Magnetische Kopplungen in magneto-optischen Speicherschichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurden magneto-optische Speicherschichten und ihre Kopplungen untereinander untersucht. Hierzu wurden zum Einen die für die magneto-optische Speichertechnologie "klassischen" Schichten aus RE/TM-Legierungen verwendet, zum Anderen aber auch erfolgreich Granate integriert, die bisher nicht in diesem Anwendungsgebiet verwendet wurden. Einleitend werden die magneto-optischen Verfahren, die resultierenden Anforderungen an die dünnen Schichten und die entsprechenden physikalischen Grundlagen diskutiert. Außerdem wird auf das Hochfrequenz-Sputtern von RE/TM-Legierungen eingegangen und die verwendeten magneto-optischen Messverfahren werden erläutert [Kap. 2 & 3]. Die Untersuchungen an RE/TM-Schichten bestätigen die aus der Literatur bekannten Eigenschaften. Sie lassen sich effektiv, und für magneto-optische Anwendungen geeignet, über RF-Sputtern herstellen. Die unmittelbaren Schicht-Parameter, wie Schichtdicke und Terbium-Konzentration, lassen sich über einfache Zusammenhänge einstellen. Da die Terbium-Konzentration eine Änderung der Kompensationstemperatur bewirkt, lässt sich diese mit Messungen am Kerr-Magnetometer überprüfen. Die für die Anwendung interessante senkrechte magnetische Anisotropie konnte ebenfalls mit den Herstellungsbedingungen verknüpft werden. Bei der Herstellung der Schichten auf einer glatten Glas-Oberfläche (Floatglas) zeigt die RE/TM-Schicht bereits in den ersten Lagen ein Wachstumsverhalten, das eine senkrechte Anisotropie bewirkt. Auf einer Quarzglas- oder Keramik-Oberfläche wachsen die ersten Lagen in einer durch das Substrat induzierten Struktur auf, danach ändert sich das Wachstumsverhalten stetig, bis eine senkrechte Anisotropie erreicht wird. Dieses Verhalten kann auch durch verschiedene Pufferschichten (Aluminium und Siliziumnitrid) nur unwesentlich beeinflusst werden [Kap. 5 & Kap. 6]. Bei der direkten Aufbringung von Doppelschichten, bestehend aus einer Auslese-Schicht (GdFeCo) auf einer Speicherschicht (TbFeCo), wurde die Austausch-Kopplung demonstriert. Die Ausleseschicht zeigt unterhalb der Kompensationstemperatur keine Kopplung an die Speicherschicht, während oberhalb der Kompensationstemperatur eine direkte Kopplung der Untergitter stattfindet. Daraus ergibt sich das für den MSR-Effekt erwünschte Maskierungsverhalten. Die vorher aus den Einzelschichten gewonnen Ergebnisse zu Kompensationstemperatur und Wachstumsverhalten konnten in den Doppelschichten wiedergefunden werden. Als Idealfall erweist sich hier die einfachste Struktur. Man bringt die Speicherschicht auf Floatglas auf und bedeckt diese direkt mit der Ausleseschicht [Kap. 7]. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, den Faraday-Effekt einer Granatschicht als verstärkendes Element zu nutzen. Im anwendungstauglichen, integrierten Schichtsystem konnten die kostengünstig, mit dem Sol-Gel-Verfahren produzierten, Granate die strukturellen Anforderungen nicht erfüllen, da sich während der Herstellung Risse und Löcher gebildet haben. Bei der experimentellen Realisierung mit einer einkristallinen Granatschicht und einer RE/TM-Schicht konnte die prinzipielle Eignung des Schichtsystems demonstriert werden [Kap. 8].

Untersuchung von Schichtsystemen für die magnetooptische Datenspeicherung mit Hilfe der Kerr-Mikroskopie

