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Transition zones on highways – measures for dynamic traffic control of high and full automated vehicles
No full textDas Ziel dieser Arbeit ist es, einen Lösungsvorschlag vorzustellen, wie die Übergabe der Fahraufgabe vom Fahrzeug hin zum Fahrzeugführer (engl. Transition of Control – ToC) sicher durchgeführt werden kann. Hierbei liegt der Fokus auf die erfolglose Übergabe der Fahraufgabe und dem dann notwendigen Manöver minimalen Risikos (engl. Minimal Risk Manoeuvre – MRM), sodass das Fahrzeug selbstständig einen für alle Verkehrsteilnehmenden sicheren Zustand erreichen und die Übergabe der Fahraufgabe wiederholt werden kann.
Eingehens wird im Rahmen einer Literaturrecherche ermittelt, wie viele hoch- und vollautomatisierte Fahrzeuge auf Bundesautobahnen (BAB) erwartet werden können. Gleichzeitig wird die Wahrscheinlichkeit einer erfolglosen Übergabe der Fahraufgabe recherchiert. Darauf aufbauend wird anhand des Regeleinsatzbereiches von Regelquerschnitten (RQ) von Entwurfsklassen von Autobahnen (EKA) die Anzahl an erfolglosen Übergaben der Fahraufgabe bestimmt.
Zeitgleich wird der Längenbedarf eines Fahrzeugs bestimmt, welches vom ersten Fahrstreifen auf den Seitenstreifen wechselt und stoppt sowie anschließend vom Fahrzeugführer beschleunigt wird, sowie nach Finden einer Lücke wieder auf den ersten Fahrsteifen wechselt.
Anhand der Anzahl an hoch- sowie vollautomatisierten Fahrzeugen und deren Längenbedarf wird der Auslastungsgrad der Seitenstreifen einer EKA, verursacht durch ein notwendiges MRM, bestimmt. Zeitgleich wird der durch diese Fahrzeugströme verursachte Auslastungsgrad auf eine unbewirtschaftete Rastanlage untersucht.
In einer Expertenumfrage werden die Auslastungsgrade eines Seitenstreifens und einer Rastanlage bewertet. Hierdurch wird ersichtlich, welche Auswirkungen ein MRM aufgrund einer erfolglosen Übergabe der Fahraufgabe auf den Seitenstreifen oder eine Rastanlage haben kann.
Um diesen Auswirkungen entgegenzutreten, findet darauf aufbauend eine Unterscheidung der Vorhersehbarkeit einer Transitionszone statt. Anschließend werden Transitionszonen und ihre Gestaltungsmöglichkeiten nähere beschrieben.
Aufbauend auf dieser Unterteilung wird ein System zur Identifizierung von Verkehrsszenarien außerhalb des Betriebsbereiches (engl. Operational Design Domain - ODD) etabliert. Hierdurch sollen Teile der zuvor identifizierten Varianten von Transitionszonen derart gelegt werden, sodass Ziele für ein sicheres MRM zur Verfügung stehen und die Funktionsfähigkeit des Seitenstreifens erhalten bleibt.The aim of this thesis is to present a proposed solution on how the takeover request (ToR) of the driving task from the vehicle to the driver can be carried out safely. The focus here is on the unsuccessful ToR and the minimal risk manoeuvre (MRM) that is then necessary, so that the vehicle must independently reach a safe state for all road users, in which the ToR can be repeated.
As part of a literature review, it is determined how many highly and fully automated vehicles can be expected on federal motorways. At the same time, the probability of an unsuccessful handover of the driving task is researched. Based on this, the number of unsuccessful handovers of the driving task is determined using the standard application range of standard cross-sections of motorway design classes.
At the same time, the length requirement of a vehicle is determined, which changes from the first lane to the hard shoulder and stops, is then accelerated by the driver and changes back to the first lane after finding a gap.
Based on the number of highly and fully automated vehicles and their length requirements, the degree of utilisation of the hard shoulder of a motorway design class, caused by a necessary MRM, is determined. At the same time, the degree of utilisation caused by these vehicle flows on an unmanaged rest area is examined.
In an expert survey, the degree of utilisation of a hard shoulder and a rest area are evaluated. This makes it clear what effects an MRM can have due to an unsuccessful transfer of the driving task to the hard shoulder or a rest area.
In order to counteract these effects, a distinction is first made between the predictability of a transition zone. Transition zones and their design options are then described in more detail.
