Beschreibende Statistik mit Fathom

Das vorliegende Dokument ist in einem Gemeinschaftsprojekt der Universität Kassel und der Elisabeth-Knipping-Schule Kassel entstanden. Im Rahmen der fachbezogenen schulpraktischen Stu-dien für das Fach Mathematik ist eine Unterrichtsreihe zur Beschreibenden Statistik mit Softwareein-satz für die Fachoberschule Klasse 11 entwickelt und umgesetzt worden. Dieses Dokument fasst Ideen, Materialien und didaktische Kommentare der durchgeführten Unterrichtsreihe in aufbereiteter Form zusammen. Viele der konzeptionellen Ansätze und Unterrichtsideen beruhen auf Vorarbeiten der Kassel-Paderborner Arbeitsgruppe „Interaktive Stochastik mit FATHOM“ von Prof. Dr. Rolf Biehler, Fakultät EIM, Universität Paderborn (bis 28.02.2009 Universität Kassel). Der Fokus dieser Arbeit liegt darin, Schülern der Fachoberschule die Erfahrung eines komplet-ten statistischen Untersuchungsprozesses mit Softwareeinsatz zu ermöglichen. Die Werkzeugsoftware FATHOM wurde 2006 ins Deutsche adaptiert. Seit 2008 ist eine multimediale Lernumgebung für diese Software verfügbar, die durch Tobias Hofmann, Mitglied der Arbeitsgruppe, entwickelt wurde. Im Vorfeld der Unterrichtsreihe erheben die Schüler Daten durch eine Online-Umfrage, für deren Inhalte sie mit verantwortlich sind. Zu Beginn der Unterrichtsreihe erwerben die Schüler über sechs Doppelstunden hinweg grundlegende Kenntnisse in der Datenanalyse mit der Werkzeugsoftware FATHOM anhand von Beispieldatensätzen. Dabei geht der Erwerb händischer Kompetenzen in der Datenanalyse einher mit dem Erlernen der Datendarstellung und Datenauswertung mit FATHOM. In der sich anschließenden Projektphase analysieren die Schüler in Gruppenarbeit die von ihnen erhobenen Daten. Sie lernen selbstständig Fragen zu formulieren und entsprechende Hypothesen aufzustellen sowie erhobene Daten sinnvoll darzustellen und geeignet auszuwerten. Aufgrund ihrer Analyse sollten Schüler in der Lage sein, eigenständig Antworten auf ihre eingangs gestellten Fragen und Hypothesen zu formulieren. Für das Vorstellen ihrer Datenanalyse erstellen die Schüler eine Präsentation mit einer dafür geeigneten Software. Sie lernen dabei auch das Kommunizieren und Argumentieren vor der eigenen Lerngruppe. Für jede Unterrichtseinheit in dieser Unterrichtsreihe gibt es einen Steckbrief, der den Inhalt des Unterrichts und die verfügbaren Materialien in Stichworten enthält. Desweiteren wird in jede Un-terrichtseinheit durch einen Didaktischen Kommentar eingeführt, der die grundlegende didaktische Idee charakterisiert und einen möglichen Ablauf der jeweiligen Unterrichtseinheit skizziert. Alle Mate-rialien, wie Arbeitsblätter, Folien, Übungen, Lösungen, Datensätze, Präsentationen, Projekte, Tests und Klausuren, sind im Ordner Materialien verfügbar.

Untersuchung der Adsorptionskinetik photoschaltbarer azobenzolfunktionalisierter selbstorganisierter Monolagen mit optischer Frequenzverdopplung