Untersuchung von Schichtsystemen für die magneto-optische Datenspeicherung mit Hilfe der Kerr-Mikroskopie Dissertation von Stephan Knappmann, Universität Gh Kassel, 2000 Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein modifiziertes Kerr-Mikroskop aufgebaut und für eine neuartige Untersuchungsmethode von gekoppelten magnetischen Schichten angewendet. Damit können Schichtsysteme untersucht werden, bei denen die eine Schicht eine temperaturabhängige Reorientierung der Magnetisierung von in-plane zu senkrecht zeigt. Derartige Schichten sind für zukünftige magnetooptische Speichertechniken interessant, da sie für die magnetisch induzierte Superauflösung (MSR) eingesetzt werden können. Zunächst wurde ein Ganzfeld-Kerr-Mikroskop aufgebaut und durch einen zusätzlichen Strahlengang erweitert. Da die Proben lokal geheizt werden sollten, wurde der Strahl eines Diodenlasers (l = 780 nm) in den Strahlengang eingekoppelt, durch das Mikroskopobjektiv auf die Probe fokussiert und nach der Reflexion vollständig aus dem Strahlengang entfernt. Dies war deshalb wichtig, da Domänenbilder aufgenommen werden sollten, während die Schichten lokal geheizt werden. Mit diesem Aufbau ist es möglich, den magnetooptischen Ausleseprozeß in MSR Systemen mikroskopisch zu simulieren. Dies wurde am Beispiel einer Doppelschicht demonstriert. Dieses Schichtsystem besteht aus einer Speicherschicht mit senkrechter Magnetisierung (TbFeCo) und einer Ausleseschicht mit temperaturabhängiger Reorientierung (GdFeCo). Damit ist dieses Schichtsystem für eine spezielle MSR Technik (CAD-MSR) geeignet. Dabei wird im heißen Bereich des laserinduzierten Temperaturprofils die Information aus der Speicherschicht in die Ausleseschicht kopiert, so daß eine Apertur gebildet wird, die nur von der Temperaturverteilung abhängt. Bei diesem Schichtsystem konnte gezeigt werden, daß sich durch ein Magnetfeld die Aperturwirkung deutlich verbessern läßt. Dieses Ergebnis läßt sich auf alle Schichten übertragen, bei denen die Reorientierung der Magnetisierung durch allmähliche Drehung erfolgt. Die wesentlichen Ergebnisse der Domänenbeobachtungen an der TbFeCo/GdFeCo-Doppelschicht konnten durch Simulationen mit Hilfe eines einfachen Modells bestätigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung von Vielfachschichten. Es wurden Tb/Fe-Vielfachschichten mit einer Modulationswellenlänge von 1,5 - 5 nm durch Kathodenzerstäubung hergestellt und magnetisch charakterisiert. Die natürlichen Domänen-strukturen zeigten eine starke Abhängigkeit von dem Verhältnis der Tb- und Fe-Schichtdicken. Die Erklärung kann durch das Wechselspiel von magnetostatischer Energie EMS und Domänenwandenergie EDW gegeben werden. In der Nähe des Kompensationspunktes ist EMS klein und EDW dominiert. Als Folge bilden sich zirkulare Domänen. Mit der Entfernung vom Kompensationspunkt steigt EMS und es wird eine verzweigte Domänenstruktur favorisiert. Thermomagnetische Schreibexperimente an einer ausgewählten Tb/Fe-Vielfachschicht haben ergeben, daß sich bei kleinen Schreib-Magnetfeldern Subdomänenstrukturen ausbilden können. In der Praxis ist ein solcher Subdomänenzustand unerwünscht, da er zu einem erhöhten Ausleserauschen führen würde. Der Effekt läßt sich durch ein höheres Magnetfeld oder eine höhere Kompensationstemperatur (höhere Tb-Konzentration) vermeiden. Schließlich wurde demonstriert, daß nach kleinen Änderungen mit dem Mikroskop Domänen in longitudinaler Konfiguration abgebildet werden können. Da die Kerr-Drehungen hier kleiner sind als im polaren Fall, mußten verschiedene Verfahren der Bildverarbeitung angewendet werden, um den magnetischen Kontrast zu vergrößern. Neben der bekannten Subtraktion eines Referenzbildes wurde ein neues Verfahren zur weiteren Verbesserung der Domänenbilder angewendet, wobei zwei Referenzbilder mit entgegengesetzter Magnetisierung benötigt werden.

Erneuerbare Energien im Verbund mit Hochleistungs-Bleiakkumulatoren zur Bereitstellung von Spitzenleistung - am Beispiel von Windkraftwerken im 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL / Luxemburg -

Die wachsende Weltbevölkerung bedingt einen höheren Energiebedarf, dies jedoch unter der Beachtung der nachhaltigen Entwicklung. Die derzeitige zentrale Versorgung mit elektrischer Energie wird durch wenige Erzeugungsanlagen auf der Basis von fossilen Primärenergieträgern und Kernenergie bestimmt, die die räumlich verteilten Verbraucher zuverlässig und wirtschaftlich über ein strukturiertes Versorgungssystem beliefert. In den Elektrizitätsversorgungsnetzen sind keine nennenswerten Speicherkapazitäten vorhanden, deshalb muss die von den Verbrauchern angeforderte Energie resp. Leistung jederzeit von den Kraftwerken gedeckt werden. Bedingt durch die Liberalisierung der Energiemärkte und die geforderte Verringerung der Energieabhängigkeit Luxemburgs, unterliegt die Versorgung einem Wandel hin zu mehr Energieeffizienz und erhöhter Nutzung der dargebotsabhängigen Energiequellen. Die Speicherung der aus der Windkraft erzeugten elektrischen Energie, wird in den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren, errichtet im ländlichen Raum in der Nähe der Windkraftwerke, eingespeichert. Die zeitversetzte Einspeisung dieser gespeicherten elektrischen Energie in Form von veredelter elektrischer Leistung während den Lastspitzen in das 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL stellt die Innovation in der luxemburgischen Elektrizitätsversorgung dar. Die Betrachtungen beschränken sich somit auf die regionale, relativ kleinräumige Einbindung der Windkraft in die elektrische Energieversorgung des Großherzogtums Luxemburg. Die Integration der Windkraft im Regionalbereich wird in den Vordergrund der Untersuchung gerückt. Überregionale Ausgleichseffekte durch Hochspannungsleitungen der 230/400 kV-Systeme werden außer Acht gelassen. Durch die verbrauchernahe Bereitstellung von elektrischer Spitzenleistung vermindern sich ebenfalls die Übertragungskosten aus den entfernten Spitzenlastkraftwerken, der Ausbau von Kraftwerkskapazitäten kann in die Zukunft verschoben werden. Die Emission von Treibhausgasen in thermischen Kraftwerken wird zum Teil reduziert. Die Berechnungen der Wirtschaftlichkeit von Hybridanlagen, zusammengesetzt aus den Windkraftwerken und den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren bringen weitere Informationen zum Einsatz dieser dezentralen Speichern, als Partner der nachhaltigen Energieversorgung im ländlichen Raum. Die untersuchte Einspeisung von erneuerbarer Spitzenleistung lässt sich auch in die Entwicklungsländer übertragen, welche nicht über zentrale Kraftwerkskapazitäten und Verteilungsnetze verfügen.