Based on this categorisation, a system for identifying traffic scenarios outside the operational design domain (ODD) is established. This is intended to place parts of the previously identified variants of transition zones in such a way that targets are available for safe MRM and the functionality of the hard shoulder is maintained
Verarbeitung von Pilzmyzel: Heißpressen und additive Fertigung für erweiterte Materialeigenschaften
No full textFungi play a crucial role in the ecosystem for nutrient cycling, symbiotic relationship with plants, and decomposing lignocellulose. Fungal mycelium is the vegetative part of the fila-mentous fungus, which consists of an intricate network of hyphae. In recent years, fungal mycelium has attracted large attention for its excellent material properties and for being a promising and sustainable alternative in various applications. It can be cultivated either on nutrient abundant liquid and agar-based media in laboratory settings, or on agricultural and forestry side streams, or even on food wastes like coffee ground. One of its most promising applications is in the development of fungal mycelium-based composites. They can be manufactured using filamentous fungi that colonize lignocellulosic substrates such hemp shives, sawdust, rice husk, and rice straw in shape-defined molds. Following cultivation under mild conditions and a subsequent drying process, the resulting composites are light-weight and biodegradable with good insulating properties. Pure fungal mycelium material can be obtained by separating the aerial mycelium layer from the fungal mycelium-based composites, or be prepared from liquid cultivation media. Due to its poor mechanical prop-erties, it requires post-processing to make it suitable for products like leather substitutes. Furthermore, dependence on molds limits design flexibility.
This dissertation explores mechanisms and strategies to improve the mechanical properties of fungal mycelium-based materials derived from the basidiomycete Fomes fomentarius, as well as methods for the flexible fabrication of fungal mycelium-based composites with re-spect to cultivation, material fabrication and post-processing methods. It examines the in-fluence of heat pressing on pure fungal mycelium mats grown on different cultivation me-dia; the improvement of mechanical properties through material extrusion additive manu-facturing (MEX AM) by depositing bio-based polymers onto fungal mycelium mats; and the enhancement of manufacturing flexibility through extrusion-based additive manufacturing (AM) using both inactive and living fungal mycelium.
Heat pressing is one of the simplest and the most effective post-processing steps to im-prove the mechanical properties of fungal mycelium-based materials. The mechanisms un-derlying heat pressing, however, remain poorly understood, especially for pure fungal myce-lium mats. To study the effects of heat pressing on fungal mycelium, as well as the influ-ence of the cultivation substrate, pure fungal mycelium mats from lignocellulose-based sol-id state and glucose-based liquid cultivation of F. fomentarius were heat-pressed at 160 °C at 100 MPa for 5 min. Heat pressing significantly increased the tensile strength, with notable differences observed between fungal mycelium mats cultivated in liquid medium and solid substrate. Liquid-cultivated fungal mycelium showed a denser hyphal network with higher chitin content and thus higher tensile strength after heat pressing. In contrast, solid-cultivated mycelium led to a looser hyphal network, higher β-glucan content, and lower tensile strength after heat pressing. These differences might be due to variations in gene expression stimulated by the nutrient supply.
Besides heat pressing, a new approach to enhance the mechanical strength of grown fungal mycelium mats was proposed in this study. Biodegradable polymers poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHBH) and polylactic acid (PLA) were deposit-ed onto the surface of fungal mycelium mats in a specific arrangement via MEX AM. These load-path optimized depositions of PHBH and PLA increased the tensile strength of the pure fungal mycelium mats along the direction of the printed lines by a factor of 2.8 and 4.8, respectively, without sacrificing the biodegradability of the fungal mycelium material. Surface roughness characterization also revealed distinct behaviors of different polymers on the fungal myce-lium mat surface.
To improve the design flexibility of fungal mycelium materials and to reduce the depend-ence on molds, extrusion-based AM was also applied on both inactive and living fungal mycelium. Extrudable pastes from inactive F. fomentarius mycelium and alginate were de-veloped, with rheology and homogeneity tests identifying a solid content of 71 wt% mycelium and 29 wt% alginate as optimal. This formulation showed shear-thinning behavior, good viscosity recovery, and high stackability without collapse. Complex geometries were printed with nozzle diameters as small as 0.58 mm. The crosslinking of alginate by calcium chloride was confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), enhancing water and thermal stability of the printed structure.
To maintain a sustainable and a bio-based approach for extrusion-based AM with living fungal mycelium, rapeseed straw and sodium alginate were used as nutrient supply and rhe-ological tuner respectively. F. fomentarius mycelium showed good growth on the extruded three-dimensional structure, forming a thick layer of aerial hyphae that was able to be peeled off from the scaffold for use as a pure three-dimensional mycelium shell, as needed. The predefined shapes were well maintained when combining manual compressing of the mycelium during the growth stage with a subsequent freeze-drying step for dehydration and deactivation. The resulting compact fungal mycelium composites and pure fungal mycelium shell were ultra-lightweight, with compressive or tensile strength comparable to, or even exceeding, those of fungal mycelium-based materials prepared using other methods.
