Vorausschau und Planung neuer Technologiepfade in Unternehmen

Unternehmen konkurrieren in einem globalen Wettbewerb um den Transfer neuer Technologien in erfolgreiche Geschäftsmodelle. Aus diesem Grund stehen sie zunehmend der Herausforderung gegenüber, technologische Potenziale frühzeitig zu identifizieren, zu bewerten und Strategien für das Erschließen dieser Potenziale zu entwickeln. Dies ist zentraler Gegenstand der Vorausschau und Planung neuer Technologiepfade. In der vorliegenden Arbeit wird gemeinsam mit vier Unternehmen ein Leitfaden für die Strategiefindung, Entwicklung und Kommerzialisierung neu aufkommender Technologien entwickelt und angewendet. Den Ausgangspunkt der Arbeit bildet eine systematische Aufarbeitung des Forschungsstandes der Vorausschau und Planung neuer Technologien. Anschließend wird ein Beschreibungsmodell der Entstehung neuer Technologiepfade in technologiebasierten Innovationssystemen entwickelt. Auf Basis dieses Modells werden unterschiedliche Kategorien von Einflussfaktoren definiert, die als Analyserahmen für die neu entstehende Technologie dienen. Auf Basis der in der Literatur dokumentierten Abläufe, Teamstrukturen und Methoden (z.B. Roadmaps, Szenarien, Datenbankanalysen) wird ein sechsstufiger Ansatz für die Durchführung der Vorausschau und Planung neuer Technologiepfade konzipiert. Dieser Ansatz wird in vier Firmen für die Vorausschau und Planung neuer Technologien angewendet. Die untersuchten Technologien lassen sich den Feldern Biotechnologie, Nanotechnologie, Umwelttechnologie und Sensorik zuordnen. Zentrales Ergebnis der Arbeit ist ein entsprechend der Erfahrungen in den Unternehmen angepasster Ansatz für die Vorausschau und Planung neuer Technologiepfade. Dieser Ansatz ist in Abhängigkeit von Unternehmens- und Technologiecharakteristika für die weitere Anwendung konkretisiert. Dabei finden die zu beteiligenden Organisationseinheiten, zu betrachtende Einflussfaktoren sowie anwendbare Methoden besondere Berücksichtigung. Die Arbeit richtet sich an Personen in Führungspositionen im Bereich des strategischen Technologiemanagements sowie der Forschung und Entwicklung in Unternehmen, die Strategien für neu aufkommende Technologien entwickeln. Weiterhin sind die Ergebnisse der Arbeit für Wissenschaftler auf dem Gebiet der Methoden zur Vorausschau und Strategieentwicklung für neue Technologien von Interesse.

Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Physik der Elektronen in Nanostrukturen und niedrigdimensionalen Systemen - Studie zweier Beispiele

Als Beispiele für die vielfältigen Phänomene der Physik der Elektronen in niedrigdimensionalen Systemen wurden in dieser Arbeit das Cu(110)(2x1)O-Adsorbatsystem und die violette Li0.9Mo6O17-Bronze untersucht. Das Adsorbatsystem bildet selbstorganisierte quasi-eindimensionale Nanostrukturen auf einer Kupferoberfläche. Die Li-Bronze ist ein Material, das aufgrund seiner Kristallstruktur quasi-eindimensionale elektronische Eigenschaften im Volumen aufweist. Auf der Cu(110)(2x1)O-Oberfläche kann durch Variation der Sauerstoffbedeckung die Größe der streifenartigen CuO-Domänen geändert werden und damit der Übergang von zwei Dimensionen auf eine Dimension untersucht werden. Der Einfluss der Dimensionalität wurde anhand eines unbesetzten elektronischen Oberflächenzustandes studiert. Dessen Energieposition (untere Bandkante) verschiebt mit zunehmender Einschränkung (schmalere CuO-Streifen) zu größeren Energien hin. Dies ist ein bekannter quantenmechanischer Effekt und relativ gut verstanden. Zusätzlich wurde die Lebensdauer des Zustandes auf der voll bedeckten Oberfläche (zwei Dimensionen) ermittelt und deren Veränderung mit der Breite der CuO-Streifen untersucht. Es zeigt sich, dass die Lebensdauer auf schmaleren CuO-Streifen drastisch abnimmt. Dieses Ergebnis ist neu. Es kann im Rahmen eines Fabry-Perot-Modells als Streuung in Zustände außerhalb der CuO-Streifen verstanden werden. Außer den gerade beschriebenen Effekten war es möglich die Ladungsdichte des diskutierten Zustandes orts- und energieabhängig auf den CuO-Streifen zu studieren. Die Li0.9Mo6O17-Bronze wurde im Hinblick auf das Verhalten der elektronischen Zustandsdichte an der Fermikante untersucht. Diese Fragestellung ist besonders wegen der Quasieindimensionalität des Materials interessant. Die Messungen von STS-Spektren in der Nähe der Fermienergie zeigen, dass die Elektronen in der Li0.9Mo6O17-Bronze eine sogenannte Luttingerflüssigkeit ausbilden, die anstatt einer Fermiflüssigkeit in eindimensionalen elektronischen Systemen erwartet wird. Bisher wurde Luttingerflüssigkeitsverhalten erst bei wenigen Materialien und Systemen experimentell nachgewiesen, obschon die theoretischen Voraussagen mehr als 30 Jahre zurückliegen. Ein Charakteristikum einer Luttingerflüssigkeit ist die Abnahme der Zustandsdichte an der Fermienergie mit einem Potenzgesetz. Dieses Verhalten wurde in STS-Spektren dieser Arbeit beobachtet und quantitativ im Rahmen eines Luttingerflüssigkeitsmodells beschrieben. Auch die Temperaturabhängigkeit des Phänomens im Bereich von 5K bis 55K ist konsistent mit der Beschreibung durch eine Luttingerflüssigkeit. Generell zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass die Dimensionalität, insbesondere deren Einschränkung, einen deutlichen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Systemen und Materialien haben kann.

