Multi-Scale Governance of Sustainable Natural Resource Use���Challenges and Opportunities for Monitoring and Institutional Development at the National and Global Level

In a globalized economy, the use of natural resources is determined by the demand of modern production and consumption systems, and by infrastructure development. Sustainable natural resource use will require good governance and management based on sound scientific information, data and indicators. There is a rich literature on natural resource management, yet the national and global scale and macro-economic policy making has been underrepresented. We provide an overview of the scholarly literature on multi-scale governance of natural resources, focusing on the information required by relevant actors from local to global scale. Global natural resource use is largely determined by national, regional, and local policies. We observe that in recent decades, the development of public policies of natural resource use has been fostered by an ���inspiration cycle��� between the research, policy and statistics community, fostering social learning. Effective natural resource policies require adequate monitoring tools, in particular indicators for the use of materials, energy, land, and water as well as waste and GHG emissions of national economies. We summarize the state-of-the-art of the application of accounting methods and data sources for national material flow accounts and indicators, including territorial and product-life-cycle based approaches. We show how accounts on natural resource use can inform the Sustainable Development Goals (SDGs) and argue that information on natural resource use, and in particular footprint indicators, will be indispensable for a consistent implementation of the SDGs. We recognize that improving the knowledge base for global natural resource use will require further institutional development including at national and international levels, for which we outline options.

Mikrostrukturierte Sensoren f��r die pH-Wert-Bestimung auf Basis von d��nnen, intrinisch leitf��higen Polyanilinschichten

Der pH-Wert stellt in der Chemie, Physik, Biologie, Pharmazie und Medizin eine wichtige Me��gr����e dar, da eine Vielzahl von Reaktionen durch den pH-Wert bestimmt wird. In der Regel werden zur pH-Wert-Messung Glaselektroden eingesetzt. Hierbei konnte der pH-sensitive Bereich zwar bis auf einige Mikrometer reduziert werden, aber die Gesamtab-messungen betragen immer noch 15-20 cm. Mit der Einf��hrung miniaturisierter Reaktionsgef����e ist daher der Bedarf an miniaturisierten Sensoren enorm gestiegen. Um in solchen Gef����en Reaktionsparameter wie z. B. den pH-Wert zu kontrollieren, m��ssen die Gesamtabmessungen der Sensoren verringert werden. Dies l��sst sich mit Hilfe der Mikrostrukturtechnik von Silizium realisieren. Hiermit lassen sich Strukturen und ganze Systeme bis in den Nanometerbereich herstellen. Basierend auf Silizium und Gold als Elektrodenmaterial wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Interdigitalstrukturen hergestellt. Um diese Strukturen zur pH-Wert-Messungen einsetzen zu k��nnen, m��ssen sie mit einer pH-sensitiven Schicht versehen werden. Hierbei wurde Polyanilin, ein intrinsisch leitendes Polymer, aufgrund seine pH-abh��ngigen elektrischen und optischen Verhaltens eingesetzt. Die Beschichtung dieser Sensoren mit Polyanilin erfolgte vorwiegend elektrochemisch mit Hilfe der Zyklovoltammetrie. Neben der Herstellung reiner Polyanilinfilme wurden auch Kopolymerisationen von Anilin und seinen entsprechenden Aminobenzoes��ure- bzw. Aminobenzensulfons��urederivaten durchgef��hrt. Ergebnisse dazu werden vorgestellt und diskutiert. Zur Charakterisierung der resultierenden Polyanilin- und Kopolymerfilme auf den Inter-digitalstrukturen wurden mit Hilfe der ATR-FT-IR-Spektroskopie Spektren aufgenommen, die gezeigt und diskutiert werden. Eine elektrochemische Charakterisierung der Polymere erfolgte mittels der Zyklovoltammetrie. Die mit Polyanilin bzw. seinen Kopolymeren beschichteten Sensoren wurden dann f��r Widerstandsmessungen an den Polymerfilmen in w��ssrigen Medien eingesetzt. Polyanilin zeigt lediglich eine pH-Sensitivit��t in einem pH-Bereich von pH 2 bis pH 4. Durch den Einsatz der Kopolymere konnte dieser pH-sensitive Bereich jedoch bis zu einem pH-Wert von 10 ausgeweitet werden. Zur weiteren Miniaturisierung der Sensoren wurde das Konzept der interdigitalen Elektroden-paare auf Cantilever ��bertragen. Die pH-sensitive Zone konnte dabei auf 500 ��m2 bei einer Gesamtl��nge des Sensors (Halter mit integriertem Cantilever) von 4 mm reduziert werden. Neben den elektrischen pH-abh��ngigen Eigenschaften k��nnen auch die optischen Eigen-schaften des Polyanilins zur pH-Detektion herangezogen werden. Diese wurden zun��chst mit Hilfe der UV-VIS-Spektroskopie untersucht. Die erhaltenen Spektren werden gezeigt und kurz diskutiert. Mit Hilfe eines Raster-Sonden-Mikroskops (a-SNOM, Firma WITec) wurden Reflexionsmessungen an Polyanilinschichten durchgef��hrt. Zur weiteren Miniaturisierung wurden Siliziumdioxidhohlpyramiden (Basisfl��che 400 ��m2) mit Spitzen��ffnungen in einem Bereich von 50-150 nm mit Polyanilin beschichtet. Auch hier sollten die optischen Eigenschaften des Polyanilins zur pH-Wert-Sensorik ausgenutzt werden. Es werden erste Messungen an diesen Strukturen in Transmission diskutiert.