In dieser Arbeit wurde das Adsorptionsverhalten zweier azobenzolfunktionalisierter Liganden auf Goldoberflächen untersucht. Diese Liganden zeichnen sich dadurch aus, dass sie mithilfe von Licht bestimmter Wellenlängen zwischen zwei Isomerisierungszuständen – sowohl in Lösung als auch in den auf der Oberfläche resultierenden Monolage – hin und her geschaltet werden können. Somit ist es möglich, Oberflächen herzustellen, deren physikalische und chemische Eigenschaften zwischen zwei Zuständen variiert werden können. Die Messungen des Adsorptionsverhaltens wurden mittels optischer Frequenzverdopplung durchgeführt. Diese Messmethode ist höchst grenzflächensensitiv und ermöglicht es somit die Adsorption der Liganden in situ und ich Echtzeit zu verfolgen. Neben den Adsorptionsmessungen wurde auch die Phase des frequenzverdoppelten Signals über eine Interferenzmethode gemessen. Die Ergebnisse dieser Phasenmessungen ermöglichen es, eine Aussage über eine mögliche Nichtlinearität der untersuchten Moleküle zu treffen. An die in den Adsorptionsmessungen gewonnenen Messdaten wurden drei kinetische Standardmodelle angepasst. Beschreibt eines dieser Modelle den im Experiment bestimmten Adsorptionsverlauf, kann eine Aussage über die zugrunde liegenden Prozesse des Adsorptionsvorganges getroffen werden. Die Ergebnisse der Adsorptionsmessungen zeigen einen deutlichen Einfluss des Isomerisierungszustandes der Liganden auf den Verlauf der Adsorption. Liegen die Moleküle im geschalteten Zustand vor, so verläuft die Adsorption langsamer. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass ebenso intermolekulare Wechselwirkungen über Wasserstoffbrückenbindungen einen verlangsamenden Einfluss auf die Adsorption der Liganden haben. In den durchgeführten Phasenmessungen zeigte sich darüber hinaus, dass Liganden, die über an die Azobenzolgruppe angebundene Amidgruppen verfügen, eine Nichtlinearität aufweisen. Diese Nichtlinearität ist zudem vom Isomerisierungszustand der Liganden abhängig. In den kinetischen Untersuchungen konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass sich die Adsorption der Liganden bis auf eine Ausnahme durch die Langmuirkinetik 2. Ordnung beschreiben lässt. Somit handelt es ich bei der Adsorption der untersuchten Liganden um eine Reaktion, der eine Bindungsspaltung voran geht. Dieser Befund konnte durch Vergleich mit weiteren Experimenten bestätigt werden.

Identität der Identität und Differenz von Raum und Zeit bei Schelling mit Blick auf die Relativitäts- und Quantentheorie

In genannter Schrift soll versucht werden, einen aus der Kantschen und Fichteschen Erkenntnistheorie erfolgenden allgemeinen Zusammenhang herzustellen zwischen dem kategorialen Denken hinsichtlich Denken und Anschauen und dem Problem von Raum und Zeit, wie es sich mit der Entwicklung der modernen Physik durch die Relativitäts- und Quantentheorie deutlich aufdrängt. Es wird gezeigt, dass F.W.J. Schelling grundlegende Lösungsansätze hierzu bereitstellt, welche auf dem Gebiet der Logik, der Epistomologie und Naturphilosophie in der Nachfolge von Kant, Fichte und Spinoza stattfinden, jedoch weit über seine Zeit hinausreichen. Diese Ansätze werden von Schelling selbst unter den Begriff einer „Identität der Identität und Differenz“ gesetzt. In der genannten Dissertation sollen Denkbewegungen dargestellt werden, die eine Anbindung der Schellingschen Naturphilosophie an die sich mit den genannten unterschiedlichen Theorien bzw. deren problematischer Vereinheitlichung beschäftigende Physik zu erreichen versuchen. Der formelle Aufbau der Arbeit gehorcht der inhaltlichen Struktur dieser Anbindungsbemühung, insofern unterstellt wird, dass diese rein nur aus einem dialektischen Denken (sowohl in der Erkenntnistheorie, als auch Naturphilosophie) heraus überhaupt erreicht werden kann. So werden sowohl die Tätigkeiten des Verstandes als die des Anschauens in ihrem Zusammenspiel, wie aber auch die Verstandes- und Anschauungstätigkeiten an sich selbst betrachtet, dialektisch vermittelt dargestellt, was innerhalb der formellen Deduktion der Kantschen Kategorien und der korrespondierenden Anschauungsformen selbst durchgeführt wird. Schellings Intention seines späteren Denkens, die philosophischen Probleme auf die Geschichtlichkeit, die Freiheit und den Erfahrungsbezug des Menschen zu beziehen, wird nicht als Gegenposition zu den frühen Ansätze der Logik und Transzendentalphilosophie gedeutet, sondern selbst als Endpunkt einer dialektischen Entwicklung des Schellingschen Denkens gefasst. Dies ergibt folgenden formellen Aufbau der Arbeit: Zunächst wird in einem einleitenden Abschnitt über die Aufgabe der Philosophie selbst und ihrer Darstellbarkeit im Zusammenhang mit der Hegel-Schelling-Kontroverse gearbeitet, um Schelling als adäquaten Bezugspunkt für unsere moderne Diskussion auf der methodischen und sprachlichen Ebene einzuführen. Im Hauptteil werden die wesentlichen Momente der für Schelling wichtigen Transzendentalphilosophie der Jahrhundertwende dargestellt, um diese dann an den späteren phänomenologisch-epistemologischen Ansätzen zu spiegeln. Von der theoretischen Seite kommend werden die Hauptmomente der praktischen Philosophie Schellings aufgezeigt, um dann den Menschen in einem dritten Schritt Symbol der Ununterschiedenheit von logischen und freien Tätigkeiten bzw. von Leib und Seele zu deuten. Diese Resultate bleiben zunächst einmal liegen, um in dem zweiten Hauptabschnitt auf grundlegende naturphilosophische Voraussetzungen und Resultate derjenigen Physik einzugehen, welche die prinzipiellen Verständnisschwierigkeiten der Physik des frühen 20. Jahrhundert in die heutige kosmologische und atomistische Diskussion mitbringt. Der dritte Hauptabschnitt stellt den Versuch dar, Schellings Naturphilosophie an symptomatische Anschauungen der Physik heranzuführen, um ihn als zeitgenössischen Kritiker einzuführen, wie aber auch als einen, der bestimmte moderne naturwissenschaftliche bzw. physikalische Resultate im Besonderen vorwegzunehmen vermochte. Die Einführung seiner Philosophie in aktuelle naturphilosophische Diskussion wird als unabdingbare Voraussetzung zu einem zukünftigen Verständnis des Natur, des Kosmos´ und des Menschen gefordert.

