stuttgarter Bauwerke in einem Stadtplan verortet, rückseitig werden einige von ihnen in historischen Ansichts-Zeichnungen portraitiert.Item Open Access Sensorfusion auf Basis maschinellen Lernens zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur(2024) Kuderna Melgar, DiegoDie genaue Bestimmung der Sperrschichttemperatur spielt eine elementare Rolle bei der Optimierung der Leistungsfähigkeiten sowie der Zuverlässigkeit von SiC (Silicon Carbide)-Leistungsmodulen. Im Rahmen der indirekten Bestimmung der Sperrschichttemperatur lassen sich Temperature Sensitive Electrical Parameters (TSEPs) einsetzen, die jedoch neben der Sperrschichttemperatur weitere Abhängigkeiten von elektrischen Größen aufweisen. Dies kann zu einer ungenauen Schätzung der Sperrschichttemperatur führen, weshalb diese Bestimmung robuster gestaltet werden muss. Ein Ansatz, um dies zu erreichen, stellt die Kombination mehrerer TSEPs dar, die im Anschluss mithilfe einer KI auf einem Mikrocontroller verarbeitet werden. In dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Ansätze aufgezeigt, um anhand von maschinellen Lernens die Sperrschichttemperatur eines Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs) auf Basis von TSEPs zu bestimmen. Hierzu werden die Werkzeuge NanoEdgeAI Studio sowie X-CUBE-AI eingesetzt, um die entwickelten Modelle auf einem STM32 Mikrocontroller zu implementieren. Ein Vergleich beider Ansätze zeigt, dass NanoEdgeAI Studio Modelle mit effizienterer Nutzung der Ressourcen des Mikrocontrollers ermöglicht. Im Gegensatz dazu erreichen in Python entwickelte Modelle in Kombination mit X-CUBE-AI ohne Quantisierung präzisere Schätzungen bei größerem Speicherbedarf. Im Kontext der Arbeit werden diverse Untersuchungen durchgeführt, um die Schätzgenauigkeit der betrachteten Modelle zu maximieren. Dazu gehören Ensemblebildung und Trainingsprozesse mit unterschiedlich großen Datensätzen sowie die Variation der Anzahl der Eingabesignale. So lässt sich zeigen, dass sich durch Bildung von Ensembles der R-Squared-Wert bei gleichzeitiger Reduktion des maximalen Fehlers erhöhen lässt. Durch Vergrößerung des Datensatzes lässt sich dieser Wert ebenfalls anheben und eine Steigerung durch die Kombination von TSEPs ist beobachtbar. Die realisierten Algorithmen erzielen unabhängig von der Qualität der gemessenen Signale höhere R-Squared-Werte als der traditionelle Ansatz, der lediglich einen elektrischen Parameter für die Schätzung der Sperrschichttemperatur einsetzt. Dieser beträgt 97,9% und der maximale Fehler weist einen Wert von 14K auf. So lässt sich durch die Kombination sämtlicher TSEPs ein Random Forest in NanoEdgeAI Studio entwickeln, der einen R-Squared-Wert von 99,03% erzielt, was einem Zuwachs von 1,13 Prozentpunkten entspricht. Überdies bemisst der maximale Fehler 8K, was 6K unter dem maximalen Fehlers des konventionellen Ansatzes liegt. Zusätzlich ermöglicht dieses Vorgehen die Bestimmung weiterer Parameter, exemplarisch lässt sich der Laststrom nennen.Item Open Access Search algorithm for the ground station antenna of the EIVE satellite(2023) Erdogan, Mustafa EfeSatellite technologies have rapidly become integral to modern life, used for broadcasting, navigation, communication, and Earth observation. As technology advances, satellites generate increasingly large volumes of data, presenting hardware challenges in terms of data storage and transmission due to limited power sources. To meet the escalating demand for high-capacity channels with high data rates, the EIVE project was initiated to explore the feasibility of using E-band frequencies (71-76 GHz) for satellite communication. EIVE, led by the University of Stuttgart in collaboration with various partners, aims to test data transfer capabilities in this uncharted frequency range. A key challenge is the establishment of a communication link between a ground station antenna and the LEO satellite in the EIVE project. This task is compounded by the ground station’s Cassegrain antenna with a narrow HPBW of 0.23° and a low achieved scanning area because of the LEO. To address these challenges, this research thesis introduces a CONSCAN based search algorithm, which expands the antenna’s scanning area by executing conical patterns around the satellite’s estimated trajectory. By using quaternion rotations and the Orekit library for trajectory estimation, this algorithm significantly enhances the search capabilities, increasing the scanning area in the sky. Furthermore, the research highlights the importance of continuous signal acquisition from the satellite for the planned data transfers. To tackle this issue, the groundwork for a tracking algorithm