Das Projekt "Forschergruppe (FOR) 1598: From Catchments as Organised Systems to Models based on Dynamic Functional Units (CAOS)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Bereich Hydrologie durchgeführt. Within phase 2 of the CAOS research unit we will work towards a holistic framework to explore how spatial organization alongside with spatial heterogeneity controls terrestrial water and energy cycles in intermediate scale catchments. 'Holistic' means for us to link the 'how' to the 'why' by drawing from generic understanding of landscape formation and biotic controls on processes and structures as well as to rely on exemplary experimental learning in a hypothesis and theory based manner. This also implies treatment of soil, vegetation and atmosphere as coupled system rather than a linear combination of different compartments. To jointly work towards this goal we propose 7 projects which will closely cooperate within two overarching work packages:WP1: Linking hydrological similarity with landscape structure across scalesWP2: Searching for appropriate catchment models and organizing principles. Within WP1 we will further refine the existing stratified multi-method and multi-sensor setup to search for functional entities in the Attert and, if they exist, to learn in an exemplary manner which structural features control functional characteristics. This essentially includes identification of suitable metrics to discriminate functional and structural similarity from data as well as identification of useful quantitative descriptors for the rather fuzzy term 'hydrological function'. Overall we aim to synthesize a protocol to decide 'where to assess which data for what reasons' for characterizing hydrological functioning across a scale range of four orders of magnitude.Within WP2 we will foster our distillery of parsimonious and nevertheless physically consistent model structures which rely on observable quantities and make use of symmetries in the landscape to simplify the governing model equations in a hypothesis based manner. To this end we will compare concurring model structures (among those the CAOS model) and work towards a framework for an objective model inter comparison with special emphasis on a) the added value of different data/information sources and b) on consistency of predictions with respect to distributed dynamics and integral flows. Additionally, we aim in WP2 at linking the 'how' to the 'why' by synthesizing testable hypotheses that could explain whether spatial organization has evolved in accordance with candidate organizing principles. Ecology, fluvial geomorphology and thermodynamics offer a large set of candidate organizing principles for this issue. Based on our recent work we will focus especially on thermodynamic limits and optimality principles like maximum entropy production, explore their value for uncalibrated hydrological predictions and work out the necessary requirements on data and models for testing these principles. We put special emphasis on a possible experimental falsification of these candidate principles; also in close collaboration with the B2-Landscape Evolution Observatory in Tucson, Arizona.
Das Projekt "Lightweight High Entropy Alloys: Entwicklung von Hochentropielegierungen mit geringer spezifischer Dichte für den Leichtbau" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fehrmann Materials GmbH & Co. KG durchgeführt. Das Thema des LHEA-Verbundprojektes ist die Entwicklung der Leichtbau-Hochentropielegierung aus ausgewählten Legierungselementen in bestimmten Verhältnissen, welche als Material für die Herstellung von Gussteilen und für die additive Fertigung einer bionischen Struktur mittels Selective Laser Melting (SLM) genutzt werden soll. Hochentropielegierungen bieten i.a. aufgrund ihres Aufbaus den Vorteil hoher Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig hoher Duktilität. In Kombination mit einer geringen Dichte (kleiner als 5 g·cm-3), soll ein Werkstoff entwickelt werden, welcher einen Technologiesprung überall dort erlaubt, wo Leichtbau wichtig ist und CO2-Emissionen weiter reduziert werden, z.B. im Fahrzeugbau.
Das Projekt "Teilvorhaben: Untersuchung der Herstellung eines LHEA für die Produktion von Sandguss-Fertigteilen und von Masseln als Vormaterial für die Pulver-Inertgasverdüsung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fehrmann Materials GmbH & Co. KG durchgeführt. Das Thema des LHEA-Verbundprojektes ist die Entwicklung der Leichtbau-Hochentropielegierung aus ausgewählten Legierungselementen in bestimmten Verhältnissen, welche als Material für die Herstellung von Gussteilen und für die additive Fertigung einer bionischen Struktur mittels Selective Laser Melting (SLM) genutzt werden soll. Hochentropielegierungen bieten i.a. aufgrund ihres Aufbaus den Vorteil hoher Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig hoher Duktilität. In Kombination mit einer geringen Dichte (kleiner als 5 g·cm-3), soll ein Werkstoff entwickelt werden, welcher einen Technologiesprung überall dort erlaubt, wo Leichtbau wichtig ist und CO2-Emissionen weiter reduziert werden, z.B. im Fahrzeugbau.