In short, this work demonstrates that altering the cultivation medium can change the com-position of fungal mycelium from the same strain, and that the mechanical properties of pure fungal mycelium mats can be further improved by heat pressing as well as through combination with bio-based polymers via MEX AM. This dissertation provides procedures for producing lightweight fungal mycelium composites from F. fomentarius, and for produc-ing pure fungal mycelium mats in complex shapes via extrusion-based AM. These findings further broaden the application of fungal mycelium in the field of sustainable materials, leading to increased performance and greater design flexibility.Pilze spielen durch die symbiotische Beziehung zu Pflanzen und die Zersetzung von Lignozellulose eine entscheidende Rolle beim Nährstoffkreislauf im Ökosystem. Pilzmyzel ist der vegetative Teil von filamentöse Pilze, der aus einem komplizierten Netzwerk von Hyphen besteht. Aufgrund seiner hervorragenden Materialeigenschaften hat Pilzmyzel in den letzten Jahren größere Beachtung als nachhaltige Alternative für verschiedene Anwendungen gefunden. Es kann entweder auf nährstoffreichen, flüssigen bzw. halbfesten Medien im Labor, auf land- und forstwirtschaftlichen Nebenprodukten, oder selbst auf bestimmten Lebensmittelabfällen wie Kaffeesatz kultiviert werden. Eine der vielversprechendsten Anwendungen ist die Entwicklung von Verbundwerkstoffen auf der Grundlage von Pilzmyzel. Diese können mit Hilfe von Fadenpilzen hergestellt werden, die lignozellulosehaltige Substrate wie Hanfschäben, Sägemehl, Reishülsen und Reisstroh in vordefinierten Formen besiedeln. Nach Kultivierung unter milden Bedingungen und einem anschließenden Trocknungsprozess sind die entstehenden Komposite leicht und biologisch abbaubar und weisen gute Isolationseigenschaften auf. Reines Pilzmyzelmaterial kann durch Abtrennung der oberen Myzelschicht aus dem Komposit gewonnen oder in flüssigen Kultivierungsmedien hergestellt werden. Aufgrund seiner unzureichenden mechanischen Eigenschaften bedarf es weiteren Postprocessings um es für Produkte wie Lederersatzstoffe geeignet zu machen. Außerdem schränkt die Abhängigkeit von Formwerkzeugen ihre Designflexibilität ein.
Diese Arbeit untersucht Mechanismen und Strategien zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Materialien auf Pilzmyzelbasis, gewonnen aus dem Basidiomyceten Fomes fomentarius, sowie Methoden zur flexiblen Herstellung von Kompositen auf Pilzmyzelbasis hinsichtlich der Kultivierung, Materialherstellung und des Postprocessings. Analysiert werden der Einfluss von Warmpressen auf reine Pilzmyzelmatten, die auf verschiedenen Kultivierungsmedien kultiviert wurden; die Verbesserung mechanischer Eigenschaften durch additive Fertigung mittels Materialextrusion (MEX AM) durch Aufbringen biobasierter Polymere auf Pilzmyzelmatten; und die Erhöhung der Herstellungsflexibilität durch additive Fertigung mittels Extrusion (AM) unter Verwendung von inaktivem und lebendem Pilzmyzel.
Warmpressen ist einer der einfachsten und effektivsten Postprocessing-Schritte zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Materialien auf Pilzmyzelbasis. Die Mechanismen, die dem Warmpressen zugrunde liegen, sind jedoch nicht ausreichend erforscht, insbesondere in Bezug auf reine Pilzmyzelmatten. Um die Auswirkungen des Warmpressens auf das Pilzmyzel sowie den Einfluss des Kultursubstrats zu untersuchen, wurden reine Pilzmyzelmatten aus Lignocellulose-basierter Feststoffkultivierung und Glucose-basierter Flüssigkultivierung von F. fomentarius bei 160 °C und 100 MPa für 5 Minuten warmgepresst. Das Warmpressen erhöhte die Zugfestigkeit signifikant, wobei bemerkenswerte Unterschiede zwischen den im flüssigen Medium und den auf festem Substrat kultivierten Pilzmyzelmatten beobachtet wurden. Flüssig kultiviertes Pilzmyzel zeigte ein dichteres Hyphennetzwerk mit höherem Chitingehalt und somit eine höhere Zugfestigkeit nach dem Warmpressen. Im Gegensatz dazu zeigte das auf festem Substrat kultivierte Pilzmyzel einen höheren β-Glucangehalt und somit eine geringere Zugfestigkeit nach dem Warmpressen. Diese Unterschiede könnten auf durch Nährstoffangebot stimulierte Variationen in der Genexpression zurückzuführen sein.
Neben dem Warmpressen wurde in dieser Arbeit ein neuer Ansatz zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit von gewachsenen Pilzmyzelmatten vorgeschlagen. Die biologisch abbaubaren Polymere Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyhexanoat) (PHBH) und Polymilchsäure (PLA) wurden mittels MEX AM in einer bestimmten Anordnung auf die Oberfläche von Pilzmyzelmatten aufgebracht. Diese lastpfadoptimierte Ablagerung von PHBH und PLA erhöhte die Zugfestigkeit der reinen Pilzmyzelmatten entlang der Richtung der gedruckten Linien um den Faktor 2,8 bzw. 4,8, ohne dabei die biologische Abbaubarkeit des Pilzmyzelmaterials zu verlieren. Die Charakterisierung der Oberflächenrauheit zeigte zudem unterschiedliches Verhalten verschiedener Polymere auf der Oberfläche der Pilzmyzelmatten.