Zustandsselektive Untersuchung von Anregungs-, Ionisations- und Dissoziationsprozessen in molekularem Wasserstoff mit Fluoreszenzspektroskopie nach Anregung mit schmalbandiger Synchrotronstrahlung

Die Fluoreszenzspektroskopie ist eine der wenigen Methoden, die eine Untersuchung von Zerfallsprozessen nach einer Anregung mit schmalbandiger Synchrotronstrahlung ermöglicht, wenn die Zerfallsprodukte nicht geladen sind. In der vorliegenden Arbeit wurden in erster Linie Anregungen des molekularen Wasserstoffs untersucht, die zur Erzeugung ungeladener aber angeregter Fragmente führten. Eine Bestimmung der absoluten Querschnitte für die drei möglichen Zerfallskanäle: Ionisation, Dissoziation und molekulare Fluoreszenz nach einer Anregung des Wasserstoffmoleküls im Anregungswellenlängenbereich zwischen 72,4 nm und 80 nm stand im ersten Teil der Arbeit im Vordergrund. Die oben erwähnten Zerfallskanäle und das Transmissionsspektrum wurden simultan aufgenommen und mit Hilfe des Lambert-Beerschen-Gesetzes absolut ermittelt. Die Verwendung der erhaltenen Querschnitte ermöglichte die Bestimmung der Dominanz der einzelnen Zerfallskanäle für 3p-D Pi-, 4p-D' Pi- und 5p-D’’ Pi-Zustände in Abhängigkeit von Vibrationsniveaus. Diese Zustände koppeln über eine nicht adiabatische Kopplung mit einem 2p-C Pi-Zustand, was zur Prädissoziation führt. Des Weiteren koppeln die angeregten Zustände zu höher liegenden Rydberg-Zuständen, damit wird eine starke Variation der Ionisationswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von Vibrationsniveaus verursacht. Die Stärke der Kopplung ist dabei entscheidend welcher der drei möglichen Zerfallswege dominant zur Relaxation des angeregten Zustandes beiträgt. Alle Werte wurden mit theoretisch ermittelten Daten aus MQDT- Berechnungen [Phys. Rev. A 82 (2010), 062511] verglichen und zeigten sehr gute Übereinstimmungen. Im zweiten Teil der Arbeit ist eine neue Apparatur für winkel- und zeitauflösende Photon-Photon-Koinzidenz entwickelt worden. Die zwei Off-Axis-Parabolspiegel, die das Herzstück der Apparatur bilden, parallelisieren die im Fokus abgestrahlte Emission des doppelt angeregten Wasserstoffmoleküls und projizieren diese auf jeweils einen Detektor. Die an zwei Strahlrohren bei BESSY II durchgeführten Messungen zeigten gute Übereinstimmungen mit den schon vorher veröffentlichten Daten: Messungen [J. Chem. Phys. 88 (1988), 3016] und theoretische Berechnungen [J. Phys. B: At Mol. Opt. Phys. 38 (2005), 1093-1105] der Koinzidenzrate in Abhängigkeit von der anregenden Strahlung. Durch die Bestimmung der gemessenen Zerfallszeit einzelner Prozesse konnten einzelne doppelt angeregte Zustände identifiziert werden.