Das Projekt "Teilvorhaben: Optimierung der Eigenschaften von LHEA im Guss- und SLM-Zustand und Entwicklung von Wärmebehandlungsrouten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum hereon GmbH durchgeführt. Die Hereon-Abteilung Laser-Materialbearbeitung und Strukturbewertung (WMF) wird in das LHEA-Verbundprojekt ihre Expertise auf dem Gebiet der Werkstoffmechanik und Lasermaterialbearbeitung (LBW, LMD, LSP) einbringen und dabei belastbare Werkstoffdaten zu Al35Mg35Cu(X)Sn(25-X)Pb5 im Guss- und SLM-Zustand bezüglich mechanischer und mikrostruktureller Eigenschaften für die Zertifizierung und Zulassung liefern. Die in diesem Teilvorhaben erzielten Daten dienen auch dazu, Variationen der Prozessparameter und -bedingungen vorzugeben (Rückkopplung). Die spezifischen Arbeitsziele sind: -Definition der Bedingungen für mechanische Untersuchungen (Probengeometrie, Zug- und Dauerschwingversuch); -Ermittlung von Dehngrenze Rp0.2, Zugfestigkeit Rm und Bruchdehung A von Al35Mg35Cu(X)Sn(25-X)Pb5 im Guss- und SLM-Zustand; -Ermittlung der Zeitstand- und Dauerfestigkeit (Wöhler-Versuch); -Formulierung von Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen: Gefüge (Korngröße, Kornmorphologie, Kristallorientierungen), Konstitution (chemische Zusammensetzung, Phasen), Mikrotextur; -Bewertung der mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften und daraus Rückkopplung auf die Prozesskette aus Sandgießen, Pulververdüsung und Selective Laser Melting mit dem Ziel der Eigenschaftsoptimierung durch Wärmebehandlung und/oder Modifikation der chemischen Zusammensetzung. Die Arbeiten schließen die morphologische und analytische Charakterisierung von Al35Mg35Cu(X)Sn(25-X)Pb5 im Pulverzustand ein, wobei Partikelform und -morphologie sowie Gehalte an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff mit den in der Hereon-Abteilung Laser- Materialbearbeitung und Strukturbewertung (WMF) verfügbaren Methoden erfasst werden können. Prozesstechnogien (Gießen, Verdüsen, SLM) sowie Werkstoffmechanik und -technik lassen sich nicht getrennt voneinander betrachten, worin der Grund dafür zu sehen ist, dass dieses Teilvorhaben in mehreren Arbeitspaketen vertreten ist.
Das Projekt "Teilvorhaben: Prozessentwicklung von Hochentropielegierungen für die additive Fertigung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien durchgeführt. Ziel des Projektes ist es, in einem Zeitraum von 3 Jahren prozesstechnische Bedingungen zu identifizieren und zu entwickeln, unter denen die Leichtbau-Hochentropielegierung Al35Mg35Cu(X)Sn(25-X)Pb5 (5 At.% < X < 20 At.%) sowohl gießtechnisch verarbeitet als auch als gegossenes Vormaterial für die nachgeschalteten Prozesse der Pulververdüsung und des Selective Laser Melting hergestellt werden kann. Das Fraunhofer IAPT soll hierbei die Prozessentwicklung für die additive Fertigung übernehmen und physikalische und mechanische Zielwerte erreichen. Konkret soll eine Streckgrenze von mindestens 400 MPa, eine Zugfestigkeit von mindestens 500 MPa und eine Bruchdehung von mindestens 10% erreicht werden. Zudem soll die spezifische Bauteildichte größer als 95% sein. Im Projekt soll ein topologieoptimierter Demonstrator designed und gefertigt werden und die Legierung soll eine hohe Korrosionsbeständigkeit (vergleichbar mit AlSi-Gusslegierung) aufweisen.
