Anwendungsorientierte Aufgaben für die Erstsemester-Mathematik-Veranstaltungen im Maschinenbaustudium

In diesem Werkstattbericht wollen wir den derzeitigen Arbeitsstand des Teilprojekts "Mathematik für Maschinenbauer" der AG Ing-Math vorstellen. Es werden eine Reihe von Anwendungsaufgaben, sowie deren Lösungen und das zugrunde liegende Konzept vorgestellt. Die Aufgaben sind für die Veranstaltungen Mathematik 1 und 2 für Maschinenbauer konzipiert, jedoch lässt sich das Konzept auch auf andere ingenieurwissenschaftliche Studiengänge übertragen. Das Ziel ist es mit diesen Aufgaben die Motivation zu fördern und den Studierenden die Relevanz der Mathematik bereits in den ersten Semestern zu verdeutlichen.

Etablierung von Mikrosatellitenmarkern für die Pitcairnioideae (Bromeliaceae) und ihre Anwendung für populationsgenetische Fragestellungen

Die neotropisch verbreitete Unterfamilie der Pitcairnioideae (Bromeliaceae) besteht aus den Gattungen Dyckia, Deuterocohnia, Encholirium, Fosterella und Pitcairnia. Viele der mehr als 630 Arten dieser Unterfamilie weisen eine beträchtliche morphologische Plastizität auf, was oftmals eine sichere Artbestimmung erschwert. Um den Genfluss zwischen benachbarten Populationen bzw. nah verwandten Arten ermitteln zu können und somit mögliche Hinweise auf Artbildungsprozesse und Artabgrenzung zu erhalten, sind hochsensitive molekulare Marker erforderlich. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Entwicklung von Mikrosatellitenmarkern sowie ihre beispielhafte Anwendung für populationsgenetische Fragestellungen innerhalb der Pitcairnioideae. Als Quelle für diese Marker diente zum einen eine öffentliche ’expressed sequence tag’ (EST)-Datenbank von Ananas comosus, zum anderen wurden die drei Bromelienarten Fosterella rusbyi, Dyckia marnier-lapostollei und Deuterocohnia longipetala mittels der 454-Technik partiell sequenziert. Beide Ansätze lieferten insgesamt 164.137 Rohsequenzen, auf deren Basis einige tausend perfekte Mikrosatelliten identifiziert und zahlreiche flankierende PCR-Primerpaare sowohl für das Kern- als auch das Chloroplastengenom abgeleitet wurden. Nach umfangreichen Funktionalitätstests mit Fokus auf interspezifischer Übertragbarkeit sowie intraspezifischer Variabilität der Mikrosatellitenloci in der jeweiligen Zielart wurden schließlich 48 nukleäre und sieben plastidäre Mikrosatellitenmarker etabliert. Das Potenzial der nukleären Mikrosatellitenmarker zur Abgrenzung nah verwandter und morphologisch sehr ähnlicher Arten innerhalb der Pitcairnioideae wurde zum einen in den im Nordosten Brasiliens verbreiteten Arten Dyckia pernambucana, Dy. limae, Dy. dissitiflora und Dy. macedoi durch die Genotypisierung von insgesamt 89 Individuen von neun natürlichen Standorten überprüft. Hierbei konnte basierend auf den Alleldaten an 15 nukleären 454-Mikrosatellitenloci eindeutig zwischen dem Artenkomplex ’Dy. limae/Dy. pernambucana’ auf der einen Seite und Dy. dissitiflora bzw. Dy. macedoi auf der anderen Seite unterschieden werden, eine Abtrennung der Arten Dy. limae und Dy. pernambucana war hingegen mit keiner der verwendeten Auswertemethoden möglich, was darauf hindeutet, dass es sich hierbei nicht um getrennte Arten handelt. Zum anderen wurden 190 Individuen von 28 natürlichen Standorten der in Bolivien bzw. Zentralamerika heimischen und morphologisch sehr ähnlichen Arten Fosterella christophii, F. villosula und F. micrantha untersucht. Unter Verwendung von je vier nukleären EST- und 454-Mikrosatellitenmarkern und verschiedenen Clusteranalysen konnten zwei genetisch voneinander getrennte und geographisch determinierte Gruppen definiert werden. Dabei umfasste die größere der beiden Gruppen alle drei Arten, deren Siedlungsbereich neben einem Areal in den bolivianischen Departamentos Beni, La Paz und Cochabamba auch das gesamte Verbreitungsgebiet von F. micrantha in Zentralamerika beinhaltete. Die zweite, kleinere Gruppe enthielt nur Populationen von F. christophii und F. villosula und war auf eine relativ kleine Region im bolivianischen Departamento Santa Cruz beschränkt. Innerhalb von Bolivien liegt dieser Verteilung möglicherweise eine genetische Barriere im Bereich des Andenknicks zugrunde, infolge welcher alle Populationen südlich und nördlich dieser Region weitgehend unabhängig von ihrer Artzugehörigkeit gruppieren. Eine klare Trennung der drei Arten war nicht möglich, sodass davon ausgegangen werden kann, dass der Artbildungsprozess innerhalb der sog. ’micrantha-Gruppe’ noch keineswegs abgeschlossen ist. In einem dritten Ansatz wurden 15 nukleäre und sieben plastidäre Mikrosatellitenmarker zur Genotypisierung von 253 Individuen aus 30 natürlichen Populationen von Fosterella rusbyi eingesetzt. Damit sollte die Verteilung der genetischen Diversität und der Genfluss zwischen den Populationen dieser in den bolivianischen Anden inselartig verbreiteten Art untersucht werden. Die einzelnen Populationen erwiesen sich als genetisch deutlich voneinander differenziert, wobei nahezu jede Population durch eine individuelle Kombination von Genotypen charakterisiert war. Auf Ebene der Populationen wurde weiterhin ein deutliches Heterozygoten-Defizit über nahezu alle Loci ermittelt, was am ehesten durch Faktoren wie Inzucht und Selbstbestäubung in Kombination mit einer Tendenz zu klonalem Wachstum erklärt werden kann. Mögliche Gründe für den eingeschränkten Genfluss zwischen den Populationen werden diskutiert.