Methodische Ansätze für die agentenorientierte Softwareentwicklung im Maschinen-und Anlagenbau

Der Anteil dezentraler eingebetteter Systeme steigt in zahlreichen Andwendungsfeldern, wie der Kfz-Elektronik oder der Anlagenautomatisierung [ScZu03]. Zudem steigen die Anforderungen and die Flexibilität und den Funktionsumfang moderner automatisierungs-technischer Systeme. Der Einsatz agentenorientierter Methoden ist diesbezüglich ein geeigneter Ansatz diesen Anforderungen gerecht zu werden [WGU03]. Mit Agenten können flexible, anpassungsfähige Softwaresysteme entwickelt werden, welche die Verteilung von Informationen, Aufgaben, Ressourcen oder Entscheidungsprozessen der realen Problemstellung im Softwaresystem widerspiegeln. Es ist somit möglich, die gewünschte Flexibilität des Systems, bezüglich der Struktur oder des Verhaltens gezielt zu entwerfen. Nachteilig ist jedoch der Indeterminismus des Verhaltens des Gesamtsystems, der sich aufgrund von schwer vorhersagbaren Interaktionen ergibt [Jen00]. Dem gegenüber stehen statische Softwaresysteme, welche zwar einen hohen Determinismus aufweisen aber wenig flexibel in Bezug auf Änderungen der Struktur des Systems oder des Ablaufs des realen Prozesses sind. Mit der steigenden Komplexität der Systeme ist allerdings selbst mit einem statischen Entwurf die Vorhersagbarkeit immer weniger zu gewährleisten. Die Zahl der möglichen Zustände einer Anlage wird mit der Berücksichtigung von allen möglichen Fehlern, Ausfällen und externen Einflüssen (dynamische Umgebung) so groß, daß diese mit vertretbarem Aufwand kaum noch erfassbar sind und somit auch nicht behandelt werden können. Das von der DFG geförderten Projekt AVE [AVE05], welches in Kooperation mit dem Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik der Universität Stuttgart bearbeitet wird, beschäftigt sich in diesem Kontext mit dem Konflikt, die Vorteile der Flexibilität und Anpassungsfähigkeit von agentenorientierter Software mit den spezifischen Anforderungen der Domäne der Echtzeitsysteme, wie Zeit- und Verlässlichkeitsanforderungen, zu verknüpfen. In einer detaillierten Analyse dieser Anforderungen wurde untersucht, wie die Eigenschaften der Anpassungsfähigkeit und Flexibilität prinzipiell die Anforderungen an Echtzeit- und Verlässlichkeitseigenschaften beeinflussen und wie umgekehrt Anforderungen an Echtzeit- und Verlässlichkeitseigenschaften die Anpassungsfähigkeit und Flexibilität beschränken können. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden Methoden und Konzepte für den Entwurf und die Implementierung von Agentensystemen auf gängiger Automatisierungshardware, insbesondere Speicher Programmierbare Steuerungen (SPS), entwickelt. In diesem Rahmen wird ein Konzept für die Modellierung von Sicherheit in Agentensystemen vorgestellt, welches insbesondere den modularen Charakter von Agenten berücksichtigt. Kernaspekt ist es, dem Entwickler einen Rahmen vorzugeben, der ihn dabei unterstützt ein möglichst lückenloses Sicherheitskonzept zu erstellen und ihm dabei genug Freiheiten lässt den Aufwand für die Strategien zur Fehlererkennung, Fehlerdiagnose und Fehlerbehandlung je nach Anforderung für jedes Modul individuell festzulegen. Desweiteren ist besonderer Wert darauf gelegt worden, dass die verwendeten Darstellungen und Diagramme aus der Domäne stammen und eine gute Vorlage für die spätere Implementierung auf automatisierungstechnischer Hardware bieten.

On the Benefits of Abstraction in Concurrent Haskell

Heutzutage haben selbst durchschnittliche Computersysteme mehrere unabhängige Recheneinheiten (Kerne). Wird ein rechenintensives Problem in mehrere Teilberechnungen unterteilt, können diese parallel und damit schneller verarbeitet werden. Obwohl die Entwicklung paralleler Programme mittels Abstraktionen vereinfacht werden kann, ist es selbst für Experten anspruchsvoll, effiziente und korrekte Programme zu schreiben. Während traditionelle Programmiersprachen auf einem eher geringen Abstraktionsniveau arbeiten, bieten funktionale Programmiersprachen wie z.B. Haskell, Möglichkeiten zur fortgeschrittenen Abstrahierung. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war es, zu untersuchen, wie gut verschiedene Arten der Abstraktion das Programmieren mit Concurrent Haskell unterstützen. Concurrent Haskell ist eine Bibliothek für Haskell, die parallele Programmierung auf Systemen mit gemeinsamem Speicher ermöglicht. Im Mittelpunkt der Dissertation standen zwei Forschungsfragen. Erstens wurden verschiedene Synchronisierungsansätze verglichen, die sich in ihrem Abstraktionsgrad unterscheiden. Zweitens wurde untersucht, wie Abstraktionen verwendet werden können, um die Komplexität der Parallelisierung vor dem Entwickler zu verbergen. Bei dem Vergleich der Synchronisierungsansätze wurden Locks, Compare-and-Swap Operationen und Software Transactional Memory berücksichtigt. Die Ansätze wurden zunächst bezüglich ihrer Eignung für die Synchronisation einer Prioritätenwarteschlange auf Basis von Skiplists untersucht. Anschließend wurden verschiedene Varianten des Taskpool Entwurfsmusters implementiert (globale Taskpools sowie private Taskpools mit und ohne Taskdiebstahl). Zusätzlich wurde für das Entwurfsmuster eine Abstraktionsschicht entwickelt, welche eine einfache Formulierung von Taskpool-basierten Algorithmen erlaubt. Für die Untersuchung der Frage, ob Haskells Abstraktionsmethoden die Komplexität paralleler Programmierung verbergen können, wurden zunächst stencil-basierte Algorithmen betrachtet. Es wurde eine Bibliothek entwickelt, die eine deklarative Beschreibung von stencil-basierten Algorithmen sowie ihre parallele Ausführung erlaubt. Mit Hilfe dieses deklarativen Interfaces wurde die parallele Implementation vollständig vor dem Anwender verborgen. Anschließend wurde eine eingebettete domänenspezifische Sprache (EDSL) für Knoten-basierte Graphalgorithmen sowie eine entsprechende Ausführungsplattform entwickelt. Die Plattform erlaubt die automatische parallele Verarbeitung dieser Algorithmen. Verschiedene Beispiele zeigten, dass die EDSL eine knappe und dennoch verständliche Formulierung von Graphalgorithmen ermöglicht.

