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 Science planning for the DESTINY+ Dust Analyzer : leveraging the potential of a space exploration instrument(2024) Sommer, Maximilian; Srama, Ralf (Apl. Prof. Dr.-Ing.)The DESTINY+ Dust Analyzer (DDA) is a highly sophisticated planetary science instrument to provide cutting-edge in-situ characterization of individual cosmic dust grains, with respect to their composition, as well as their physical and dynamical properties. As such, it constitutes a critical component of the upcoming JAXA mission DESTINY+, which is scheduled to launch in 2025. After a three-year cruise phase, the spacecraft will perform a flyby of the target asteroid 3200 Phaethon, with the goal of observing the enigmatic Geminids parent body with two camera instruments, and sampling particles released from its surface with the DDA. Until that flyby, DESTINY+ will execute a highly diverse, ion-engine-driven flight plan that allows DDA to extensively study the dust environments of the Earth, Moon, and interplanetary space - a breadth of science opportunities that is unique to this mission and instrument. This dissertation provides a comprehensive study of the dust types and phenomena possibly encountered by DDA during its journey to Phaethon and applies the principles and methods of science planning to prepare for the operational phase of the mission. The work synthesizes technical considerations and scientific analyses of relevant cosmic dust populations, aiming to optimize DDA’s scientific potential. Detailed examinations of spacecraft and instrument factors, such as the dynamic spacecraft attitude during the near-Earth phase or the instrument’s two-axis pointing mechanism, lay the groundwork for the scientific planning. The thorough analysis of known (and lesser known) dust populations in the inner solar system and of previous relevant measurements by other dust instruments form the core of the study. Finally, the findings are consolidated into a draft science activity plan for the entire mission, as well as exemplary pointing timelines to be executed by the instrument for optimal scientific return. The latter is accomplished with the DOPE tool, which aids in intuitive and efficient planning of DDA observations, having been developed in the scope of this project. The presented work builds the foundation for the scientific operations of DDA, setting it up for a successful and scientifically impactful mission. The findings of this study also provide a valuable perspective for other ventures of in-situ dust astronomy to the inner solar system and contribute to the field of cosmic dust as a whole.Item Open Access Microbial biostabilization in fine sediments(2022) Gerbersdorf, Sabine Ulrike; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)Microbial biostabilization has increasingly received attention over the last years due to its significance for the dynamics of fine sediments in fluvial and coastal systems with implications for ecology, economy and human-health. This habilitation thesis highlights the contributions of the applicant and her team to this multi-disciplinary research area and is based on eight core publications that are presented in seven chapters. First, the topic of biofilm and biostabilization is introduced and second, the materials and methods applied are presented before own research findings are discussed. To start with, the stabilization potential of heterotrophic bacterial assemblages has been emphasised as well as the adhesive properties of the protein moieties within the EPS (extracellular polymeric substances) that are more significant than previously thought. Furthermore, the engineering potential of estuarine prokaryotic and eukaryotic assemblages has been studied separately and combined to reveal the effective cooperation of mixed biofilm that resulted in highest substratum stabilization although the effects were not clearly synergistic (=more than additive). The significance of biostabilization could be evidenced as well for freshwaters where highest adhesive capacity and sediment stability occurred during spring. Microbial community composition differed accordingly to result in mechanically highly diverse biofilm. Moreover, the importance of two of the most influential abiotic conditions, light intensity and hydrodynamics, was shown for biofilm growth, species composition and functionality - here biostabilization. In order to test adhesive properties at the relevant mesoscale (mm-cm) but non-destructively and highly sensitive, MagPI (Magnetic Particle Induction) has been applied. The last chapter concerns technical aspects to further improve its performance while demonstrating the impact of material and geometry and the importance of both, magnetic field strength and