Anpassung und Entwicklung von Planungswerkzeugen für den sommerlichen Mindestwärmeschutz und zur Komfortbewertung des Sommerfalls

Im Rahmen der Dissertation erfolgt die rechnerische Bewertung des sommerlichen Wärmeverhaltens von Räumen ausgehend von den Festlegungen der DIN 4108-2:2003-07 zum sommerlichen Mindestwärmeschutz. Hierbei wird die Anwendung des sogenannten Sonneneintragskennwert-Verfahrens in einer weit angelegten Parameterstudie fallweise der Auswertung von korrespondierenden Simulationsrechnungen gegenübergestellt. Verbunden mit dem Ziel, die Anforderungen an den sommerlichen Mindestwärmeschutz für eine Neufassung der DIN 4108-2 zu überarbeiten und an aktuelle klimatische Verhältnisse anzupassen, gehen die Ergebnisse dieser Gegenüberstellung zum einen in die Entwicklung einer modifizierten Fassung des Sonneneintragskennwert-Verfahrens und zum anderen in die Formulierung einheitlicher Berechnungsrandbedingungen für den Fall der Nachweisführung durch Simulationsrechnungen ein. Aufbauend auf diesen Arbeiten zur Neuformulierung der Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz in DIN 4108-2, die im Rahmen des „Zukunft Bau“ Forschungsvorhabens „Ermittlung aktueller Randbedingungen für den sommerlichen Wärmeschutz und weiterer Gebäudeeigenschaften im Lichte des Klimawandels. Teil 2: Entwicklung eines Gesamtkonzepts für ein künftiges technisches Regelwerk zum Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes.“ erfolgt sind, werden weitergehende Untersuchungen angestellt, die sich im Wesentlichen mit dem sommerlichen Wärmeverhalten von Gebäuden im Kontext des weiter voranschreitenden Klimawandels beschäftigen. Die Untersuchungen hierzu sind eingebunden in das „Zukunft Bau“ Forschungsvorhaben „Thermisches und energetisches Verhalten von Gebäuden im Lichte des Klimawandels. Anforderungen und Lösungen für den Sonnenschutz.“ Im Rahmen der Bearbeitung dieses Forschungsvorhabens erfolgen neben der Bewertung des thermischen Verhaltens unter sich weiter verschärfenden klimatischen Randbedingungen Komfortbewertungen des Sommerfalls auf Basis der DIN EN 15251. Hierbei werden die durch DIN 4108-2:2013-02 formulierten Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz den Anforderungen zur Einhaltung der durch DIN EN 15251 definierten Komfortklassen gegenübergestellt und bewertet. Die Ergebnisse der Bearbeitung der genannten Forschungsvorhaben dienen schließlich als Grundlage für die Entwicklung eines erweiterten Kennwertverfahrens zur Komfort-bewertung des Sommerfalls auf Basis der DIN EN 15251.