Economics of Hybrid Photovoltaic Power Plants

The global power supply stability is faced to several severe and fundamental threats, in particular steadily increasing power demand, diminishing and degrading fossil and nuclear energy resources, very harmful greenhouse gas emissions, significant energy injustice and a structurally misbalanced ecological footprint. Photovoltaic (PV) power systems are analysed in various aspects focusing on economic and technical considerations of supplemental and substitutional power supply to the constraint conventional power system. To infer the most relevant system approach for PV power plants several solar resources available for PV systems are compared. By combining the different solar resources and respective economics, two major PV systems are identified to be very competitive in almost all regions in the world. The experience curve concept is used as a key technique for the development of scenario assumptions on economic projections for the decade of the 2010s. Main drivers for cost reductions in PV systems are learning and production growth rate, thus several relevant aspects are discussed such as research and development investments, technical PV market potential, different PV technologies and the energetic sustainability of PV. Three major market segments for PV systems are identified: off-grid PV solutions, decentralised small scale on-grid PV systems (several kWp) and large scale PV power plants (tens of MWp). Mainly by application of ‘grid-parity’ and ‘fuel-parity’ concepts per country, local market and conventional power plant basis, the global economic market potential for all major PV system segments is derived. PV power plant hybridization potential of all relevant power technologies and the global power plant structure are analyzed regarding technical, economical and geographical feasibility. Key success criteria for hybrid PV power plants are discussed and comprehensively analysed for all adequate power plant technologies, i.e. oil, gas and coal fired power plants, wind power, solar thermal power (STEG) and hydro power plants. For the 2010s, detailed global demand curves are derived for hybrid PV-Fossil power plants on a per power plant, per country and per fuel type basis. The fundamental technical and economic potentials for hybrid PV-STEG, hybrid PV-Wind and hybrid PV-Hydro power plants are considered. The global resource availability for PV and wind power plants is excellent, thus knowing the competitive or complementary characteristic of hybrid PV-Wind power plants on a local basis is identified as being of utmost relevance. The complementarity of hybrid PV-Wind power plants is confirmed. As a result of that almost no reduction of the global economic PV market potential need to be expected and more complex power system designs on basis of hybrid PV-Wind power plants are feasible. The final target of implementing renewable power technologies into the global power system is a nearly 100% renewable power supply. Besides balancing facilities, storage options are needed, in particular for seasonal power storage. Renewable power methane (RPM) offers respective options. A comprehensive global and local analysis is performed for analysing a hybrid PV-Wind-RPM combined cycle gas turbine power system. Such a power system design might be competitive and could offer solutions for nearly all current energy system constraints including the heating and transportation sector and even the chemical industry. Summing up, hybrid PV power plants become very attractive and PV power systems will very likely evolve together with wind power to the major and final source of energy for mankind.