Zur Herstellung von chiralen α-Aminosäuren mit α-quartären Zentren und deren Verwendung als Synthone in der organischen Synthese

Ziel dieser Arbeit war, ausgehend von alpha-Aminoaldehyden eine kurze und effiziente Synthese zur Darstellung von Aminosäuren mit alpha-quartären Zentren in enantiomerenreiner Form und davon ableitbare wichtige Synthone in der organischen Synthese zu entwickeln. Der enantiomerenreine 2-tert-Butyl-4-methyl-1,3-oxazolidin-4-carbaldehyd ist via kupfer-katalysierter Aziridinierung des enantiomerenangereicherten 2-tert-Butyl-5-methyl-4H-1,3-dioxins mit der Nitrenquelle (N-Tosylimino)phenyliodinan zugänglich. Eine anschließende Oxidation mit Natriumhyperchlorid und Wasserstoffperoxid führt zur korrespondierenden Carbonsäure, die via sauer katalysierter Acetalspaltung und nachfolgender Abspaltung der Tosyl-Schutzgruppe in enantiomerenreines alpha-Methylserin in sehr guten Ausbeuten umgewandelt werden kann. Mit dem Einsatz von in C5-Position Ethyl-substituiertem 2-tert-Butyl-4H-1,3-dioxin ist analog das N-Tosyl geschützte alpha-Ethylserin darstellbar. Um die bestehende Lösungsmittelabhängigkeit in weniger polaren Losungsmitteln wie Dichlormethan oder Diethylether der Aziridinierung in Bezug auf ihre Diastereoselektivität und Reaktivität zu minimieren, wurden unterschiedliche Nitrenquellen untersucht. [N-(p-Methoxybenzolsulfonyl)imino]methoxyphenyliodinan stellte sich als die potenteste Nitrenquelle heraus und die Ausbeute konnte auf bis zu 70% gesteigert werden. Die Anwendbarkeit des N-Tosyl geschützten alpha-Methylserins konnte mit der Synthese des β-Lactons und 2-Carboxylethylether-2-aziridin unter Mitsunobu-Bedingungen gezeigt werden. Dabei ist die Reaktion durch einfache Variation des Lösungsmittels und der Reaktionstemperatur zu beiden Produkten in sehr guten Ausbeuten hin steuerbar. Das β-Lacton konnte anschließend erfolgreich in das N-Tosyl- und S-Acetyl- geschützte alpha-Methylcystein überführt werden.