MitWirkung - Zukunft gestalten

Die Diskussion in den Planungswissenschaften beschreibt den Paradigmenwechsel vom so genannten DEAD-Model (Decide-Announce-Defend) zum Tripple-D-Model (Dialogue-Decide-Deliver) und beschäftigt sich intensiv mit dem Thema Governance. Komplexe Planungsaufgaben brauchen eine Vielfalt an Lösungsideen unterschiedlicher gesellschaftlicher Gruppen. Planung verfolgt u. a. die Umsetzung der Ziele einer nachhaltigen Entwicklung, die die Einbeziehung der Öffentlichkeit (Zivilgesellschaft, Unternehmen und Bürger) verlangt. Darüber hinaus wird eine Erweiterung der Perspektive über Verfahren und Steuerungsformen hinaus auf Akteure und Prozesse gefordert. Räumliche Entwicklungen sollen stärker im Zusammenhang mit Entscheidungsfindungsprozesse untersucht werden. Die Dissertation ergänzt eine wirkungsorientierte Perspektive, die Wirkungen, sowohl räumliche als auch soziale, in den Mittelpunkt der Betrachtung stellt. Sie stützt sich auf Beobachtungen, dass klassisches Projektmanagement für erfolgreiche Planungsprozesse nicht ausreicht, sondern zusätzlich Prozessmanagement braucht. Mit der Weiterentwicklung der partizipativen Planung, die zusätzlich in den Kontext gesellschaftlicher Lernprozesse und zukunftsfähiger Veränderungen gesellschaftlicher Bedingungen gestellt wird, ergänzt die Dissertation planungswissenschaftliche Theorien. Aus einem fachübergreifenden Blickwinkel wird die räumliche Planung in die Reihe von Management- und Organisationswissenschaften eingeordnet. Ausgehend von der Frage, welche räumlichen und sozialen Wirkungen durch Beteiligungsprozesse unter welchen Bedingungen erzielt werden, wurden Fallstudien aus der Wasserwirtschaft und ihre Prozessbiografien umfassend evaluiert. Als Evaluierungsmethode wurde ein von der EU-Kommission empfohlener Evaluierungsrahmen gewählt, der sowohl den Prozess selbst, seine Rahmenbedingungen und Durchführung, als auch Wirkungen analysiert und bewertet. Auf der Grundlage der Ergebnisse und theoretischer Erkenntnisse, vorrangig aus der Evaluationsforschung, wird ein umfassender Beteiligungsansatz konzipiert. Dabei handelt es sich um ein offenes Gerüst, in das sich bewährte und innovative Elemente strategisch gezielt integrieren lassen. Die Struktur verbindet verschiedene Beteiligungswerkzeuge unterschiedlicher Intensitäten und für unterschiedliche Zielgruppen zu einem Gesamtkonzept, mit dem Ziel, möglichst die gewünschten Wirkungen zu erreichen. Wesentlich an dem Ansatz ist, dass bereits das Prozessdesign unter Mitwirkung von Projektträgern, Beratern und Schlüsselakteuren erfolgt. Die partizipative Beteiligungsplanung bedeutet somit Klärung der Vorgehensweise und gleichzeitig Bewusstseins- und Kompetenzerweiterung der verantwortlichen Akteure. Im Ausblick werden künftige Forschungsaufgaben im Bereich der Mitwirkung in der räumlichen Planung formuliert und Handlungsmöglichkeiten aufgezeigt, um Partizipation als Teil planerischer „Alltagskultur“ weiterzuentwickeln. Dies erfolgt vor dem Hintergrund der Bedeutung von Partizipation und Bildung als Umsetzungsstrategie von Ideen der Landschaftsentwicklung und Nachhaltigkeit.