Das Projekt "MEO-TBCs - Multikomponentige äquiatomare Oxide als Hochleistungsmaterialien für zukünftige Wärmedämmschichten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DECHEMA Forschungsinstitut Stiftung bürgerlichen Rechts durchgeführt. Flugzeuge werden auch in der mittelfristigen Zukunft mit Turbinen angetrieben werden, da alternative Antriebstechnologien noch weit entfernt von der Marktreife sind. Zwar können durch den Einsatz von synthetischen Kraftstoffen (sog. SynFuels) die Ressourcen geschont und eine CO2 neutrale Bilanz geschaffen werden, jedoch wird der weltweite Flugverkehr durch die wachsende Bevölkerung sowie den weltweiten Handel weiter ansteigen. Durch die Steigerung der Effizienz der Triebwerke kann das größte Einsparpotenzial im Treibstoffverbrauch und damit dem CO2 Ausstoß erreicht werden. Dies kann primär durch die Steigerung des Wirkungsgrades realisiert werden, was eine erhöhte Prozesstemperatur mit sich bringt. Dies ist jedoch nur mit Hilfe neuer Werkstoffe möglich. Bisher schützt eine keramische Wärmedämmschicht (WDS) aus Yttriumoxid-teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) die darunterliegenden metallischen Bauteile in den heißesten Zonen der Gasturbine. Allerdings weist YSZ oberhalb von 1200 Grad Celsius nur eine begrenzte Temperaturbeständigkeit im Langzeiteinsatz auf. Eine neue vielversprechende Materialklasse für den Einsatz als WDS bei Temperaturen größer als 1200 Grad Celsius sind multikomponentige äquiatomare Oxide (multicomponent equiatomic oxides, MEOs), die aus mindestens 4 - 5 verschiedenen Kationen in äquiatomarer Konzentration bestehen und einphasig in einer einfachen Kristallstruktur vorliegen. Diese Materialklasse wird erst seit 2015 in der Literatur erwähnt und verspricht, ähnlich wie bei den metallischen multikomponentigen äquiatomaren Legierungen (oder auch Hoch-Entropie Legierungen), erfolgsversprechende Eigenschaften, vor allem hinsichtlich einer geringen Wärmeleitfähigkeit, guter mechanischer Eigenschaften und Hochtemperaturstabilität. Im Rahmen dieses Projektes soll das Potential dieser neuen Materialklasse hinsichtlich der Anwendung als Hochleistungsmaterialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit für zukünftige Wärmedämmschichten untersucht werden.
Das Projekt "Entwicklung eines allgemeinen und metageographisch besonderen Theorie- und Begriffssystems der Metageographie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Arbeitsgemeinschaft Umweltschutz durchgeführt. An einer systemanalytisch-biokybernetischen Theorie als Ausgangskonzeption soll - um biokybernetische Begriffskonzeptionen der (Multi-) Stabilitaet, Entropie, Energiefluss, Grunderscheinungsformen der Stabilitaet durch Diversitaet und Multifunktionalitaet usw. zu untersuchen - ein allgemeines und metageographisch, biologisch und sonstig besonderes Theorie- und Begriffssystem der Humanoekologie entwickelt werden.
Das Projekt "Erhaltungssätze und Ensemble Kalman Filter Algorithmen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ludwig-Maximilians-Universität München, Meteorologisches Institut durchgeführt. Die Einbeziehung von physikalischen Erhaltungsgesetzen ist bereits seit längerem als wichtiger Punkt bei der Entwicklung von numerischen Wettervorhersagemodellen bekannt. In Datenassimilation im weiteren Sinne ist die Berücksichtigung von Erhaltungsgesetzen und die Analyse deren Bedeutung erst seit kurzem ein zentraler Gegenstand der Forschung. Numerische Atmosphärenmodelle sind heute in der Lage, kleinräumige und deshalb hochgradig nichtlineare Dynamik und Physik aufzulösen. Vorhersagen hängen dabei sehr sensible von den Anfangs- und Randbedingungen ab. Die Datenassimilation für Modelle, die viele Skalen darstellen und in die sowohl zeitlich als auch räumlich hochaufgelöste Beobachtungen eingehen verlangt nach einer Überprüfung und der Weiterentwicklung der zur Zeit in numerischen Wettervorhersagemodelle genutzten, auf weniger nicht lineare Anwendungen ausgelegte Methoden. Das primäre Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von Ensemble-basierten Datenassimilations-Algorithmen welche Eigenschaften von nichtlinearen dynamischen Systemen, zum Beispiel die Erhaltung von Masse, Drehimpuls, Energie und Enstrophie berücksichtigen. Insbesondere werden die folgenden zwei Problemstellungen bearbeitet. Gemeinsam mit Kollegen haben wir kürzlich zeigen können, dass Erhaltung von Masse und Positivität wichtige Nebenbedingungen für Datenassimilations-Algorithmen sind. Beide Bedingungen sind in einem neuen Algorithmus, dem quadratic programming ensemble Kalman filter, umgesetzt worden. Tests an linearer Dynamik wurden ebenfalls bereits durchgeführt. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes soll dieser Algorithmus in einer idealisierten Konfiguration für die Assimilation von Radarreflektivität mit dem nichthydrostatischen, konvektionsauflösenden COSMO-DE-Modell erweitert, implementiert und evaluiert werden. Zweitens, wird untersucht wie sich Datenassimilations-Algorithmen wie der Ensemble Kalman Filter und der quadratic programming ensemble Kalman filter auf die zu erhaltenden Größen im Fall von Experimenten mit einem idealisierten, nichtlinearen zweidimensionalen Flachwassermodell auswirken, sowie ob und wie diese Ensemble-basierten Algorithmen modifiziert werden können um Lösungen mit den vorgeschriebenen Eigenschaften zu erhalten. Es ist zu erwarten, dass Erhalt von Masse und Entropie die nicht lineare Energie Kaskade im System verbessert. Der mögliche Einfluss auf die Exaktheit von Vorhersagen wird auch untersucht.