Lithography-free micro- and nanostructuring based on conventional plasma etching

In now-a-days semiconductor and MEMS technologies the photolithography is the working horse for fabrication of functional devices. The conventional way (so called Top-Down approach) of microstructuring starts with photolithography, followed by patterning the structures using etching, especially dry etching. The requirements for smaller and hence faster devices lead to decrease of the feature size to the range of several nanometers. However, the production of devices in this scale range needs photolithography equipment, which must overcome the diffraction limit. Therefore, new photolithography techniques have been recently developed, but they are rather expensive and restricted to plane surfaces. Recently a new route has been presented - so-called Bottom-Up approach - where from a single atom or a molecule it is possible to obtain functional devices. This creates new field - Nanotechnology - where one speaks about structures with dimensions 1 - 100 nm, and which has the possibility to replace the conventional photolithography concerning its integral part - the self-assembly. However, this technique requires additional and special equipment and therefore is not yet widely applicable. This work presents a general scheme for the fabrication of silicon and silicon dioxide structures with lateral dimensions of less than 100 nm that avoids high-resolution photolithography processes. For the self-aligned formation of extremely small openings in silicon dioxide layers at in depth sharpened surface structures, the angle dependent etching rate distribution of silicon dioxide against plasma etching with a fluorocarbon gas (CHF3) was exploited. Subsequent anisotropic plasma etching of the silicon substrate material through the perforated silicon dioxide masking layer results in high aspect ratio trenches of approximately the same lateral dimensions. The latter can be reduced and precisely adjusted between 0 and 200 nm by thermal oxidation of the silicon structures owing to the volume expansion of silicon during the oxidation. On the basis of this a technology for the fabrication of SNOM calibration standards is presented. Additionally so-formed trenches were used as a template for CVD deposition of diamond resulting in high aspect ratio diamond knife. A lithography-free method for production of periodic and nonperiodic surface structures using the angular dependence of the etching rate is also presented. It combines the self-assembly of masking particles with the conventional plasma etching techniques known from microelectromechanical system technology. The method is generally applicable to bulk as well as layered materials. In this work, layers of glass spheres of different diameters were assembled on the sample surface forming a mask against plasma etching. Silicon surface structures with periodicity of 500 nm and feature dimensions of 20 nm were produced in this way. Thermal oxidation of the so structured silicon substrate offers the capability to vary the fill factor of the periodic structure owing to the volume expansion during oxidation but also to define silicon dioxide surface structures by selective plasma etching. Similar structures can be simply obtained by structuring silicon dioxide layers on silicon. The method offers a simple route for bridging the Nano- and Microtechnology and moreover, an uncomplicated way for photonic crystal fabrication.