Eine SPARQL-Schnittstelle für OData-Services

Enterprise-Resource-Planning-Systeme (ERP-Systeme) bilden für die meisten mittleren und großen Unternehmen einen essentiellen Bestandteil ihrer IT-Landschaft zur Verwaltung von Geschäftsdaten und Geschäftsprozessen. Geschäftsdaten werden in ERP-Systemen in Form von Geschäftsobjekten abgebildet. Ein Geschäftsobjekt kann mehrere Attribute enthalten und über Assoziationen zu anderen Geschäftsobjekten einen Geschäftsobjektgraphen aufspannen. Existierende Schnittstellen ermöglichen die Abfrage von Geschäftsobjekten, insbesondere mit Hinblick auf deren Attribute. Die Abfrage mit Bezug auf ihre Position innerhalb des Geschäftsobjektgraphen ist jedoch über diese Schnittstellen häufig nur sehr schwierig zu realisieren. Zur Vereinfachung solcher Anfragen können semantische Technologien, wie RDF und die graphbasierte Abfragesprache SPARQL, verwendet werden. SPARQL ermöglicht eine wesentlich kompaktere und intuitivere Formulierung von Anfragen gegen Geschäftsobjektgraphen, als es mittels der existierenden Schnittstellen möglich ist. Die Motivation für diese Arbeit ist die Vereinfachung bestimmter Anfragen gegen das im Rahmen dieser Arbeit betrachtete SAP ERP-System unter Verwendung von SPARQL. Zur Speicherung von Geschäftsobjekten kommen in ERP-Systemen typischerweise relationale Datenbanken zum Einsatz. Die Bereitstellung von SPARQL-Endpunkten auf Basis von relationalen Datenbanken ist ein seit längerem untersuchtes Gebiet. Es existieren verschiedene Ansätze und Tools, welche die Anfrage mittels SPARQL erlauben. Aufgrund der Komplexität, der Größe und der Änderungshäufigkeit des ERP-Datenbankschemas können solche Ansätze, die direkt auf dem Datenbankschema aufsetzen, nicht verwendet werden. Ein praktikablerer Ansatz besteht darin, den SPARQL-Endpunkt auf Basis existierender Schnittstellen zu realisieren. Diese sind weniger komplex als das Datenbankschema, da sie die direkte Abfrage von Geschäftsobjekten ermöglichen. Dadurch wird die Definition des Mappings erheblich vereinfacht. Das ERP-System bietet mehrere Schnittstellen an, die sich hinsichtlich des Aufbaus, der Zielsetzung und der verwendeten Technologie unterscheiden. Unter anderem wird eine auf OData basierende Schnittstelle zur Verfügung gestellt. OData ist ein REST-basiertes Protokoll zur Abfrage und Manipulation von Daten. Von den bereitgestellten Schnittstellen weist das OData-Interface gegenüber den anderen Schnittstellen verschiedene Vorteile bei Realisierung eines SPARQL-Endpunktes auf. Es definiert eine Abfragesprache und einen Link-Adressierungsmechanismus, mit dem die zur Beantwortung einer Anfrage benötigten Service-Aufrufe und die zu übertragende Datenmenge erheblich reduziert werden können. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Realisierung eines SPARQL-Endpunktes auf Basis von OData-Services. Dazu wird zunächst eine Architektur vorgestellt, die als Grundlage für die Implementierung eines entsprechenden Systems dienen kann. Ausgehend von dieser Architektur, werden die durch den aktuellen Forschungsstand noch nicht abgedeckten Bereiche ermittelt. Nach bestem Wissen ist diese Arbeit die erste, welche die Abfrage von OData-Schnittstellen mittels SPARQL untersucht. Dabei wird als Teil dieser Arbeit ein neuartiges Konzept zur semantischen Beschreibung von OData-Services vorgestellt. Dieses ermöglicht die Definition von Abbildungen der von den Services bereitgestellten Daten auf RDF-Graphen. Aufbauend auf den Konzepten zur semantischen Beschreibung wird eine Evaluierungssemantik erarbeitet, welche die Auflösung von Ausdrücken der SPARQL-Algebra gegen semantisch annotierte OData-Services definiert. Dabei werden die Daten aller OData-Services ermittelt, die zur vollständigen Abarbeitung einer Anfrage benötigt werden. Zur Abfrage der relevanten Daten wurden Konzepte zur Erzeugung der entsprechenden OData-URIs entwickelt. Das vorgestellte Verfahren wurde prototypisch implementiert und anhand zweier Anwendungsfälle für die im betrachteten Szenario maßgeblichen Servicemengen evaluiert. Mit den vorgestellten Konzepten besteht nicht nur die Möglichkeit, einen SPARQL-Endpunkt für ein ERP-System zu realisieren, vielmehr kann jede Datenquelle, die eine OData-Schnittstelle anbietet, mittels SPARQL angefragt werden. Dadurch werden große Datenmengen, die bisher für die Verarbeitung mittels semantischer Technologien nicht zugänglich waren, für die Integration mit dem Semantic Web verfügbar gemacht. Insbesondere können auch Datenquellen, deren Integration miteinander bisher nicht oder nur schwierig möglich war, über Systeme zur föderierten Abfrage miteinander integriert werden.