Um die Designflexibilität von Pilzmyzelmaterialien zu verbessern und die Abhängigkeit von Formwerkzeugen zu verringern, wurde die extrusionsbasierte AM auch auf inaktives sowie lebendes Pilzmyzel angewendet. Dabei wurden extrudierbare Pasten aus inaktivem F. fomentarius-Myzel und Alginat entwickelt, wobei Rheologie- und Homogenitätstests einen Feststoffgehalt von 71 Gew.-% Pilzmyzel und 29 Gew.-% Alginat als optimal ergaben. Diese Formulierung zeigte scherverdünnendes Verhalten, gute Viskositätserholung und hohe Stapelbarkeit ohne Kollabieren. Komplexe Geometrien wurden mit Düsendurchmessern von minimal 0,58 mm gedruckt. Die Vernetzung des Alginats durch Calciumchlorid wurde mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Röntgenphotoelektronenspektro-skopie (XPS) bestätigt, wobei sie die Wasser- und thermische Stabilität der gedruckten Struktur verbesserte.
Um einen nachhaltigen und biobasierten Ansatz für die extrusionsbasierte AM auch mit lebendem Pilzmyzel beizubehalten, wurden Rapsstroh als Nährstofflieferant und Natriumalginat als rheologischer Tuner verwendet. Das F. fomentarius-Myzel zeigte gutes Wachstum auf der extrudierten dreidimensionalen Struktur und bildete eine dicke Schicht aus Luftmyzel, die von der Gerüststruktur abgeschält werden konnte, um bei Bedarf als reine, dreidimensionale Pilzmyzelschale verwendet werden zu können. Die vordefinierten Formen wurden gut beibehalten, indem das Pilzmyzel während der Wachstumsphase manuell komprimiert, und anschließend mittels eines Gefriertrocknungsschritts dehydriert und deaktiviert wurde. Die resultierenden kompakten Pilzmyzel-Verbundwerkstoffe und die reinen Pilzmyzelschalen waren ultraleicht und wiesen eine Druck- oder Zugfestigkeit auf, die mit der von Materialien auf Pilzmyzelbasis, die mit anderen Methoden hergestellt wurden, vergleichbar waren oder diese sogar übertrafen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen zusammenfassend, dass eine Veränderung des Kultivierungsmediums die Zusammensetzung des Pilzmyzels desselben Stammes verändern kann und dass die mechanischen Eigenschaften reiner Pilzmyzelmatten durch Warmpressen sowie durch die Kombination mit biobasierten Polymeren mittels extrusionsbasierter AM weiter verbessert werden können. Diese Arbeit stellt Verfahren zur Herstellung von leichten Pilzmyzel-Verbundwerkstoffen aus F. fomentarius und zur Fertigung reiner Hohlkörper in komplexen Formen mittels extrusionsbasierter AM bereit. Diese Erkenntnisse erweitern die Anwendung von Pilzmyzel im Bereich der nachhaltigen Materialien und erhöhen deren Leistungsfähigkeit und Designflexibilität
A taxonomy of challenges and solutions
No full textServerless computing offers scalability, simplicity, and cost-efficiency, but its environmental impact is increasingly concerning. Unlike conventional cloud computing, serverless introduces unique sustainability challenges. This paper presents a systematic mapping study and develops a taxonomy of sustainability issues and solutions from both provider- and user-side perspectives, covering technological strategies, policy proposals, and social considerations. We highlight current practices, identify research gaps, and outline directions to promote greener serverless infrastructures and applications.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Ultrabreitband-Halbleiter-Dünnschichten auf (Ge,Sn)O2-Basis für die Leistungselektronik
No full textThis thesis explores the molecular beam epitaxy (MBE) of semiconducting ultra-wide bandgap (UWBG) group IV oxides, with a particular focus on GeO2, SnO2, and their ternary alloy (SnxGe1−x)O2. Through a combination of in-situ characterization techniques and ex- situ characterization, we establish a comprehensive framework that integrates growth kinetics, surface reaction thermodynamics, and etching mechanisms to advance the synthesis and processing of these semiconducting oxides. This thesis first presents a detailed in-situ investigation of GeO2 growth kinetics under conventional MBE using an elemental Ge source and plasma oxygen. We demonstrate that volatile GeO suboxide formation at the growth front introduces a significant kinetic limitation by competing with full oxide formation. A quantitative model is shown to describe the growth behavior, identifying critical thresholds of oxygen flux and substrate temperature that define the GeO2 growth window. This model serves as a guide for optimizing thin-film
deposition. Next, a universal in-situ cleaning technique is introduced, based on the oxidation by molecular O2 and subsequent desorption of elemental layers via their volatile suboxides. We experimentally demonstrate this method for Ga and Ge and apply it to remove residual elemental contaminants from oxide-based device surfaces. This process significantly reduces the thermal budget and risk of damage compared to conventional ex-situ etching methods. It enables high-throughput oxide processing by allowing reuse of substrates and rapid recovery from failed growth attempts. In the final part, the kinetic insights are extended to suboxide-source MBE (S-MBE) of binary and ternary oxides, with further exploration of the thermodynamics. Comparative analysis between GeO2 and SnO2 growth reveals the superior oxidation efficiency of SnO and lower volatility, making SnO-incorporation kinetically favorable in binary growth. However, during ternary alloy growth, GeO is preferentially incorporated despite its less favorable kinetics. This behavior indicates complex cation exchange dynamics at the growth front, which we interpret as a form of SnO-catalyzed GeO incorporation. Besides the SnO-to- GeO flux ratio, a precise control of substrate temperature and oxygen flux is shown to be essential for achieving the desired alloy composition. Together, the findings presented in this thesis offer a coherent framework for under- standing and controlling the non-equilibrium growth of oxide semiconductors in MBE system. The methodologies developed—particularly the use of volatile suboxide chemistry for both etching and growth—are broadly transferable to other vapor-phase deposition techniques. This work provides the foundation for future exploration of crystalline (SnxGe1−x)O2-based thin films, heterostructures, and devices, addressing key challenges in epitaxy, interface engineering, compositional tuning, and scalable fabrication in UWBG oxide electronics.Diese Dissertation untersucht die molekularstrahlepitaktische (molecular beam epitaxy, MBE) Abscheidung von ultrabreitbandigen (ultra-wide bandgap, UWBG) Oxiden der Gruppe IV, mit besonderem Fokus auf GeO2, SnO2 und deren ternäres Legierungssystem (SnxGe1−x)O2. Durch die Kombination von in-situ- und ex-situ-Charakterisierungsmethoden wird ein umfassendes kinetisches und thermodynamisches Verständnis der Oberflächenreaktionen von Wachstums- und Ätzmechanismen entwickelt, um die Synthese und Verarbeitung dieser Halbleiteroxide zu optimieren.