Das Projekt "Evolutionaere Algorithmensteuerung und Optimierung dynamischer und thermodynamischer Prozesse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Berlin (Humboldt-Univ.), Institut für Physik, Lehrstuhl für Statistische Physik und Nichtlineare Dynamik durchgeführt. Erarbeitung neuer Strategien zur Optimierung komplexer Systeme;Entropie;Information und Komplexitaetsmasse, Analyse komplexer Zeitserien mit Anwendungen auf biologische, oekologische und meteorologische Systeme, Anwendung von Methoden der optimalen Steuerung auf die Kontrolle und Optimierung komplexer Systeme
Das Projekt "Linking landscape structure and rainfall runoff behaviour in a thermodynamic optimality context" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Bereich Hydrologie durchgeführt. Our main objective is to explore an alternative thermodynamic perspective on rainfall runoff generation on the hillslope and headwater scale. From a thermodynamic perspective any water mass flux is equal to a -potential gradient- divided by a -resistance-, and fluxes deplete due to the second law of thermodynamics their driving gradients. Relevant potentials controlling rainfall runoff are soil water potentials, piezometric heads and surface water levels and their gradients are associated with spatial differences in associated forms of free1 energy. Rainfall runoff processes thus are associated with conversions of capillary binding energy, potential energy and kinetic energy. These conversions reflect energy conservation and irreversibility as they imply small amounts of dissipation of free energy into heat and thus production of entropy. Energy conversions during rainfall runoff transformation are, though being small, nevertheless of key importance, because they are related to the partitioning of incoming rainfall mass into runoff components and storage dynamics. This splitting and the subsequent subsurface dynamics is strongly controlled by preferential flow paths as they reduce subsurface flow resistances along their main extent, resulting in accelerated fluxes against the driving gradient. This implies an enlarged power in the subsurface flux and with it either enlarged free energy export or increased depletion of internal driving gradients, and thus a faster relaxation back towards local thermodynamic equilibrium. Thermodynamic optimality principles allow for a priory optimization of the resistance field at a given gradient, not in the sense how they exactly look like but in the sense how they function with respect to export and dissipation of free energy. We will thus explore the possibility of independent predictions of rainfall runoff in this project, in the sense that the a-priory optimum model structures should match independent observations at the hillslope and headwater scale. We also explore whether an apparent disequilibrium in landscape structure (reflected in topography, vegetation pattern, soil catena and apparent preferential pathways) implies temporally persistent patterns of soil moisture states in the sense that they coincide with local thermodynamic equilibria. This might offer the opportunity for useful backward predictions of distributed state dynamics by using observed dynamics of stream and ground water levels as boundary conditions characterizing the levels of relevant minima in geo-potential and zero matric potential in the subsurface. Last not least we test the feasibility to define hydrological similarity with respect to free energy stocks and conversions related to rainfall runoff (instead of focusing directly on the mass balance) with respect to classify catchments and hillslopes with respect to similar behavior.
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| Bund | 36 |
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| Förderprogramm | 36 |
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| offen | 36 |
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| Boden | 22 |
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| Weitere | 36 |