field gradient for the physics of the MagPI approach.Item Open Access On the prediction of thermodynamic properties by atomistic simulation : from vapor-liquid equilibrium of alcohols to self-assembly in mixed solvents(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik, 2020) Baz, Jörg; Hansen, Niels (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)This dissertation presents the results of atomistic molecular simulations. Therefor systems of varying complexity with relevance in materials science, biotechnology and chemical engineering have been considered.Item Open Access Resolving heterogeneities in single and multiphase bioreactor systems - Predictive modelling tools towards successful scale-up(2020) Kuschel, Maike; Takors, Ralf (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Über die Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit Hilfe der Moore-Penrose-Inversen des Laplace-Operators im Vektorraum der Polynomkoeffizienten(2024) Große-Wöhrmann, Bärbel; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Die bekannten numerischen Standard-Verfahren zur Lösung partieller Differentialgleichungen basieren auf einer räumlichen Diskretisierung des Berechnungsgebiets. Ihre Performance und Skalierbarkeit auf modernen massiv-parallelen Höchstleistungsrechnern ist von der Verfügbarkeit effizienter numerischer Verfahren zur Lösung linearer Gleichungssysteme abhängig. Angesichts grundlegender Herausforderungen erscheint die Entwicklung neuer Lösungsansätze sinnvoll. Ich stelle in dieser Arbeit einen Polynomansatz zur Lösung partieller Differentialgleichungen vor, der nicht auf einer räumlichen Diskretisierung beruht und mit Hilfe der Moore-Penrose-Inversen des Laplace-Operators die Entkopplung der Navier-Stokes-Gleichungen ermöglicht. Dabei ist der Grad der Polynome nicht grundsätzlich beschränkt, so dass eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden kann.Item Open Access Depth from axial differential perspective(2022) Faulhaber, Andreas; Krächan, Clara; Haist, TobiasWe introduce an imaging-based passive on-axis technique for measuring the distance of individual objects in complex scenes. Two axially separated pupil positions acquire images (can be realized simultaneously or sequentially). Based on the difference in magnification for objects within the images, the distance to the objects can be inferred. The method avoids some of the disadvantages of passive triangulation sensors (e.g., correspondence, shadowing), is easy to implement and offers high lateral resolution. Due to the principle of operation it is especially suited for applications requiring only low to medium axial resolution. Theoretical findings, as well as follow-up experimental measurements, show obtainable resolutions in the range of few centimeters for distances of up to several meters.Item Open Access Enzyme-assisted circular additive manufacturing as an enabling technology for a circular bioeconomy : a conceptual review(2024) Protte-Freitag, Kristin; Gotzig, Sophia; Rothe, Hannah; Schwarz, Oliver; Silber, Nadine; Miehe, RobertAdditive manufacturing (AM) is a decisive element in the sustainable transformation of technologies. And yet its inherent potential has not been fully utilized. In particular, the use of biological materials represents a comparatively new dimension that is still in the early stages of deployment. In order to be considered sustainable and contribute to the circular economy, various challenges need to be overcome. Here, the literature focusing on sustainable, circular approaches is reviewed. It appears that existing processes are not yet capable of being used as circular economy technologies as they are neither able to process residual and waste materials, nor are the produced products easily biodegradable. Enzymatic approaches, however, appear promising. Based on this, a novel concept called enzyme-assisted circular additive manufacturing was developed. Various process combinations using enzymes along the process chain, starting with the preparation of side streams, through the functionalization of biopolymers to the actual printing process and post-processing, are outlined. Future aspects are discussed, stressing the necessity for AM processes to minimize or avoid the use of chemicals such as solvents or binding agents, the need to save energy through lower process temperatures and thereby reduce CO2 consumption, and the necessity for complete biodegradability of the materials used.Item Open Access Numerische Simulationen von bioinspirierten und natürlichen Materialien(2021) Schäfer, Immanuel; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)Die Arbeit befasst sich mit Finite-Elemente-Simulationen und Modellierungen von natürlichen und bioinspirierten Materialien. Die bioinspirierten Materialien