based on theMMTmethod is introduced to provide precise measurements of the satellite’s position, combining the MMT method with Kalman filters and GPS based methods. This novel method promises the improvement of the accuracy and stability of the system.Item Open Access Analyse einer analogen Millimeter-Wellen Vorverzerrung für Raumfahrtapplikationen(2021) Ufschlag, ThomasIm Rahmen der Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)-Microwave Theory & Techniques (MTT)-Sat-Challenge entwickelt das Institut für Robuste Leistungshalbleiter von der Universität Suttgart einen vor-verzerrten W-Band Galium-Nitrid (GaN) Halbleiterverstärker (SSPA, Solid-State Power Amplifier) mit zusätzlicher Effizienzsteigerung und passender GaN Gleichstrom (DC, Direct Current)-Versorgung für einen Cube-Sat. Diese Arbeit analysiert die Eignung analoger Vorverzerrungskonzepte für den Leistungsverstärker (PA, Power Amplifier) und unterstützt das Projekt hinsichtlich des „Proof of Concept“. Die eingesetzten Transistoren sind metamorphe Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (mHEMT) aus dem 50nm-Prozess des Fraunhofer Instituts für angewandte Festkörperphysik. Im Verlauf der Arbeit wird das Verhalten von Intermodulations (IM)-Produkten hinsichtlich Betrag und Phasenlage in Abhängigkeit der analogen Verstärkerklassen mittels einer Taylor-Reihe und Simulationen untersucht. Schwerpunkt der Analyse ist das Kleinsignal (SS, Small Signal)- und Großsignal (LS, Large Signal)-Verhalten der in-Band IM-Produkte dritter Ordnung (IM3).Item Open Access Concept study of a sailing offshore wind turbine(Stuttgart, 2021) Willeke, LeonardWind turbines play an important role in the transition towards a sustainable future. With the demand for clean energy unbroken, suitable sites onshore become rare and more and more conflicts around land use arise. That’s why the industry moved to the sea, where wind resources and space are abundant. After the development of fixed-bottom and floating offshore wind turbines (FOWT), we now present the concept of a sailing offshore wind turbine (SOWT). It can enter deeper waters and will unlock more resources. The concept builds on the existing spar floating turbines. Specifically, the IEA Wind 15 MW reference turbine and the WindCrete spar are used. Simulations are run in OpenFASTv2.4, while the hydrodynamics of the spar are calculated in Ansys AQWA. The turbine is not attached to the sea floor but free to move. It is intended to sail with the wind like a ship. The turbine’s controller can be used to perform manoeuvres such as stop or turn. The turbine will produce power while sailing. It can store the energy onboard and will unload it periodically, e.g. to ships or stations. From this approach, many challenges arise. This work focuses on the stability. Special interest lies on the floater’s yaw stiffness which is very low. Due to the lack of mooring lines, it plays an important role for the stability. We concentrate on improving yaw stability by the instalment of underwater drag elements that slow down the yaw. Drag elements lead to a reasonable period of stability. Still, the turbine becomes unstable afterwards. Reason for this is the sideways force F_T,y, the y – component of the thrust force F_T. It is defined as F_T,y = F_T * sin{alpha_yaw}. The yaw angle alpha_yaw increases constantly under wind load, leading to an increase in F_T,y as well. Instabilities occur when F_T,y reaches a tipping point but not before. For steady wind with wind speeds v of 20 m/s and 25 m/s, the following pitch and roll are so strong that the rotor blades touch the water. For the lower wind speeds of 9 m/s and 17 m/s, pitch and roll are less strong. The turbine can recover and stabilize. The suggestion is to avoid the tipping point to prevent instabilities. Minimizing F_T,y can be achieved by the reduce of the thrust force F_T through rotor blade pitching. Another option is to control the yaw angle alpha_yaw through the nacelle yaw. Both strategies can be implemented into the turbine‘s controller.Item Open Access Das Recht auf Dorf : ein Manifestchen(2023) Birk, Lisa; Feller, Michael; Struller, MartinDieser Beitrag entstand im Rahmen einer Studienarbeit des Lehrstuhls 'Theorien und Methoden der Stadtplanung' im Wintersemester 2022/23 unter der Betreuung von Prof. Dr. Laura Calbet und Dr. Tino Buchholz an der Universität Stuttgart. Anhand der Untersuchung einer ländlich geprägten Region im Nordosten Baden-Württembergs und in Anlehnung an Henri Lefebvres RECHT AUF STADT (vgl. Lefebvre 2016) wurde ein RECHT AUF DORF und daraus resultierende Handlungsanweisungen an Politik und Planer:innen entwickelt.