„Alles hat seine Stunde. Für jedes Geschehen unter dem Himmel gibt es eine bestimmte Zeit“ (Koh 3,1)

Armut/Reichtum, Arbeit, Glück, Tod, Gott und Mensch sowie Zeit – Dies alles sind Themen, die als existentiell bezeichnet werden können. Mit ihnen beschäftigt sich das alttestamentliche Buch Kohelet, das ca. zwischen 250 und 190 v. Chr. entstanden ist. Trotz des Alters dieses Buches behandelt Kohelet Fragen, die hoch aktuell sind: Gibt es einen Gott? Greift dieser ein? Ist Reichtum etwas Erstrebenswertes? Warum mühen wir uns so ab, wenn wir doch sowieso sterben und all das Erarbeitete hinterlassen müssen? Und haben wir überhaupt Entscheidungs- und Handlungsfreiheit? Ist nicht vielleicht sogar alles von Gott bestimmt? Die Fragen hängen eng mit dem eigenen Selbstbild zusammen. Besonders im Jugendalter befindet sich der Mensch auf der Suche nach einer Identität, nach Erkenntnissen und einer eigenen Weltanschauung. Kohelets Fragen gewinnen in dieser Zeit an Relevanz. Das alttestamentliche Buch kann insbesondere in dieser Lebensphase fruchtbar gemacht werden und anregend sein. Es kann Heranwachsende dazu auffordern, das bisherige Selbstbild und die eigene Weltanschauung zu hinterfragen. Aus diesen Überlegungen heraus ergibt sich das Buch Kohelet als wertvoller Gesprächspartner Jugendlicher. Daneben erscheint es auch naheliegend, Jugendliche mit Kohelet ins Gespräch zu bringen, weil der Adressat des Buches nach Schmitz der junge Erwachsene sei (vgl. Schmitz, 2004, S. 325). Obwohl eine Relevanz des Buches für Jugendliche auszumachen ist, kann das Buch Kohelet bisher als „bibeldidaktisches Stiefkind“ (G. Langenhorst, 2004, S. 317) angesehen werden. Vereinzelt finden sich Umsetzungsvorschläge des Buches im Unterricht. In Lehrplänen wird es jedoch kaum aufgegriffen. Hinzu kommt, dass sich kaum Ausführungen dazu finden, wie Jugendliche die Gedanken Kohelets überhaupt verstehen. Aus diesem Grund hat die vorliegende Arbeit das Ziel, dies in Erfahrung zu bringen. Um die Ausgangsfrage zu beantworten, wurde eine empirische Untersuchung der Rezeption durchgeführt. Dabei wurde das Zeitgedicht des Koheletbuches fokussiert, das das menschliche Leben als Ganzes thematisiert und implizit ein Menschenbild entfaltet. Über die Frage der Rezeption durch OberstufenschülerInnen hinaus, möchte die Arbeit auch Rückschlüsse auf eine mögliche Beschäftigung mit Kohelet im Religionsunterricht schließen. Zunächst wird das hier grundgelegte Verständnis von Textrezeption erläutert. Daraufhin wird der Blick auf die Texteinheit gerichtet. Diese wird eingehend exegetisch untersucht, wobei auch die verschiedenen Lesarten thematisiert werden. In einem nächsten Kapitel rücken die SchülerInnen als Adoleszente ins Zentrum, woraufhin die Untersuchung des Dialogs zwischen Text und SchülerInnen und somit der Rezeption vollzogen wird. Den Schluss bildet ein Fazit mit einem Ausblick.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Unsymmetrisch substituierte N-heterocyclische Carbene mit einem 1,1 ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat und N-heterocyclische Carbene als Adsorbatspezies für selbstorganisierende Monolagen