sind künstliche Materialien, die ein oder mehrere Prinzipien der biologischen Vorbilder erfolgreich umgesetzt haben. Die natürlichen Materialien sind biologischen Ursprungs. Zu Beginn benötigt man immer eine funktionelle Analyse des Systems, um dann die notwendigen Reduzierungen für die Modellierungen herstellen zu können. Wenn das Modell steht, werden Eigenschaften wie zum Beispiel die Dämpfung oder der Widerstand gegen eine lineare Krafteinwirkung in Finite-Elemente-Simulationen analysiert. Die daraus gewonnenen Ergebnisse werden zur Beurteilung des Versagenverhaltens (z. B. des natürlichen Materials) oder zur Erklärung der Eigenschaften des bioinspirierten Materials genutzt. Die vorliegende Arbeit ist in die Analyse und die Diskussion der Ergebnisse verschiedener Materialien in neun Veröffentlichungen unterteilt. Zu Beginn werden die Ergebnisse des ersten bionischen Projektes präsentiert sowie die Lichtaufnahme, Lichtleitung- und Lichtverarbeitungsmöglichkeiten einer sukkulenten Art, der Fensterpflanze diskutiert. Die Perlmuttschale einer Schnecke bzw. ihr bioinspiriertes Produkt ist das Thema der anschließend vorgestellten Arbeiten. Daraus hervor ging auch die Veröffentlichung zu Enzymen und deren Bindungsaffinitäten zu Zinkoxid. Die Schale der Pomelo, die die kiloschwere Frucht beim Herunterfallen von den ca. 15 m hohen Bäumen vor Beschädigungen schützt, ist das Vorbild für einen Metallschaum im nächsten Beispiel. Als letztes werden die Vorbilder Kokosnuss und Seeigelstachel präsentiert, die im Rahmen eines Transregios (einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich, TRR 141) betrachtet wurden. Für den TRR 141 wurde auch eine Ausstellung im Naturkundemuseum Stuttgart organisiert. Im Kapitel 12 wird eine Präsentationsstation beschrieben, die mit NFC(Near-Field-Communication)-Chips gesteuert werden kann. Die Präsentationsstation wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und mit dem Museum zusammen gebaut. Mit ihr werden Filme und Präsentationen zu dem Thema des TRR mit Ausstellungsgegenständen (z. B. eine 3D gedruckte Struktur des Seeigelstachels in Vergrößerung) kombiniert. Auf diese Weise zeigt die vorliegende kumulative Dissertation einen Überblick über die gesamten bionischen Arbeiten, die am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre bei Herrn Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Siegfried Schmauder mit meiner Beteiligung entstanden sind.Item Open Access Crop water productivity mapping and benchmarking using remote sensing and Google Earth Engine cloud computing(2022) Ghorbanpour, Ali Karbalaye; Kisekka, Isaya; Afshar, Abbas; Hessels, Tim; Taraghi, Mahdi; Hessari, Behzad; Tourian, Mohammad J.; Duan, ZhengScarce water resources present a major hindrance to ensuring food security. Crop water productivity (WP), embraced as one of the Sustainable Development Goals (SDGs), is playing an integral role in the performance-based evaluation of agricultural systems and securing sustainable food production. This study aims at developing a cloud-based model within the Google Earth Engine (GEE) based on Landsat -7 and -8 satellite imagery to facilitate WP mapping at regional scales (30-m resolution) and analyzing the state of the water use efficiency and productivity of the agricultural sector as a means of benchmarking its WP and defining local gaps and targets at spatiotemporal scales. The model was tested in three major agricultural districts in the Lake Urmia Basin (LUB) with respect to five crop types, including irrigated wheat, rainfed wheat, apples, grapes, alfalfa, and sugar beets as the major grown crops. The actual evapotranspiration (ET) was estimated using geeSEBAL based on the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) methodology, while for crop yield estimations Monteith’s Light Use Efficiency model (LUE) was employed. The results indicate that the WP in the LUB is below its optimum targets, revealing that there is a significant degree of work necessary to ameliorate the WP in the LUB. The WP varies between 0.49-0.55 (kg/m3) for irrigated wheat, 0.27-0.34 for rainfed wheat, 1.7-2.2 for apples, 1.2-1.7 for grapes, 5.5-6.2 for sugar beets, and 0.67-1.08 for alfalfa, which could be potentially increased up to 80%, 150%, 76%, 83%, 55%, and 48%, respectively. The spatial variation of the WP and crop yield makes it feasible to detect the areas with the best and poorest on-farm practices, thereby facilitating the better targeting of resources to bridge the WP gap through water management practices. This study provides important insights into the status and potential of WP with possible worldwide applications at both farm and government levels for policymakers, practitioners, and growers to adopt effective policy guidelines and improve on-farm practices.