Versuche zum Biegetragverhalten von UHPC mit kombinierter Bewehrung

Das Biegetragverhalten von ultrahochfestem Beton (UHPC) mit einer kombinierten Bewehrung aus Stabstahl und Stahlfasern wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1182 untersucht. Dieser Forschungsbericht stellt die durchgeführten experimentellen Untersuchungen dar. Das Versuchsprogramm umfasste Referenzversuche zur Ermittlung der Materialparameter, Verbundversuche an Stabstahl und Stahlfasern, zentrische Zugversuche des faserbewehrten UHPC sowie Vier-Punkt-Biegeversuche an kombiniert bewehrten UHPC-Balken. Maßgebliches Ziel war es, die Rissentwicklung und die Tragfähigkeit von UHPC-Biegebauteilen näher zu untersuchen. Dazu wurden neben den Verformungen in den Versuchen an Balken die Rissbreiten und Rissabstände dokumentiert. Der vorliegende Forschungsbericht bildet die Grundlage für die Dissertation der Autorin, in der Modelle zur Beschreibung der Rissentwicklung unter Gebrauchslasten und der Tragfähigkeit von kombiniert bewehrten UHPC-Balken entwickelt werden. Die Ergebnisse der Material- und Verbundversuche dienen als Eingangsparameter zur Nachrechnung der Versuche. Anhand der Balkenversuche werden die entwickelten Modelle validiert.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Zur Identifikation mechatronischer Stellglieder mit Reibung bei Kraftfahrzeugen

Diese Arbeit befasst sich mit der Modellbildung mechatronischer Systeme mit Reibung. Geeignete dynamische Modelle sind die Grundlage für verschiedenste Aufgabenstellungen. Sind dynamische Prozessmodelle verfügbar, so können leistungsfähige modellbasierte Entwurfsmethoden angewendet werden sowie modellbasierte Anwendungen entwickelt werden. Allerdings ist der Aufwand für die Modellbildung ein beschränkender Faktor für eine weite Verbreitung modellbasierter Applikationen in der Praxis. Eine Automatisierung des Modellbildungsprozesses ist deshalb von großem Interesse. Die vorliegende Arbeit stellt für die Klasse „mechatronischer Systeme mit Reibung“ drei Modellierungsmethoden vor: semi-physikalische Modellierung, Sliding-Mode-Beobachter-basierte Modellierung und empirische Modellierung mit einem stückweise affinen (PWA) Modellansatz. Zum Ersten wird die semi-physikalische Modellierung behandelt. Gegenüber anderen Verfahren, die häufig umfangreiche Vorkenntnisse und aufwändige Experimente erfordern, haben diese neuen Verfahren den Vorteil, dass die Modellierung von Systemen mit Reibung selbst bei begrenzten Vorkenntnissen und minimalem Experimentaufwand automatisiert werden kann. Zum Zweiten wird ein neuer Ansatz zur Reibkraftrekonstruktion und Reibmodellierung mittels Sliding-Mode-Beobachter präsentiert. Durch Verwendung des vorgestellten Sliding-Mode- Beobachters, der basierend auf einem einfachen linearen Zustandsraummodell entworfen wird, lässt sich die Reibung datengetrieben aus den Ein-/Ausgangsmessdaten (im offenen Regelkreis) rekonstruieren und modellieren. Im Vergleich zu anderen Reibmodellierungsmethoden, die häufig umfangreiche Vorkenntnisse und aufwändige Messungen im geschlossenen Regelkreis erfordern, haben diese neuen Verfahren den Vorteil, dass die Modellierung von Systemen mit Reibung selbst bei begrenzten Vorkenntnissen und minimalem Experimentaufwand weitgehend automatisiert werden kann. Zum Dritten wird ein PWA-Modellierungsansatz mit einer clusterungsbasierten Identifikationsmethode für Systeme mit Reibung vorgestellt. In dieser Methode werden die Merkmale in Hinblick auf Reibeffekte ausgewählt. Und zwar wird der klassische c-Means-Algorithmus verwendet, welcher bedienfreundlich, effizient und geeignet für große und reale Datensätze ist. Im Gegensatz zu anderen Methoden sind bei dieser Methode nur wenige Entwurfsparameter einzustellen und sie ist für reale Systeme mit Reibung einfach anwendbar. Eine weitere Neuheit der vorgestellten PWA-Methode liegt darin, dass die Kombination der Clustervaliditätsmaße und Modellprädiktionsfehler zur Festlegung der Anzahl der Teilmodelle benutzt wird. Weiterhin optimiert die vorgestellte Methode die Parameter der lokalen Teilmodelle mit der OE (Output-Fehler)-Schätzmethode. Als Anwendungsbeispiele werden Drosselklappen, Drallklappen und AGR-Ventile (Abgasrückführventil) im Dieselfahrzeug betrachtet und die erzeugten Modelle werden in der industriellen HiL-Simulation eingesetzt. Aufgrund der Effizienz und Effektivität der Modellierungsmethoden sind die vorgestellten Methoden direkt in der automobilen Praxis einsetzbar.