Context as a Service

In the vision of Mark Weiser on ubiquitous computing, computers are disappearing from the focus of the users and are seamlessly interacting with other computers and users in order to provide information and services. This shift of computers away from direct computer interaction requires another way of applications to interact without bothering the user. Context is the information which can be used to characterize the situation of persons, locations, or other objects relevant for the applications. Context-aware applications are capable of monitoring and exploiting knowledge about external operating conditions. These applications can adapt their behaviour based on the retrieved information and thus to replace (at least a certain amount) the missing user interactions. Context awareness can be assumed to be an important ingredient for applications in ubiquitous computing environments. However, context management in ubiquitous computing environments must reflect the specific characteristics of these environments, for example distribution, mobility, resource-constrained devices, and heterogeneity of context sources. Modern mobile devices are equipped with fast processors, sufficient memory, and with several sensors, like Global Positioning System (GPS) sensor, light sensor, or accelerometer. Since many applications in ubiquitous computing environments can exploit context information for enhancing their service to the user, these devices are highly useful for context-aware applications in ubiquitous computing environments. Additionally, context reasoners and external context providers can be incorporated. It is possible that several context sensors, reasoners and context providers offer the same type of information. However, the information providers can differ in quality levels (e.g. accuracy), representations (e.g. position represented in coordinates and as an address) of the offered information, and costs (like battery consumption) for providing the information. In order to simplify the development of context-aware applications, the developers should be able to transparently access context information without bothering with underlying context accessing techniques and distribution aspects. They should rather be able to express which kind of information they require, which quality criteria this information should fulfil, and how much the provision of this information should cost (not only monetary cost but also energy or performance usage). For this purpose, application developers as well as developers of context providers need a common language and vocabulary to specify which information they require respectively they provide. These descriptions respectively criteria have to be matched. For a matching of these descriptions, it is likely that a transformation of the provided information is needed to fulfil the criteria of the context-aware application. As it is possible that more than one provider fulfils the criteria, a selection process is required. In this process the system has to trade off the provided quality of context and required costs of the context provider against the quality of context requested by the context consumer. This selection allows to turn on context sources only if required. Explicitly selecting context services and thereby dynamically activating and deactivating the local context provider has the advantage that also the resource consumption is reduced as especially unused context sensors are deactivated. One promising solution is a middleware providing appropriate support in consideration of the principles of service-oriented computing like loose coupling, abstraction, reusability, or discoverability of context providers. This allows us to abstract context sensors, context reasoners and also external context providers as context services. In this thesis we present our solution consisting of a context model and ontology, a context offer and query language, a comprehensive matching and mediation process and a selection service. Especially the matching and mediation process and the selection service differ from the existing works. The matching and mediation process allows an autonomous establishment of mediation processes in order to transfer information from an offered representation into a requested representation. In difference to other approaches, the selection service selects not only a service for a service request, it rather selects a set of services in order to fulfil all requests which also facilitates the sharing of services. The approach is extensively reviewed regarding the different requirements and a set of demonstrators shows its usability in real-world scenarios.

Entwicklung und Anwendung einer Kraftwerks- und Speichereinsatzoptimierung für die Untersuchung von Energieversorgungsszenarien mit hohem Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland

In dieser Arbeit wurde ein gemischt-ganzzahliges lineares Einsatzoptimierungsmodell für Kraftwerke und Speicher aufgebaut und für die Untersuchung der Energieversorgung Deutschlands im Jahre 2050 gemäß den Leitstudie-Szenarien 2050 A und 2050 C ([Nitsch und Andere, 2012]) verwendet, in denen erneuerbare Energien einen Anteil von über 85 % an der Stromerzeugung haben und die Wind- und Solarenergie starke Schwankungen der durch steuerbare Kraftwerke und Speicher zu deckenden residualen Stromnachfrage (Residuallast) verursachen. In Szenario 2050 A sind 67 TWh Wasserstoff, die elektrolytisch aus erneuerbarem Strom zu erzeugen sind, für den Verkehr vorgesehen. In Szenario 2050 C ist kein Wasserstoff für den Verkehr vorgesehen und die effizientere Elektromobilität hat einen Anteil von 100% am Individualverkehr. Daher wird weniger erneuerbarer Strom zur Erreichung desselben erneuerbaren Anteils im Verkehrssektor benötigt. Da desweiteren Elektrofahrzeuge Lastmanagementpotentiale bieten, weisen die Residuallasten der Szenarien eine unterschiedliche zeitliche Charakteristik und Jahressumme auf. Der Schwerpunkt der Betrachtung lag auf der Ermittlung der Auslastung und Fahrweise des in den Szenarien unterstellten ’Kraftwerks’-parks bestehend aus Kraftwerken zur reinen Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerken, die mit Wärmespeichern, elektrischen Heizstäben und Gas-Backupkesseln ausgestattet sind, Stromspeichern und Wärmepumpen, die durch Wärmespeicher zum Lastmanagment eingesetzt werden können. Der Fahrplan dieser Komponenten wurde auf minimale variable Gesamtkosten der Strom- und Wärmeerzeugung über einen Planungshorizont von jeweils vier Tagen hin optimiert. Das Optimierungsproblem wurde mit dem linearen Branch-and-Cut-Solver der software CPLEX gelöst. Mittels sogenannter rollierender Planung wurde durch Zusammensetzen der Planungsergebnisse für überlappende Planungsperioden der Kraftwerks- und Speichereinsatz für die kompletten Szenariojahre erhalten. Es wurde gezeigt, dass der KWK-Anteil an der Wärmelastdeckung gering ist. Dies wurde begründet durch die zeitliche Struktur der Stromresiduallast, die wärmeseitige Dimensionierung der Anlagen und die Tatsache, dass nur eine kurzfristige Speicherung von Wärme vorgesehen war. Die wärmeseitige Dimensionierung der KWK stellte eine Begrenzung des Deckungsanteils dar, da im Winter bei hoher Stromresiduallast nur wenig freie Leistung zur Beladung der Speicher zur Verfügung stand. In den Berechnungen für das Szenario 2050 A und C lag der mittlere Deckungsanteil der KWK an der Wärmenachfrage von ca. 100 TWh_th bei 40 bzw. 60 %, obwohl die Auslegung der KWK einen theoretischen Anteil von über 97 % an der Wärmelastdeckung erlaubt hätte, gäbe es die Beschränkungen durch die Stromseite nicht. Desweiteren wurde die CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher und des Lastmanagements mit Wärmepumpen untersucht. In Szenario 2050 A ergab sich keine signifikante CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher, in Szenario 2050 C hingegen ergab sich eine geringe aber signifikante CO2-Einsparung in Höhe von 1,6 % der Gesamtemissionen der Stromerzeugung und KWK-gebundenen Wärmeversorgung. Das Lastmanagement mit Wärmepumpen vermied Emissionen von 110 Tausend Tonnen CO2 (0,4 % der Gesamtemissionen) in Szenario A und 213 Tausend Tonnen in Szenario C (0,8 % der Gesamtemissionen). Es wurden darüber hinaus Betrachtungen zur Konkurrenz zwischen solarthermischer Nahwärme und KWK bei Einspeisung in dieselben Wärmenetze vorgenommen. Eine weitere Einschränkung der KWK-Erzeugung durch den Einspeisevorrang der Solarthermie wurde festgestellt. Ferner wurde eine untere Grenze von 6,5 bzw. 8,8 TWh_th für die in den Szenarien mindestens benötigte Wasserstoff-Speicherkapazität ermittelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, das technisch-ökonomische Potential von Langzeitwärmespeichern für eine bessere Integration von KWK ins System zu ermitteln bzw. generell nach geeigneteren Wärmesektorszenarien zu suchen, da deutlich wurde, dass für die öffentliche Wärmeversorgung die KWK in Kombination mit Kurzzeitwärmespeicherung, Gaskesseln und elektrischen Heizern keine sehr effektive CO2 -Reduktion in den Szenarien erreicht. Es sollte dabei z.B. untersucht werden, ob ein multivalentes System aus KWK, Wärmespeichern und Wärmepumpen eine ökonomisch darstellbare Alternative sein könnte und im Anschluss eine Betrachtung der optimalen Anteile von KWK, Wärmepumpen und Solarthermie im Wärmemarkt vorgenommen werden.