Zunächst wird eine detaillierte in-situ-Untersuchung der Wachstumskinetik von GeO2 unter konventioneller MBE mit elementarem Germanium und plasmaaktiviertem Sauerstoff vorgestellt. Es wird gezeigt und mittels eines quantitativen Modells bestätigt, dass die Bildung des flüchtigen Suboxids GeO einen wesentlichen kinetischen Engpass darstellt, da sie mit der vollständigen Oxidbildung konkurriert. Diese Modell beschreibt das Wachstumsverhalten und identifiziert kritische Schwellenwerte für Sauerstofffluss und Substrattemperatur. Das daraus abgeleitete Wachstumsfenster für GeO2 dient als Leitfaden zur Optimierung der Dünnschichtabscheidung.
Anschließend wird eine universelle in-situ-Reinigungsmethode vorgestellt, die auf der Oxidation elementarer Schichten mittels molekularem Sauerstoff und anschließenden Desorption ihrer flüchtigen Suboxide basiert. Diese Methode wird experimentell für Ga und Ge demonstriert und erfolgreich zur Entfernung von Rückständen auf oxidbasierten Oberflächen eingesetzt. Das Verfahren reduziert die thermische Belastung und die Gefahr von Oberflächenschäden im Vergleich zu konventionellen ex-situ-Ätzverfahren erheblich und ermöglicht eine hocheffiziente Oxidverarbeitung durch Substrat-Wiederverwendung und schnelles Wiederanlaufen nach fehlgeschlagenem Wachstum.
Im letzten Teil wird die Kinetik auf die Suboxidquellen-MBE (S-MBE) für binäre und ternäre Oxide ausgeweitet und durch thermodynamische Analysen ergänzt. Der Vergleich zwischen GeO2 und SnO2 Wachstum zeigt, dass SnO aufgrund seiner höheren Oxidationseffizienz und geringeren Flüchtigkeit kinetisch bevorzugt eingebaut wird. Während des ternären Legierungswachstums wird jedoch GeO trotz seiner ungünstigeren Kinetik bevorzugt eingebaut. Dieses Verhalten deutet auf komplexe Kationenaustauschprozesse an der Wachstumsfront hin, die als mittels SnO katalysierter GeO-Einbau interpretiert werden. Zusätzlich zum GeO-zu-SnO Flussverhältnis ist daher eine präzise Steuerung von Substrattemperatur und Sauerstofffluss entscheidend für die gezielte Einstellung der Legierungszusammensetzung.