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.

Kooperationspotenziale 'Grüner Werkstätten' und Beschäftigungspotenziale landwirtschaftlicher Betriebe sowie des branchennahen Handwerks für Menschen mit Behinderung

In den bundesweit rund 670 anerkannten Werkstätten für behinderte Menschen (WfbM) arbeiten aktuell über 290 000 Menschen mit Behinderung. Rund ein Viertel dieser Einrichtungen bieten auch landwirtschaftliche oder gartenbauliche Arbeitsplätze (`Grüne WfbM´). Die UN-Behindertenrechtskonvention fordert u. a. eine inklusive Teilhabe der Menschen mit Behinderung am Arbeitsleben in Form von Zugangsmöglichkeiten zu sozialversicherungspflichtiger Beschäftigung auf dem allgemeinen Arbeitsmarkt. Gleichzeitig können arbeitswirtschaftlich immer mehr landwirtschaftliche Betriebe aufgrund wachsender Betriebsgrößen nicht mehr allein durch die Unternehmerfamilie geführt werden. Neben der Zuhilfenahme von Dienstleistungsanbietern ist die Suche nach Fremdarbeitskräften zwangsläufig. Neben dem Bedarf an qualifiziertem Fachpersonal werden auch Arbeitskräfte für einfachere, tägliche Routinearbeiten gesucht. Die vorliegende Arbeit begleitet wissenschaftlich ein vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz gefördertes bundesweites Modellvorhaben zur Vernetzung `Grüner WfbM´ mit landwirtschaftlichen Betrieben. Forschungsleitende Fragestellungen sind die betrieblichen Interessen und Voraussetzungen aus Sicht der landwirtschaftlichen Betriebe für die Beschäftigung von Menschen mit Behinderung sowie für bilaterale Kooperationen mit diesen Einrichtungen. Anhand von 44 Betriebsinterviews und unter Anwendung einer qualitativen, rechnerbasierten Fallstudienanalyse zeigen die Ergebnisse eine Vielzahl von Möglichkeiten wirtschaftlich tragfähiger Beschäftigung behinderter Menschen auch in Kernproduktionsprozessen. Unabdingbar dafür sind angepasste Sozialtugenden und ausreichende Arbeitsmotivation auf Arbeitnehmerseite sowie eine offen-innovative und sozial geprägte Grundeinstellung auf Betriebsleitungsseite. Betriebe wünschen sich dauerhafte und verlässliche Arbeitsverhältnisse. Praktika oder gar Experimente kommen für sie eher nicht in Frage. Weniger als 10% aller `Grünen WfbM´ kooperieren bilateral mit umliegenden Betrieben. Dort wo keine Kontakte bestehen, sind Vorbehalte seitens der Landwirte hinsichtlich Wettbewerbsverzerrungen durch vermeintliche Sozialsubventionierung bzw. im Wettbewerb um Ressourcen (z.B. Land) gegenüber den Einrichtungen anzutreffen. Kooperationen fördern gegenseitiges Verständnis und sind so auch idealer `Türöffner´ für Beschäftigungsverhältnisse.

Fluoreszenzspektroskopische Untersuchung von quantenmechanischen Interferenzeffekten am Xenon-Atom und an zweiatomigen Molekülen nach monochromatischer Anregung mit Synchrotronstrahlung