Zur Reaktionskinetik der Oxidation von Kohlenstoffmaterialien aus Biomasse

Zur Modellierung von Vergasungs- und Verbrennungsprozessen zur energetischen Nutzung von Biomasse ist die Kenntnis von reaktionskinetischen Daten f��r die Sauerstoff-Oxidation von Biomassepyrolysaten erforderlich. Eine ausf��hrliche Literatur��bersicht zeigt den Stand der Forschung bez��glich der experimentellen Ermittlung von reaktionskinetischen Parametern f��r die Oxidation von Pyrolysaten aus Lignin, Cellulose und pflanzlicher Biomasse sowie der Suche nach einem plausiblen Reaktionsmechanismus f��r die Reaktion von Sauerstoff mit festen Kohlenstoffmaterialien. Es wird eine Versuchsanlage mit einem quasistation��r betriebenen Differentialreaktor konstruiert, die eine Messung der Reaktionskinetik und der reaktiven inneren Oberfl��che (RSA) f��r die Reaktion eines Pyrolysats aus Maispflanzen mit Sauerstoff erm��glicht. Die getrockneten und zerkleinerten Maispflanzen werden 7 Minuten lang bei 1073 K in einem Drehrohrofen pyrolysiert. Das Pyrolysat zeichnet sich vor allem durch seine hohe Porosit��t von ��ber 0,9 und seinen hohen Aschegehalt von 0,24 aus. Die RSA wird nach der Methode der Messung von ��bergangskinetiken (TK) bestimmt. Die Bestimmung der RSA erfolgt f��r die Reaktionsprodukte CO und CO2 getrennt, f��r die entsprechend ermittelten Werte werden die Bezeichnungen CO-RSA und CO2-RSA eingef��hrt. Die Abh��ngigkeit dieser Gr����en von der Sauerstoffkonzentration l����t sich durch eine Langmuir-Isotherme beschreiben, ebenso das leichte Absinken der CO-RSA mit der Kohlendioxidkonzentration. ��ber dem Abbrand zeigen sich unterschiedliche Verl��ufe f��r die CO-RSA, CO2-RSA und die innere Oberfl��che nach der BET-Methode. Zur Charakterisierung der Oberfl��chenzwischenprodukte werden temperaturprogrammierte Desorptionsversuche (TPD) durchgef��hrt. Die Ergebnisse zeigen, da�� eine Unterscheidung in zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Oberfl��chenkomplexe ausreichend ist. Die experimentellen Untersuchungen zum Oxidationsverlauf werden im kinetisch bestimmten Bereich durchgef��hrt. Dabei werden die Parameter Temperatur, Sauerstoff-, CO- und CO2-Konzentration variiert. Anhand der Ergebnisse der reaktionskinetischen Untersuchungen wird ein Reaktionsmechanismus f��r die Kohlenstoff-Sauerstoff-Reaktion entwickelt. Dieser Reaktionsmechanismus umfa��t 7 Elementarreaktionen, f��r welche die reaktionskinetischen Parameter numerisch ermittelt werden. Dar��ber hinaus werden reaktionskinetische Parameter f��r einfachere massenbezogene Reaktionsgeschwindigkeitsans��tze berechnet und summarische Reaktionsgeschwindigkeitsans��tze f��r die Bildung von CO und CO2 aus dem Reaktionsmechanismus hergeleitet.

Sustainability of Small Scale Farming in a Mountain Region: Case Study of the Khaling Rai Population of the Solukhumbu, Nepal

The Khaling Rai live in a remote area of the mountain region of Nepal. Subsistence farming is central to their livelihood strategy, the sustainability of which was examined in this study. The sustainable livelihood approach was identified as a suitable theoretical framework to analyse the assets of the Khaling Rai. A baseline study was conducted using indicators to assess the outcome of the livelihood strategies under the three pillars of sustainability – economic, social and environmental. Relationships between key factors were analysed. The outcome showed that farming fulfils their basic need of food security, with self-sufficiency in terms of seeds, organic fertilisers and tools. Agriculture is almost totally non-monitized: crops are grown mainly for household consumption. However, the crux faced by the Khaling Rai community is the need to develop high value cash crops in order to improve their livelihoods while at the same time maintaining food security. Institutional support in this regard was found to be lacking. At the same time there is declining soil fertility and an expanding population, which results in smaller land holdings. The capacity to absorb risk is inhibited by the small size of the resource base and access only to small local markets. A two-pronged approach is recommended. Firstly, the formation of agricultural cooperative associations in the area. Secondly, through them the selection of key personnel to be put forward for training in the adoption of improved low-cost technologies for staple crops and in the introduction of appropriate new cash crops.