Aufbauend auf den Arbeiten von Bielawski et al. und Siemeling et al. wurden im Rahmen dieser Arbeit unsymmetrisch substituierte N-heterocyclische Carbene mit einem 1,1ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat synthetisiert. Ausgehend von der literaturbekannten Verbindung 1,1’-Diaminoferrocen gelang die Einführung der exocyclischen Substituenten an den Stickstoffatomen lediglich durch die Anpassung der Stöchiometrie in den einzelnen Syntheseschritten. Es wurden die folgenden drei NHCs synthetisiert: N-(2-Adamantyl)-N’-neopentyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Ad/Np), N-Neopentyl-N’-phenyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Ph/Np) und N-(9-Anthracenylmethyl)-N’-neopentyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Acm/Np). Das Carben Ad/Np konnte dabei erfolgreich isoliert werden, während die anderen zwei Carbene als Liganden in Komplexen des Typs [RhCl(COD)(NHC)] stabilisiert wurden. Von allen drei Carbenen wurden Rhodium-Carben-Komplexe des Typs [RhCl(COD)(NHC)] und cis-[RhCl(CO)2(NHC)] synthetisiert. Anhand der röntgenkristallographischen und NMR-spektroskopischen Untersuchungen dieser Rhodiumkomplexe konnten in allen sechs Komplexen anagostische Wechselwirkungen zwischen dem zentralen Rhodiumatom und den Wasserstoffatomen der exocyclischen Substituenten, die sich in α-Position zu den Stickstoffatomen befinden, nachgewiesen werden. Des Weiteren wurden anhand der cis-[RhCl(CO)2(NHC)]-Komplexe die TEP-Werte der Carbene bestimmt. Gemessen in DCM betragen diese 2049 cm-1 (Ad/Np), 2049 cm-1 (Ph/Np) und 2051 cm-1 (Acm/Np). Unabhängig von den unsymmetrisch substituierten NHCs mit einem 1,1ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung von NHCs als Adsorbatspezies für selbstorganisierende Monolagen überprüft. Hierzu wurden Tetraalkylimidazol-2-ylidene synthetisiert, welche als 0.01 mM Lösung auf Gold(111)-Substrate aufgebracht wurden. Die Goldsubstrate wurden anschließend mittels XPS untersucht. Die XPS-Analyse der modifizierten Goldsubstrate zeigte, dass eine Bindung der Carbene auf der Oberfläche stattgefunden hat. Es zeigte sich allerdings auch, dass keine SAM gebildet wurden, da die Oberfläche signifikant mit kohlen- und sauerstoffbasierten Verbindungen kontaminiert ist. Dabei kann vermutet werden, dass die Carbene nicht ausschließlich auf der Goldoberfläche selbst, sondern auch mit den auf der Oberfläche befindlichen Verbindungen reagiert haben.

Gasleckortungsmethoden für autonome mobile Inspektionsroboter mit optischer Gasfernmesstechnik in industrieller Umgebung

In vielen Industrieanlagen werden verschiedenste Fluide in der Produktion eingesetzt, die bei einer Freisetzung, z. B. durch ihre toxische oder karzinogene Eigenschaft oder wegen der Brand- und Explosionsgefahr, sowohl die Umwelt als auch Investitionsgüter gefährden können. In Deutschland sind zur Risikominimierung die maximal zulässigen Emissionsmengen von Stoffen und Stoffgruppen in verschiedenen Umweltvorschriften festgelegt, wodurch zu deren Einhaltung eine ausreichende Überwachung aller relevanten Anlagenkomponenten seitens der Betreiber notwendig ist. Eine kontinuierliche und flächendeckende Überwachung der Anlagen ist aber weder personell, noch finanziell mit klassischer In-situ-Sensorik realisierbar. In der vorliegenden Arbeit wird die Problemstellung der autonomen mobilen Gasferndetektion und Gasleckortung in industrieller Umgebung mittels optischer Gasfernmesstechnik adressiert, die zum Teil im Rahmen des Verbundprojekts RoboGasInspector entstand. Neben der Beschreibung des verwendeten mobilen Robotersystems und der Sensorik, werden die eingesetzten Techniken zur Messdatenverarbeitung vorgestellt. Für die Leckortung, als Sonderfall im Inspektionsablauf, wurde die TriMax-Methode entwickelt, die zusätzlich durch einen Bayes-Klassifikator basierten Gasleckschätzer (Bayes classification based gas leak estimator (BeaGLE)) erweitert wurde, um die Erstellung von Leckhypothesen zu verbessern. Der BeaGLE basiert auf Techniken, die in der mobilen Robotik bei der Erstellung von digitalen Karten mittels Entfernungsmessungen genutzt werden. Die vorgestellten Strategien wurden in industrieller Umgebung mittels simulierter Lecks entwickelt und getestet. Zur Bestimmung der Strategieparameter wurden diverse Laborund Freifelduntersuchungen mit dem verwendeten Gasfernmessgerät durchgeführt. Die abschließenden Testergebnisse mit dem Gesamtsystem haben gezeigt, dass die automatische Gasdetektion und Gaslecksuche mittels autonomer mobiler Roboter und optischer Gasfernmesstechnik innerhalb praktikabler Zeiten und mit hinreichender Präzision realisierbar sind. Die Gasdetektion und Gasleckortung mittels autonomer mobiler Roboter und optischer Gasfernmesstechnik ist noch ein junger Forschungszweig der industriellen Servicerobotik. In der abschließenden Diskussion der vorliegenden Arbeit wird deutlich, dass noch weitergehende, interessante Forschungs- und Entwicklungspotentiale erkennbar sind.