Insgesamt bietet diese Arbeit ein konsistentes Konzept zum Verständnis und zur Kontrolle des nichtgleichgewichtigen Wachstums von Halbleiteroxiden im MBE-Verfahren. Die entwickelten Methoden – insbesondere der Einsatz flüchtiger Suboxidchemie für sowohl Ätzen als auch Wachstum – lassen sich auf andere gasphasenbasierte Abscheidungsverfahren übertragen. Diese Arbeit legt die wissenschaftliche Grundlage für die zukünftige Erforschung kristalliner (SnxGe1−x)O2-Dünnschichten, Heterostrukturen und Bauelemente und adressiert zentrale Herausforderungen in der Epitaxie, Grenzflächenkontrolle, Zusammensetzungseinstellung und skalierbaren Herstellung von UWBG-Oxidhalbleitern
Advocating energy-per-token in LLM inference
No full textLarge Language Models (LLMs) demonstrate exceptional performance across diverse tasks but come with substantial energy and computational costs, particularly in request-heavy scenarios. In many real-world applications, the full scale and capabilities of LLMs are often unnecessary, as Small Language Models (SLMs) can provide accurate responses for simpler text generation tasks. When enhanced with advanced reasoning strategies, such as Chain-of-Thought (CoT) prompting or Majority Voting, SLMs can approach the performance of larger models while reducing overall computational requirements. However, these strategies can also introduce additional energy costs, creating an energy-accuracy trade-off. Our analysis examines these trade-offs in test-time compute strategies for smaller models compared to larger ones, using the MMLU benchmark. Additionally, we explore the input-output token dynamics of transformer architectures, which result in nonlinear hardware energy operation curves for LLMs. To bridge AI research with its physical impact, we propose energy efficiency metrics, including Energy-per-Token, as complements to traditional accuracy benchmarks. Beyond model selection, we propose controlled reasoning in CoT token generation, using operating curves to regulate reasoning depth dynamically. This vision integrates a energy-aware routing mechanism, ensuring that model selection and inference strategies balance accuracy for sustainable AI deployment.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Multiple resumptions and local mutable state, directly
No full textWhile enabling use cases such as backtracking search and probabilistic programming, multiple resumptions have the reputation of being incompatible with efficient implementation techniques, such as stack switching. This paper sets out to resolve this conflict and thus bridge the gap between expressiveness and performance. To this end, we present a compilation strategy and runtime system for lexical effect handlers with support for multiple resumptions and stack-allocated mutable state. By building on garbage-free reference counting and associating stacks with stable prompts, our approach enables constant-time continuation capture and resumption when resumed exactly once, as well as constant-time state access. Nevertheless, we also support multiple resumptions by copying stacks when necessary. We practically evaluate our approach by implementing an LLVM backend for the Effekt language. A performance comparison with state-of-the-art systems, including dynamic and lexical effect handler implementations, suggests that our approach achieves competitive performance and the increased expressiveness only comes with limited overhead.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Approximate agreement algorithms for Byzantine collaborative learning
No full textIn Byzantine collaborative learning, n clients in a peer-to-peer network collectively learn a model without sharing their data by exchanging and aggregating stochastic gradient estimates. Byzantine clients can prevent others from collecting identical sets of gradient estimates. The aggregation step thus needs to be combined with an efficient (approximate) agreement subroutine to ensure convergence of the training process. In this work, we study the geometric median aggregation rule for Byzantine collaborative learning. We show that known approaches do not provide theoretical guarantees on convergence or gradient quality in the agreement subroutine. To satisfy these theoretical guarantees, we present a hyperbox algorithm for geometric median aggregation. We practically evaluate our algorithm in both centralized and decentralized settings under Byzantine attacks on non-i.i.d. data. We show that our geometric median-based approaches can tolerate sign-flip attacks better than known mean-based approaches from the literature.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 460954887, SPP 2378: Resilience in Connected Worlds – Mastering Failures, Overload, Attacks, and the Unexpecte
Sicherheits- und Nachhaltigkeitsbewertung von nicht-metallischen antiviralen und antibakteriellen Beschichtungen, aufgebracht auf porösen und nicht-porösen Oberflächen
No full textAntimicrobial coatings have become a pivotal technology for tackling pathogen spreading, particularly in healthcare settings. Novel coatings are designed to prevent microbial survival and biofilm formation on various surfaces, thereby reducing the risk of infections from person to person by inhibiting the growth and spread of pathogens. The mechanisms of action include the release of antimicrobial agents (biocidal), the retention of agents on the surface (contact-killing), and anti-adhesion properties (anti-fouling). Frequently applied antimicrobial coatings often contain silver or other metals which are suspected to cause skin sensitization or allergies, and the metal ion release may pose an environment treat. The need for novel metal-free antimicrobials is therefore evident. New coatings based on quaternary ammonium, antimicrobial polysaccharides or peptides, oxidizing agents releasing radical oxygen species (ROS) to name only a few are at the research forefront. Despite recent progress, several challenges remain, including human safety