Mit der Methode der photoneninduzierten Fluoreszenzspektroskopie (PIFS) wurden spektro- und polarimetrische Fluoreszenzspektren des Xenon-Atoms und der NO- und CO-Moleküle untersucht. Im Bereich der Atomphysik konnten für das Xenon-Atom eindeutige Fluoreszenzkaskadeneffekte vom sichtbaren (VIS) in den vakuumultravioleten (VUV) Spektralbereich beobachtet werden. Das untersuchte Energieintervall zeichnete sich durch 15 gefundene Resonanzen entlang der Anregungsenergieachse der Synchrotronphotonen aus, die auf doppeltangeregte nln′l′-Resonanzen zurückgeführt werden konnten. Im Bereich der Molekülphysik wurden Messdaten der NO A 1Π → X 1Σ+- und CO A 2Π → X 2Σ+-Fluoreszenz nach der Anregung der 1s−1 → 2π-Resonanz untersucht. Durch polarimetrische Untersuchungen konnten in beiden Fällen die Winkelanisotropieparameter β(ω) der Fluoreszenz ermittelt werden und mit ab initio Berechnungen mit unterschiedlichen theoretischen Näherungen vergleichen werden. Der Einfluss quantenmechanischer Interferenzeffekte (LVI und ESI) auf die Winkelanisotropieparameter wurde aufgezeigt. Im Falle des NO- und des CO-Moleküls konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Theorie und dem Experiment nachgewiesen werden. Durch Pioniermessungen an Diamantoiden konnte erstmalig dispergierte Lumineszenz der kleinsten Vertreter der Nanodiamanten nachgewiesen werden. Diese Messungen legen eine Grundlage für eine systematische Erforschung der Nanokristalle zugrunde.

Entwicklung eines Verfahrens zum Schneiden und Schälen von Obst mit Hochdruckwasserstrahlen

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt und untersucht, mit welchem Früchte annähernd verlustfrei und unter sehr hygienischen Bedingungen geschnitten werden können. Die Produkte – hier gezeigt am Beispiel von Äpfeln und Melonen – werden mit einem Hochdruckwasserstrahl geschnitten, der durch ein bildverarbeitendes System entsprechend der Anatomie der Frucht geführt werden kann. Die Vorteile dieses Verfahrens sind die individuelle Schnittführung, die Materialverluste minimiert und die Tatsache, dass die Frucht ohne wesentlichen Eingriff von Personal bearbeitet wird. Die Literaturauswertung ergab, dass diese Technologie bislang noch nicht bearbeitet wurde. Der Einsatz des Hochdruckwasserstrahlschneidens im Bereich der Agrartechnik beschränkte sich auf das Schneiden von Zuckerrüben Brüser [2008], Ligocki [2005] bzw. Kartoffeln Becker u. Gray [1992], das Zerteilen von Fleisch Bansal u. Walker [1999] und Fisch Lobash u. a. [1990] sowie die Nutzung von Wasserstrahlen im Zusammenhang mit der Injektion von Flüssigdünger in Ackerböden Niemoeller u. a. [2011]. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Einsatzmöglichkeiten des Wasserstrahlschneidens zu erfassen und zu bewerten. Dazu wurden in einer Vielzahl von Einzelversuchen die Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern wie Wasserdruck, Düsendurchmesser, Vorschubgeschwindigkeit und Düsenabstand auf das Schnittergebnis, also die Rauheit der entstehenden Schnittfläche untersucht. Ein Vergleich mit konventionellen Schneidemethoden erfolgte hinsichtlich der Schnittergebnisse und der Auswirkungen des Wasserstrahlschneidens auf nachfolgende Verfahrensschritte, wie dem Trocknen.

Programmierung graphischer Benutzerschnittstellen mit Tcl/Tk. - 4. Aufl.

Das hier frei verfügbare Skript und die Sammlung an Klausuren mit Musterlösungen aus den Jahren 2005 bis 2015 geht auf die gleichnamige Vorlesung im Masterstudium Informatik an der Universität Kassel zurück. Kenntnisse in der Programmierung graphischer Oberflächen sind offensichtlich sehr nützlich, da es kaum noch Anwendungen gibt, die auf eine ansprechend gestaltete Benutzeroberfläche verzichten können. Andererseits ist die Programmierung auch heute noch sehr aufwendig. Als Ausweg empfiehlt sich die Beschäftigung mit Ousterhouts Tcl/Tk, das einerseits eine leicht lernbare und universell einsetzbare Skriptsprache (Tcl) bietet, andererseits mit Tk über einen überschaubaren und auf fast allen Betriebssystemen einsetzbaren Werkzeugkasten für die Konstruktion graphischer Oberflächen verfügt. Grundlage des Skripts ist das ausgezeichnete Buch von Harrison und McLennan „Effective Tcl/Tk Programming - Writing Better Programs with Tcl and Tk“ aus dem Jahr 1998, das inzwischen auch in einer deutschen Übersetzung vorliegt.