Der Einfluss organischer Düngung auf die mikrobielle Biomasse und deren Residuen in unterschiedlichen Nutzungssystemen

Die Gabe von organischem Dünger beeinflusst die Menge und die Zusammensetzung der organischen Substanz im landwirtschaftlich genutzten Boden. Dies wirkt sich auch auf den Umfang der mikrobiellen Biomasse im Boden und ihrer Gemeinschaftsstruktur aus. Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Untersuchung von mineralischer und organischer Düngung auf die der mikrobiellen Gemeinschaft im Oberboden, Unterboden und unter subtropischen Bedingungen. Der Fokus der Arbeit lag zum einen in der Bestimmung der physiologischen Substratnutzungsdiversität der mikrobiellen Gemeinschaft, zum anderen in der Untersuchung der mikrobiellen Biomasse und deren Residuen nach organischer Düngung. Es konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass das Substratnutzungsmuster der mikrobiellen Gemeinschaft sich signifikant zwischen langfristiger Rottemistdüngung und mineralischer Düngung unterscheidet. Diese Trennung wurde hauptsächlich durch die erhöhte Mineralisation von Kohlenhydraten und Aminosäuren gesteuert. Auch wurden der Boden pH-Wert und der Gehalt an organischer Substanz im Boden als Hauptmechanismen für die Unterscheidung der Düngevarianten identifiziert. Wenn auch die multi-SIR Methode keine Effekte von biodynamischen Präparaten auf die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft zeigen konnte, so war eine Trennung zwischen den Düngeintensitäten bei Rottemistdüngung mit biodynamischen Präparaten und mineralischer Düngung möglich. In Bezug dazu war die multi-SIR Methode empfindlicher, als die Bestimmung der mikrobiellen Biomasse oder des organischen Kohlenstoffs im Boden. Ergänzend dazu wurde der Substratnutzungsdiversitätsindex nach langjähriger mineralischer Düngung gegenüber der Rottemistdüngung verringert. Dies könnte auf eine Verminderung der Bodenfruchtbarkeit hindeuten. Auch wurde untersucht, inwieweit die Düngung mit Rottemist die Speicherung des organischen Materials (SOC und N) im Unterboden, einem weltweit bedeutenden C-Speicher, beeinflusst. Ein steigendes C/N-Verhältnis ging einher mit einer Verringerung der mikrobiellen Residualmasse am gesamten organischen Kohlenstoff mit der Tiefe. Langfristige organische Düngung führte zu einer Erhöhung des Verhältnisses pilzlicher zu bakterieller Residuen im Oberboden und steigerte den Gehalt an bakteriellen Residuen im Unterboden gegenüber mineralischer Düngung. Da keine Steigerung des gesamten organischen Kohlenstoffs im Unterboden vorliegt, kann eine Erhöhung des mikrobiellen Umsatzes im Unterboden bei organischer Düngung vermutet werden. Daneben sank das Verhältnis der pilzlichen zu bakteriellen Residuen von 2,6 im Oberboden auf 2,1 im Unterboden. Weitere Untersuchungen sind hier noch nötig, um die Rolle von mikrobiellen Residuen im Unterboden zu zeigen. Des Weiteren wurden die Auswirkungen von mit Aktivkohle und Tanninen angereichertem Ziegenkot auf die mikrobielle Biomasse, ihre Residuen und des organischem Kohlenstoff im Boden untersucht. Die Applikation der Aktivkohle sowie der Tannine erfolgte als Futterzusatz und direkt auf dem Feld. Nach zweijähriger Versuchsdauer unter subtropischen Bedingungen stieg die mikrobielle Biomasse im Boden nach organischer Düngung am stärksten an, gefolgt von den mikrobiellen Residuen und dem organischen Kohlenstoff. Der Anteil des Ergosterols an der gesamten mikrobiellen Biomasse deutete darauf hin, dass der Boden durch einen hohen Gehalt an saprotrophischen Pilzen gekennzeichnet war. Eine Dominanz der bakteriellen Residualmasse lässt einen schnellen Abbau der pilzlichen Residuen vermuten. Auch hatte die Aktivkohle einen positiven Einfluss auf die organische Bodensubstanz und die Zugabe von Tanninen erhöhte den extrahierbaren Stickstoff im Boden. Doch gab es keine Effekte durch die unterschiedlichen Applikationsmethoden auf dem Versuchsfeld. Es wurde gezeigt, dass die organische Düngung sich positiv auf die Bodenqualität auswirkt. Nicht nur das physiologische Profil der mikrobiellen Gemeinschaft wird verändert, sondern auch die mikrobiellen Residuen im gesamten Bodenprofil (0 – 100 cm) werden durch organische Düngung im Vergleich zur mineralischen Düngung erhöht. Die Rolle der mikrobiellen Biomasse und ihrer Residuen als Anzeiger für die Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur wurde in der vorliegenden Arbeit dargestellt. Dies zeigt einmal mehr, dass diese als Indikator für Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur herangezogen werden können. Speziell in Nutzungssystemen mit einem schnellen Umsatz der organischen Substanz, wie unter ariden subtropischen Bedingungen, bildet die Bestimmung der mikrobiellen Biomasse und ihrer Residuen eine Möglichkeit, die Dynamik der mikrobiellen Biomasse und der organischen Substanz durch Düngung zu dokumentieren.