assessment, long-term functionality, broad-spectrum antimicrobial activity and the potential environmental impact of these materials. History thought us that the human biocompatibility aspects were not given much attention during the development of novel antibiotics. Therefore, the safety aspects of the newest generation of antimicrobial coatings according to “safe by design” (SbD) principles, directly from the start of their development should be assessed. Two case studies were defined, including highly infectious nosocomial hospital settings and highly dense public transportation systems such as trains and airplanes. In-vitro models were adapted and improved to assess the potential adverse effects of tailored coatings, directly on the most likely exposure ways of skin and lungs identified. At the beginning of the COVID-19 pandemic, the safety assessment of newly emerging mask textiles had the highest priority due to the proximity of textiles to our airways as well as their prolonged wearing time. Here, acute lung toxicity evaluation of fiber and particle debris release from diverse types of textiles were investigated. No acute in-vitro cytotoxicity was observed in the human alveolar basal epithelial lung cell model for any facemask textiles investigated. After investigation of the lung toxicity of textile debris from mask textiles, the skin irritation and sensitization capacity of a novel metal-free coating based on quaternary ammonium compounds developed by BASF was assessed. This technology allows rapid functionalization by an easy-to-apply coating for textiles that provide antiviral and antibacterial properties. The functionalized hospital curtains demonstrated an excellent antibacterial and antiviral activity against pathogens like Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, and Acinetobacter baumannii, with a 98% to 100% reduction and murine hepatitis virus (MHV) with a >99% reduction. A conducted KeratinoSens® skin sensitization & irritation assay, according to OECD guidelines No. 442D, showed no acute in-vitro skin toxicity or sensitization in the functional applied coating concentration. For the transportation case study, the incineration toxicity of light-activated antimicrobial coatings, intended for high-traffic enclosed spaces such as airplanes, was investigated with an improved co-culture lung model. This new class of antimicrobial coatings includes hydrophobic carbon quantum dots (hCQDs) and silicate-based upconverters (UPC) which release ROS or UV-light when irradiated with blue light. An in-depth hazardous fume assessment was conducted using a cone calorimeter incineration platform also considering the potential hazards during accidents, such as the formation of harmful polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Finally, the airborne soot particles were assessed for their acute in-vitro cytotoxicity on the co-culture lung model and their potential to cause a pro-inflammatory cytokine response. No changes in burning and smoke toxicity behavior and no severe acute toxicity response on the studies lung model of the coated substrates was observed in contrast to the controls. This thesis highlights the potential of novel non-metal based antimicrobial coatings since their antimicrobial efficacy is similar, and their human safety aspects are superior to the previous applied metal-based antimicrobial coatings. These promising results may lead the way for a substitution of harmful antimicrobials with more safe and environmentally friendly alternative coatings. However, continued research and development is needed to overcome existing challenges, enhance the effectiveness and durability of these coatings, and ensure their safe application in diverse use-case scenarios. The integration of these advanced coating materials will likely contribute to improved public health care systems by reducing infection rates in the future.Antimikrobielle Beschichtungen, fortlaufend als "Coatings" bezeichnet, sind insbesondere im Gesundheitswesen zu einer zentralen Strategie im Kampf gegen mikrobielle Infektionen geworden. Indem sie das Wachstum und die Ausbreitung pathogener Mikroorganismen hemmen, verhindern neuartige Coatings das mikrobielle Wachstum und die Bildung von Biofilmen auf verschiedenen Oberflächen, was das Risiko von Infektionen von Mensch zu Mensch verringert. Zu den Wirkmechanismen gehören die Freisetzung antimikrobieller Wirkstoffe (Biozide), das Verbleiben der Wirkstoffe auf der Oberfläche (abtötend bei Kontakt) und anti-Adhäsionseigenschaften (Kontakt-inhibierend). Häufig verwendete antimikrobielle Coatings enthalten zumeist Silber oder andere Metalle, die im Verdacht stehen, Hautsensibilisierungen und Allergien auszulösen. Die Freisetzung von Metallkomplexen kann zudem eine Umweltbelastung darstellen. Der Bedarf an neuartigen metallfreien antimikrobiellen Coatings ist daher offensichtlich. Neuartige Coatings enthalten quaternäre Ammoniumverbindungen, antimikrobielle Polysaccharide oder Peptide, Oxidationsmittel, die radikale Sauerstoffspezies (ROS) freisetzen, um nur einige Substanzklassen zu nennen. Trotz der jüngsten Fortschritte bleiben einige Herausforderungen bestehen, darunter die Sicherheitsbewertung für Menschen, die langfristige Funktionalität, die antimikrobielle Breitbandwirkung und die potenzielle Umweltbelastung dieser neuartigen Materialien. Aus der Geschichte wissen wir, dass dem Aspekt der menschlichen Biokompatibilität bei der Entwicklung neuartiger Antibiotika nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Daher sollten die Sicherheitsaspekte der neuesten Generation antimikrobieller Coatings nach den Grundsätzen des „vom Design her sicher“ (SbD) direkt zu Beginn ihrer Entwicklung berücksichtigt werden. Dazu wurden zwei Fallstudien definiert, darunter hochinfektiöse nosokomiale Krankenhausumgebungen und hochfrequentierter öffentliche Verkehrssysteme wie Züge und Flugzeuge. Um die potenziellen schädlichen Auswirkungen dieser verbesserten Coatings zu identifizieren