Determination of yield and quality parameters of energy crops applying laboratory and field spectroscopy

A real-time analysis of renewable energy sources, such as arable crops, is of great importance with regard to an optimised process management, since aspects of ecology and biodiversity are considered in crop production in order to provide a sustainable energy supply by biomass. This study was undertaken to explore the potential of spectroscopic measurement procedures for the prediction of potassium (K), chloride (Cl), and phosphate (P), of dry matter (DM) yield, metabolisable energy (ME), ash and crude fibre contents (ash, CF), crude lipid (EE), nitrate free extracts (NfE) as well as of crude protein (CP) and nitrogen (N), respectively in pretreated samples and undisturbed crops. Three experiments were conducted, one in a laboratory using near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) and two field spectroscopic experiments. Laboratory NIRS measurements were conducted to evaluate to what extent a prediction of quality parameters is possible examining press cakes characterised by a wide heterogeneity of their parent material. 210 samples were analysed subsequent to a mechanical dehydration using a screw press. Press cakes serve as solid fuel for thermal conversion. Field spectroscopic measurements were carried out with regard to further technical development using different field grown crops. A one year lasting experiment over a binary mixture of grass and red clover examined the impact of different degrees of sky cover on prediction accuracies of distinct plant parameters. Furthermore, an artificial light source was used in order to evaluate to what extent such a light source is able to minimise cloud effects on prediction accuracies. A three years lasting experiment with maize was conducted in order to evaluate the potential of off-nadir measurements inside a canopy to predict different quality parameters in total biomass and DM yield using one sensor for a potential on-the-go application. This approach implements a measurement of the plants in 50 cm segments, since a sensor adjusted sideways is not able to record the entire plant height. Calibration results obtained by nadir top-of-canopy reflectance measurements were compared to calibration results obtained by off-nadir measurements. Results of all experiments approve the applicability of spectroscopic measurements for the prediction of distinct biophysical and biochemical parameters in the laboratory and under field conditions, respectively. The estimation of parameters could be conducted to a great extent with high accuracy. An enhanced basis of calibration for the laboratory study and the first field experiment (grass/clover-mixture) yields in improved robustness of calibration models and allows for an extended application of spectroscopic measurement techniques, even under varying conditions. Furthermore, off-nadir measurements inside a canopy yield in higher prediction accuracies, particularly for crops characterised by distinct height increment as observed for maize.

Electron-Nuclear Correlation in Laser-Driven Diatomic Molecules

The interaction of short intense laser pulses with atoms/molecules produces a multitude of highly nonlinear processes requiring a non-perturbative treatment. Detailed study of these highly nonlinear processes by numerically solving the time-dependent Schrodinger equation becomes a daunting task when the number of degrees of freedom is large. Also the coupling between the electronic and nuclear degrees of freedom further aggravates the computational problems. In the present work we show that the time-dependent Hartree (TDH) approximation, which neglects the correlation effects, gives unreliable description of the system dynamics both in the absence and presence of an external field. A theoretical framework is required that treats the electrons and nuclei on equal footing and fully quantum mechanically. To address this issue we discuss two approaches, namely the multicomponent density functional theory (MCDFT) and the multiconfiguration time-dependent Hartree (MCTDH) method, that go beyond the TDH approximation and describe the correlated electron-nuclear dynamics accurately. In the MCDFT framework, where the time-dependent electronic and nuclear densities are the basic variables, we discuss an algorithm to calculate the exact Kohn-Sham (KS) potentials for small model systems. By simulating the photodissociation process in a model hydrogen molecular ion, we show that the exact KS potentials contain all the many-body effects and give an insight into the system dynamics. In the MCTDH approach, the wave function is expanded as a sum of products of single-particle functions (SPFs). The MCTDH method is able to describe the electron-nuclear correlation effects as the SPFs and the expansion coefficients evolve in time and give an accurate description of the system dynamics. We show that the MCTDH method is suitable to study a variety of processes such as the fragmentation of molecules, high-order harmonic generation, the two-center interference effect, and the lochfrass effect. We discuss these phenomena in a model hydrogen molecular ion and a model hydrogen molecule. Inclusion of absorbing boundaries in the mean-field approximation and its consequences are discussed using the model hydrogen molecular ion. To this end, two types of calculations are considered: (i) a variational approach with a complex absorbing potential included in the full many-particle Hamiltonian and (ii) an approach in the spirit of time-dependent density functional theory (TDDFT), including complex absorbing potentials in the single-particle equations. It is elucidated that for small grids the TDDFT approach is superior to the variational approach.