Optimierung von Betriebsstrategien für elektrifizierte Antriebskonzepte

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine gemeinsame Optimierung der Hybrid-Betriebsstrategie und des Verhaltens des Verbrennungsmotors vorgestellt. Die Übernahme von den im Steuergerät verwendeten Funktionsmodulen in die Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik stellt eine effiziente Applikationsmöglichkeit der Originalparametrierung dar. Gleichzeitig ist es notwendig, das Verhalten des Verbrennungsmotors derart nachzubilden, dass das stationäre und das dynamische Verhalten, inklusive aller relevanten Einflussmöglichkeiten, wiedergegeben werden kann. Das entwickelte Werkzeug zur Übertragung der in Ascet definierten Steurgerätefunktionen in die Simulink-Simulationsumgebung ermöglicht nicht nur die Simulation der relevanten Funktionsmodule, sondern es erfüllt auch weitere wichtige Eigenschaften. Eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Daten- und Funktionsstandänderungen, sowie die Parametrierbarkeit der Funktionsmodule sind Verbesserungen die an dieser Stelle zu nennen sind. Bei der Modellierung des stationären Systemverhaltens des Verbrennungsmotors erfolgt der Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen. Die Auswahl der optimalen Neuronenanzahl erfolgt durch die Betrachtung des SSE für die Trainings- und die Verifikationsdaten. Falls notwendig, wird zur Sicherstellung der angestrebten Modellqualität, das Interpolationsverhalten durch Hinzunahme von Gauß-Prozess-Modellen verbessert. Mit den Gauß-Prozess-Modellen werden hierbei zusätzliche Stützpunkte erzeugt und mit einer verminderten Priorität in die Modellierung eingebunden. Für die Modellierung des dynamischen Systemverhaltens werden lineare Übertragungsfunktionen verwendet. Bei der Minimierung der Abweichung zwischen dem Modellausgang und den Messergebnissen wird zusätzlich zum SSE das 2σ-Intervall der relativen Fehlerverteilung betrachtet. Die Implementierung der Steuergerätefunktionsmodule und der erstellten Steller-Sensor-Streckenmodelle in der Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik führt zum Anstieg der Simulationszeit und einer Vergrößerung des Parameterraums. Das aus Regelungstechnik bekannte Verfahren der Gütevektoroptimierung trägt entscheidend zu einer systematischen Betrachtung und Optimierung der Zielgrößen bei. Das Ergebnis des Verfahrens ist durch das Optimum der Paretofront der einzelnen Entwurfsspezifikationen gekennzeichnet. Die steigenden Simulationszeiten benachteiligen Minimumsuchverfahren, die eine Vielzahl an Iterationen benötigen. Um die Verwendung einer Zufallsvariablen, die maßgeblich zur Steigerung der Iterationanzahl beiträgt, zu vermeiden und gleichzeitig eine Globalisierung der Suche im Parameterraum zu ermöglichen wird die entwickelte Methode DelaunaySearch eingesetzt. Im Gegensatz zu den bekannten Algorithmen, wie die Partikelschwarmoptimierung oder die evolutionären Algorithmen, setzt die neu entwickelte Methode bei der Suche nach dem Minimum einer Kostenfunktion auf eine systematische Analyse der durchgeführten Simulationsergebnisse. Mit Hilfe der bei der Analyse gewonnenen Informationen werden Bereiche mit den bestmöglichen Voraussetzungen für ein Minimum identifiziert. Somit verzichtet das iterative Verfahren bei der Bestimmung des nächsten Iterationsschrittes auf die Verwendung einer Zufallsvariable. Als Ergebnis der Berechnungen steht ein gut gewählter Startwert für eine lokale Optimierung zur Verfügung. Aufbauend auf der Simulation der Fahrzeuglängsdynamik, der Steuergerätefunktionen und der Steller-Sensor-Streckenmodelle in einer Simulationsumgebung wird die Hybrid-Betriebsstrategie gemeinsam mit der Steuerung des Verbrennungsmotors optimiert. Mit der Entwicklung und Implementierung einer neuen Funktion wird weiterhin die Verbindung zwischen der Betriebsstrategie und der Motorsteuerung erweitert. Die vorgestellten Werkzeuge ermöglichten hierbei nicht nur einen Test der neuen Funktionalitäten, sondern auch eine Abschätzung der Verbesserungspotentiale beim Verbrauch und Abgasemissionen. Insgesamt konnte eine effiziente Testumgebung für eine gemeinsame Optimierung der Betriebsstrategie und des Verbrennungsmotorverhaltens eines Hybridfahrzeugs realisiert werden.