Untersuchungen zur Dynamik des Lipid-Metabolismus von Dictyostelium discoideum

Die soziale Waldamöbe Dictystelium discoideum ist ein etablierter Modellorganismus zur Erforschung grundlegender zellbiologischer Prozesse. Innerhalb der letzten Jahre konnte dabei insbesondere das Wissen zum Lipidmetabolismus umfassend erweitert werden. In diesem Zusammenhang spielt besonders eine Enzymgruppe eine wichtige Rolle: die LC/VLC-Acyl-CoA-Synthetasen. Diese übernehmen dabei die Aufgabe Fettsäuren zu aktivieren, um sie so dem Zellmetabolismus überhaupt erst zugänglich zu machen. D. discoideum verfügt über insgesamt vier dieser Enzyme: FcsA, FcsB, FcsC und das Bubblegum-Enzym Acsbg1. Während die FcsA und FcsB bereits in vorangegangenen Arbeiten untersucht wurden, werden die FcsC und die Acsbg1 in dieser Arbeit erstmals biologisch charakterisiert. Untersuchungen zur subzellulären Lokalisation der Proteine zeigen, dass die meisten LC/VLC-Acyl-CoA-Synthetase auf Endosomen und im Cytoplasma gefunden werden können (FcsA, FcsC und Acsbg1), während die FcsB als Transmembranprotein über das ER zu den Peroxisomen transportiert wird. Die Acsbg1 akkumuliert dabei zusätzlich an der Plasmamembran. Funktionell konnte gezeigt werden, dass neben der FcsA auch die Acsbg1 an der Bereitstellung von Acyl-CoA für Triacylglyceridsynthese beteiligt ist. Dabei besitzt die FcsA die Hauptenzymaktivität und kompensiert den Verlust der Acsbg1 in acsbg1- Zellen. In fcsA-/acsbg1- Zellen dagegen kommt der Verlust der Acsbg1 durch eine zusätzliche Verringerung des TAG-Gehaltes der Doppel-KOs im Vergleich zu fcsA- Zellen zum tragen. Alle vier Enzyme beeinflussen die Phagozytose. Dabei zeigen fcsA- und fcsC- Zellen eine gesteigerte Phagozytose in Gegenwart von der gesättigten Fettsäure Palmitinsäure im Kulturmedium. Auch der knockout der Acsbg1 wirkt sich positiv auf die Phagozytoserate aus, jedoch kommt auch nur dieser zum tragen, wenn neben der Acsbg1 auch die FcsA ausgeschaltet wird. Die FcsB dagegen zeigt eine dramatische Reduktion der Partikelaufnahme in nicht Fettsäure gefütterten Zellen. Durch die Zugabe einer exogenen Fettsäure kann dieser Effekt nicht kompensiert werden. Auch der zusätzliche Verlust der FcsA-Enzymaktivität verändert dieses Verhalten in Palmitinsäure inkubierten Zellen nicht. In fcsA-/fcsB- konnte zudem ein Defekt beim Abbau von Triacylglyceriden gefunden werden. Dieser Defekt liefert erste Hinweise für ein Modell, das den Abbau von LD gespeicherten Lipiden durch Autophagozytose in D. discoideum beschreibt. Peroxisomen sind wichtige Organellen für die Detoxifikation und die Oxidation von Fettsäuren. Durch das Ausschalten der Acaa1, der Thiolase, die den letzten Schritt der β-Oxidation in Peroxisomen katalysiert, zeigte sich ein verlangsamter Triacylglycerol-Abbau sowie eine verringerte Degradation des Etherlipids UKL und von Sterolestern, was auf eine Beteiligung der Peroxisomen beim Abbau von langkettigen Fettsäuren schließen lässt. Bei dem Versuch durch das Ausschalten des pex19-Gens eine Zelllinie zu generieren, die keine Peroxisomen besitzt, wurde die Organelle überraschender Weise, wenn auch mit einer vom Wildtyp abweichenden Morphologie, weiterhin vorgefunden. Dieser Befund korrelierte mit dem Resultat, dass trotzdem das pex19-Gen erfolgreich unterbrochen wurde, dennoch eine intakte Kopie des Gens nachgewiesen werden konnte. Dementsprechend sollte die erschaffene pex19- Zelllinie als knockdown und nicht als knockout gewertet werden. Der pex19 knockdown zeigte beim Abbau von Triacylglyceriden eine ähnliche Verlangsamung wie acaa1- Zellen. Zusätzlich wurde eine Verringerung der Synthese des Etherlipids UKL beobachtet, was darauf hindeutet, dass dieses Lipid im Peroxisom gebildet wird. Auch die Phagozytose und das Wachstum auf Bakterienrasen waren im pex19 knockdown dramatisch reduziert. Durch die Überexpression von Pex19-GFP im knockdown Hintergrund konnten die physiologischen Defekte in den meisten so generierten Zelllinien ausgeglichen werden. Lipid Droplets sind Organellen, die in Eukaryoten und Prokaryoten als Speicher für Neutralfette dienen und ebenfalls als Ort der Lipidsynthese fungieren. Um diese Aufgaben erfüllen zu können, besitzen sie auf ihrer Oberfläche Proteine, die für die Regulierung dieser Prozesse notwendig sind. Durch die weiterführende Analyse von Kandidatenproteinen, die durch eine proteomische Analyse von aufgereinigten LDs identifiziert wurden, konnte für vier weitere Proteine (Plsc1, Net4, Lip5 und Nsdhl) die LD-Assoziation durch GFP-Fusionsproteine bestätigt werden. Bei der Charakterisierung von plsc1 knockouts zeigte sich eine verminderte Fähigkeit beim Wachstum auf Bakterienrasen sowie eine erhöhte Phagozytoserate in Gegenwart einer exogenen Fettsäure, was auf eine Involvierung des Proteins in die Phospholipidsynthese hindeutet. Die bisher einzige identifizierte LD-assoziierte Lipase Lip5 nimmt nur eine untergeordnete Rolle bei der Hydrolyse von Triacylglycerolen und Sterolestern ein, da in KO-Mutanten nur ein milder Defekt beim Abbau beider Substanzen beobachtet werden konnte. Die LD-Lokalisation von Net4 ist evolutionär konserviert und kann nicht nur in D. discoideum beobachtet werden, sondern auch in humanen Zellen. Welche Funktion das Protein auf der LD-Oberfläche ausübt, konnte nicht geklärt werden. Allerdings kann ein direkter Einfluss auf den TAG- und Sterolaufbau ausgeschlossen werden. LDs stehen in engem Kontakt mit anderen Organellen, die in den Lipidmetabolismus involviert sind, wie mit den Mitochondrien oder dem ER. Durch Perilipin-Hybridproteine können künstliche, stabile Verbindungen zwischen LDs und diesen Organellen hergestellt werden. Dabei zeigte Perilipin ein sehr starkes Targeting-Potenzial, durch welches es notwendig war, als zweite Hybridhälfte ein Transmembranprotein zu wählen. Die Analyse eines Hybrids, das eine dauerhafte Verbindung von LDs und dem ER herstellt, wies dabeieine Reduktion der LD-Größe auf, wobei der Gesamt-TAG-Gehalt der Zellen unbeeinflusst blieb. Durch die starke Affinität von Perilipin für die Assoziation an LDs konnten durch die Generierung von Hybriden andere Proteine an die LD-Oberfläche dirigiert werden. Auf diese Weise konnte erfolgreich die LC-Acyl-CoA-Synthetase FcsA auf das LD transplantiert werden.