wurden in-vitro Zellkulturmodelle für die wahrscheinlichsten Expositionswege von Haut und Lunge angepasst und verbessert. Zu Beginn der COVID-19-Pandemie hatte die Sicherheitsbewertung von neu aufkommenden Maskentextilien höchste Priorität, da sie sich in unmittelbarer Nähe unserer Atemwege befinden und über einen längeren Zeitraum getragen werden. In dieser Arbeit wurde daher zunächst die akute Lungentoxizität der freigesetzten Fasern und Partikeln aus unterschiedlichen Textilien untersucht. Für keine der untersuchten Maskentextilien wurde eine akute in-vitro Zytotoxizität im menschlichen alveolären Basalepithel-Lungenzellmodell beobachtet. Im Anschluss zur Untersuchung der Lungentoxizität von Textilfasern und Partikeln aus Maskentextilien wurde die Hautreizungs- und Sensibilisierungsfähigkeit eines neuartigen metallfreien Coatings auf der Basis von quaternären Ammoniumverbindungen für den vorgesehenen Einsatz in Krankenhausvorhängen analysiert. Dieses von der Firma BASF entwickelte Coating ermöglichte die rasche antivirale und antibakterielle Funktionalisierung durch ein einfaches textiles Beschichtungsverfahren. Die so funktionalisierten Krankenhausvorhänge zeigten eine ausgezeichnete antibakterielle und antivirale Aktivität gegen Krankheitserreger wie Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa und Acinetobacter baumannii mit einer 98% bis 100%igen Reduktion sowie eine >99%ige Reduktion gegen das murine Hepatitis-Virus (MHV). Um den Einfluss des Coatings auf die menschliche Haut zu untersuchen, wurde ein KeratinoSens® Hautsensibilisierungs- und Hautreizungstest gemäß OECD-Richtlinie Nr. 442D durchgeführt. Dieser Assay zeigte keine akute in-vitro Hauttoxizität oder -sensibilisierung an, in der funktionalisierten Coating Konzentration, welche auf den Krankenhausvorhängen aufgebracht wurde. In einer weiteren Studie wurde die Verbrennungstoxizität von lichtaktivierten Coatings untersucht, die für stark frequentierte geschlossene Räume wie Flugzeuge vorgesehen sind. Dazu wurde ein verbessertes Lungenmodell angewandt. Zu dieser neuen Klasse antimikrobieller Coatings gehören hydrophobe Kohlenstoff-Quantum Dots (hCQDs) und Silikat-basierte Upconverter (UPC), die bei Aktivierung ROS respektive UV-Strahlung freisetzen. Mit einer Conekalorimeter-Verbrennungsplattform wurde eine eingehende Bewertung der gefährlichen Abgase durchgeführt, wobei auch die potenziellen Gefahren bei Unfällen, wie die Bildung schädlicher polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK), berücksichtigt wurden. Zudem wurden die in der Abluft freigesetzten Russpartikel auf ihre akute in-vitro Zytotoxizität am verbesserten Lungenzellkulturmodell untersucht. Weiter wurde das Potential der Russpartikel, eine pro-inflammatorische Entzündungsreaktion auszulösen, analysiert. Im direkten Vergleich der beschichteten Substrate mit den unbehandelten Kontrollsubstraten, wurden keine Veränderungen im Verbrennungs- und Rauchtoxizitätsverhalten sowie keine gravierenden akute Toxizitätsreaktion an dem Lungenmodell festgestellt. In dieser Arbeit wird das Potential neuartiger antimikrobieller Coatings hervorgehoben, da ihre antimikrobielle Wirksamkeit vergleichbar und ihre Unbedenklichkeit für den Menschen den bisher verwendeten antimikrobiellen Coatings auf Metallbasis überlegen ist. Diese vielversprechenden Ergebnisse könnten den Weg für einen Ersatz schädlicher antimikrobieller Formulierungen durch sicherere und umweltfreundlichere alternative Beschichtungen ebnen. Es ist jedoch weitere wissenschaftliche Forschung erforderlich, um die bestehenden Probleme zu überwinden, die Wirksamkeit und Haltbarkeit dieser Beschichtungen zu verbessern und ihre sichere Anwendung in verschiedenen Anwendungsszenarien zu gewährleisten. Die Integration dieser fortschrittlichen Coatings wird wahrscheinlich zu einer Verbesserung des öffentlichen Gesundheitswesens beitragen, da die Infektionsraten in Zukunft gesenkt werden kann
On singularly perturbed (p, N)-Laplace Schrödinger equation with logarithmic nonlinearity
No full textThis article focuses on the study of the existence, multiplicity and concentration behavior of ground states as well as the qualitative aspects of positive solutions for a (p, N)-Laplace Schrödinger equation with logarithmic nonlinearity and critical exponential nonlinearity in the sense of Trudinger-Moser in the whole Euclidean space ℝ . Through the use of smooth variational methods, penalization techniques, and the application of the Lusternik–Schnirelmann category theory, we establish a connection between the number of positive solutions and the topological properties of a set in which the potential function achieves its minimum values.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Carbon-aware quality adaptation for energy-intensive services
No full textThe energy demand of modern cloud services, particularly those related to generative AI, is increasing at an unprecedented pace. To date, carbon-aware computing strategies have primarily focused on batch process scheduling or geo-distributed load balancing. However, such approaches are not applicable to services that require constant availability at specific locations due to latency, privacy, data, or infrastructure constraints.
In this paper, we explore how the carbon footprint of energy-intensive services can be reduced by adjusting the fraction of requests served by different service quality tiers. We show that adapting this quality of responses with respect to grid carbon intensity can lead to additional carbon savings beyond resource and energy efficiency and introduce a forecast-based multi-horizon optimization that reaches close-to-optimal carbon savings.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 414984028, SFB 1404: FONDA - Foundations of Workflows for Large-Scale Scientific Data AnalysisEC/HE/101139120/Devise & explore a novel approach for energy consumption and carbon footprint reduction of ICT services in the era of next-generation mobile telecommunications (6G)/EXIGENC