Entwicklung eines ökonomisch ausgerichteten Zuchtprogramms für die bedrohte Schweinerasse „Bunte Bentheimer“

Das Ziel dieser Arbeit war, ein ökonomisch ausgerichtetes Zuchtprogramm für die bedrohte Schweinerasse „Bunte Bentheimer“ (BB) zu entwickeln. Ein wesentlicher Bestandteil von Zuchtprogrammen für bedrohte Rassen ist der Erhalt der genetischen Diversität durch Vermeidung von weiterer Inzucht und Reduzierung des Inzuchtzuwachses. In Kapitel 2 wurde die Population der BB unter Berücksichtigung der vorhandenen Abstammungsinformationen in Bezug auf genetische Diversität, Inzucht und Verwandtschaft analysiert. Durchschnittlicher Inzuchtkoeffizient und Inzuchtzunahme lagen mit 12% und 1,66% pro Generation auf einem relativ hohen Niveau. Effektive Maßnahmen zur Inzuchtkontrolle sollten daher im Zuchtprogramm integriert werden. Durch die Bestimmung optimaler Einsatzfrequenzen selektierter Tiere ist es möglich, Inzucht zu kontrollieren und gleichzeitig Zuchtfortschritt zu generieren. Das konnte am Beispiel von Zuchtwerten für Fruchtbarkeitsmerkmale gezeigt werden. Basierend auf den optimalen Einsatzfrequenzen der selektierten Elterntiere wurden zur weiteren Reduzierung der Inzucht in der Folgegeneration konkrete Anpaarungspläne erstellt. Die Anpaarungen wurden unter Berücksichtigung der Natursprungproblematik durch Festlegung von Zuchtgebieten konzipiert. Die Umsetzung dieser wurde allerdings erschwert durch die eingeschränkte Verfügbarkeit der Eber. Schließt man die künstliche Besamung als mögliche Alternative aus, müssten die Zuchtgebiete so optimiert werden, dass die vorgeschlagenen Anpaarungen auch in die Praxis umgesetzt werden können. Die Gestaltung eines Zuchtprogramms erfordert zudem die Verfügbarkeit populationsgenetischer Parameter. Für die Fruchtbarkeitsmerkmale „Anzahl lebend geborener Ferkel“ (NBA) und „abgesetzter Ferkel“ (NW) lagen die Heritabilitäten bei jeweils 12%. Auch die genetischen Varianzen lagen in einem guten Bereich, so dass für beide Merkmale Zuchtfortschritt durch Selektion möglich ist. In Kapitel 3 wurden genetische Parameter für Fleischleistungs- und Fleischqualitätsmerkmale geschätzt. Als Grundlage dafür dienten sowohl in vivo Ultraschallmessungen am lebenden Tier, als auch Messungen, die am Schlachtkörper bzw. an einer Fleischprobe erfolgten. Zucht-, Mast- und Schlachttiere wurden am RYR1 Genort typisiert, um Allel-Substitutionseffekte zu schätzen. Die quantitativen- und molekulargenetischen Ansätze wurden genutzt, um darauf aufbauend zur Verbesserung der Fleischqualität Zuchtstrategien zu entwickeln. Für das Fleischqualitätsmerkmal intramuskulärer Fettgehalt (IMF) wurde die höchste Heritabilität von 0,78 bei einer ebenfalls hohen additiv-genetischen Varianz geschätzt. Dennoch ist die Erfassung dieses Merkmals mit einem hohen Kostenaufwand verbunden. Ein mögliches Hilfsmerkmal ist die Rückenspeckdicke (BFiv), die direkt am Selektionskandidaten erfasst werden kann. Die genetische Korrelation zwischen beiden Merkmale lag bei rg = 0,39. Die Assoziationsstudie am RYR1 Genort zeigte, dass die Anwesenheit des ungewünschten Allels einen negativen Effekt auf IMF hatte, d.h. der IMF Gehalt wurde reduziert. Darauf aufbauend wurde eine Zuchtstrategie entwickelt, die Phänotyp (BFiv) und Marker-Informationen am RYR1 Genort des Selektionskandidaten kombiniert. Durch die