Efficient Characterisation and Optimal Control of Open Quantum Systems - Mathematical Foundations and Physical Applications

Since no physical system can ever be completely isolated from its environment, the study of open quantum systems is pivotal to reliably and accurately control complex quantum systems. In practice, reliability of the control field needs to be confirmed via certification of the target evolution while accuracy requires the derivation of high-fidelity control schemes in the presence of decoherence. In the first part of this thesis an algebraic framework is presented that allows to determine the minimal requirements on the unique characterisation of arbitrary unitary gates in open quantum systems, independent on the particular physical implementation of the employed quantum device. To this end, a set of theorems is devised that can be used to assess whether a given set of input states on a quantum channel is sufficient to judge whether a desired unitary gate is realised. This allows to determine the minimal input for such a task, which proves to be, quite remarkably, independent of system size. These results allow to elucidate the fundamental limits regarding certification and tomography of open quantum systems. The combination of these insights with state-of-the-art Monte Carlo process certification techniques permits a significant improvement of the scaling when certifying arbitrary unitary gates. This improvement is not only restricted to quantum information devices where the basic information carrier is the qubit but it also extends to systems where the fundamental informational entities can be of arbitary dimensionality, the so-called qudits. The second part of this thesis concerns the impact of these findings from the point of view of Optimal Control Theory (OCT). OCT for quantum systems utilises concepts from engineering such as feedback and optimisation to engineer constructive and destructive interferences in order to steer a physical process in a desired direction. It turns out that the aforementioned mathematical findings allow to deduce novel optimisation functionals that significantly reduce not only the required memory for numerical control algorithms but also the total CPU time required to obtain a certain fidelity for the optimised process. The thesis concludes by discussing two problems of fundamental interest in quantum information processing from the point of view of optimal control - the preparation of pure states and the implementation of unitary gates in open quantum systems. For both cases specific physical examples are considered: for the former the vibrational cooling of molecules via optical pumping and for the latter a superconducting phase qudit implementation. In particular, it is illustrated how features of the environment can be exploited to reach the desired targets.