Knowledge Building in Landscape Architecture

The objective of this study was to develop an internet-based seminar framework applicable for landscape architecture education. This process was accompanied by various aims. The basic expectation was to keep the main characteristics of landscape architecture education also in the online format. On top of that, four further objectives were anticipated: (1) training of competences for virtual team work, (2) fostering intercultural competence, (3) creation of equal opportunities for education through internet-based open access and (4) synergy effects and learning processes across institutional boundaries. This work started with the hypothesis that these four expected advantages would compensate for additional organisational efforts caused by the online delivery of the seminars and thus lead to a sustainable integration of this new learning mode into landscape architecture curricula. This rationale was followed by a presentation of four areas of knowledge to which the seminar development was directly related (1) landscape architecture as a subject and its pedagogy, (2) general learning theories, (3) developments in the ICT sector and (4) wider societal driving forces such as global citizenship and the increase of open educational resources. The research design took the shape of a pedagogical action research cycle. This approach was constructive: The author herself is teaching international landscape architecture students so that the model could directly be applied in practice. Seven online seminars were implemented in the period from 2008 to 2013 and this experience represents the core of this study. The seminars were conducted with varying themes while its pedagogy, organisation and the technological tools remained widely identical. The research design is further based on three levels of observation: (1) the seminar design on the basis of theory and methods from the learning sciences, in particular educational constructivism, (2) the seminar evaluation and (3) the evaluation of the seminars’ long term impact. The seminar model itself basically consists of four elements: (1) the taxonomy of learning objectives, (2) ICT tools and their application and pedagogy, (3) process models and (4) the case study framework. The seminar framework was followed by the presentation of the evaluation findings. The major findings of this study can be summed up as follows: Implementing online seminars across educational and national boundaries was possible both in term of organisation and technology. In particular, a high level of cultural diversity among the seminar participants has definitively been achieved. However, there were also obvious obstacles. These were primarily competing study commitments and incompatible schedules among the students attending from different academic programmes, partly even in different time zones. Both factors had negative impact on the individual and working group performances. With respect to the technical framework it can be concluded that the majority of the participants were able to use the tools either directly without any problem or after overcoming some smaller problems. Also the seminar wiki was intensively used for completing the seminar assignments. However, too less truly collaborative text production was observed which could be improved by changing the requirements for the collaborative task. Two different process models have been applied for guiding the collaboration of the small groups and both were in general successful. However, it needs to be said that even if the students were able to follow the collaborative task and to co-construct and compare case studies, most of them were not able to synthesize the knowledge they had compiled. This means that the area of consideration often remained on the level of the case and further reflections, generalisations and critique were largely missing. This shows that the seminar model needs to find better ways for triggering knowledge building and critical reflection. It was also suggested to have a more differentiated group building strategy in future seminars. A comparison of pre- and post seminar concept maps showed that an increase of factual and conceptual knowledge on the individual level was widely recognizable. Also the evaluation of the case studies (the major seminar output) revealed that the students have undergone developments of both the factual and the conceptual knowledge domain. Also their self-assessment with respect to individual learning development showed that the highest consensus was achieved in the field of subject-specific knowledge. The participants were much more doubtful with regard to the progress of generic competences such as analysis, communication and organisation. However, 50% of the participants confirmed that they perceived individual development on all competence areas the survey had asked for. Have the additional four targets been met? Concerning the competences for working in a virtual team it can be concluded that the vast majority was able to use the internet-based tools and to work with them in a target-oriented way. However, there were obvious differences regarding the intensity and activity of participation, both because of external and personal factors. A very positive aspect is the achievement of a high cultural diversity supporting the participants’ intercultural competence. Learning from group members was obviously a success factor for the working groups. Regarding the possibilities for better accessibility of educational opportunities it became clear that a significant number of participants were not able to go abroad during their studies because of financial or personal reasons. They confirmed that the online seminar was to some extent a compensation for not having been abroad for studying. Inter-institutional learning and synergy was achieved in so far that many teachers from different countries contributed with individual lectures. However, those teachers hardly ever followed more than one session. Therefore, the learning effect remained largely within the seminar learning group. Looking back at the research design it can be said that the pedagogical action research cycle was an appropriate and valuable approach allowing for strong interaction between theory and practice. However, some more external evaluation from peers in particular regarding the participants’ products would have been valuable.