zusätzliche Berücksichtigung der Marker-Informationen konnten eine höhere Genauigkeit und ein höherer Zuchtfortschritt erzielt werden im Vergleich zu einer Strategie, die nur auf den phänotypischen Leistungen basiert. In Kapitel 4 wurde basierend auf einer Konsumentenbefragung mit integrierter Verkostung von Fleischproben indirekt die Zahlungsbereitschaft für unterschiedliche Fleischqualitäten erfasst. Alle Fleischproben wurden zusätzlich hinsichtlich der instrumental erfassbaren Fleischqualität untersucht und durch ein geschultes Panel im Sensorik Labor in Bezug auf die sensorische Qualität beurteilt. Außerdem wurde die direkte Zahlungsbereitschaft für unterschiedliche Qualitätsausprägungen der optischen Merkmale „Fleischfarbe“, „Fleischmarmorierung“ und „Fleischsaftverlust“ anhand von Fotografien erfasst. Die Ergebnisse dieser Befragung wurden genutzt, um ökonomischen Gewichte abzuleiten. Für IMF ergab sich ein hohes ökonomisches Gewicht von 57,52 € pro Merkmalseinheit bei dem aktuellen Populationsdurchschnitt von 1,57%. Mit steigendem Populationsmittel sinkt das ökonomische Gewicht und nähert sich ab einem Mittelwert von 2% einem Wert von 0,00 €. Aus züchterischer Sicht wäre daher ein durchschnittlicher IMF Gehalt von mindestens 2% anzustreben. Für Fleischqualitätsmerkmale, die beim Verzehr nicht direkt erfassbar sind, wie die Farbhelligkeit oder der Tropfsaftverlust, ist die direkte Methode zur Erfassung der Zahlungsbereitschaft (basierend auf den Fotografien) der indirekten (basierend auf der Verkostung) vorzuziehen, um ökonomische Gewichte abzuleiten. Genetische Parameter ökonomischen Gewichte wurden anschließend für Zuchtplanungsrechnungen verwendet. Im Zuchtziel wurde in erster Linie die Fruchtbarkeit (NBA) und Fleischqualität (IMF) berücksichtigt. Zur Vermeidung hoher Kosten und der besseren Anpassung an kleine Betriebsstrukturen wurde u.a. ein Zuchtprogramm modelliert, das auf in vivo Ultraschallmessungen für BFiv basiert, direkt erfasst am Selektionskandidaten. Der Züchtungsgewinn für diese Zuchtstrategie lag bei 35,92 € pro Tier. Der Zuchtfortschritt für IMF war allerdings erwartungsgemäß geringer als bei direkter Selektion auf das Merkmal. Basierend auf den Ergebnissen wurde in Kapitel 5 ein Entwurf für ein Zuchtprogramm erstellt, das die notwendigen Maßnahmen zur Inzuchtkontrolle beinhaltet und Zuchtfortschritt für rassespezifische Merkmale zulässt. Zudem ist dieser Entwurf angepasst an die kleinen Betriebsstrukturen und die unterschiedlichen Vermarktungsstrategien, die sich bereits etabliert haben.

Anwendungsorientierte Aufgaben für die Erstsemester-Mathematik-Veranstaltungen im Maschinenbaustudium

Dieser Werkstattbericht ist die zweite, verbesserte und um weitere Aufgaben ergänzte Version der Veröffentlichung von 2014. Hier wollen wir den aktuellen Arbeitsstand des Teilprojekts "Mathematik für Maschinenbauer" der AG Ing-Math vorstellen. Es werden eine Reihe von Anwendungsaufgaben und das zugrunde liegende Konzept vorgestellt. Die Aufgaben sind für die Veranstaltungen Mathematik 1 und 2 für Maschinenbauer konzipiert, jedoch lässt sich das Konzept auch auf andere ingenieurwissenschaftliche Studiengänge übertragen. Das Ziel ist es mit diesen Aufgaben die Motivation zu fördern und den Studierenden die Relevanz der Mathematik bereits in den ersten Semestern zu verdeutlichen.