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Entwurf und Analyse von auf fluidischen Oszillatoren basierenden Aktuatoren mit gepulstem Ausblasen zur Strömungskontrolle an einem Seitenleitwerksmodell
No full textThis thesis provides an in-depth investigation into the development, implementation, and aerodynamic performance of fluidic-oscillator-based pulsed jet actuators for active flow control applications on vertical tail plane configurations. The motivation for this study stems from the need to improve the yaw control authority of vertical tails during critical conditions such as one-engine-inoperative scenarios, thus enabling reductions in stabilizer size, structural weight, and parasitic drag for future aircraft designs. The specific type of pulsed jet actuator was selected for the suppression of flow separation on the vertical tail due to their capability to produce pulsed jet forcing without the need for moving mechanical components, enhancing robustness and scalability.
The actuators were designed with an emphasis on achieving a minimum target actuation frequency through internal geometric parameters, including feedback loop length and throttling characteristics. Bench-top experiments were conducted to evaluate the actuators, jet dynamics, switching behavior, and modulation quality. These tests confirmed the ability to reliably generate pulsed jets with high modulation levels and the scalability to match the targeted actuation frequencies for the subsequent vertical tail flow control experiments. During the bench-top investigations, important dependencies between the internal geometry, mass flow rate, and oscillation frequency were identified, enabling the design to be tailored regarding the actuator integration into the vertical tail model.
Following the pulsed jet actuator characterization, a modular vertical tail plane model was designed and constructed, incorporating the actuators along both the stabilizer leading edge and the rudder hinge line. Multiple wind tunnel experiments were conducted in the "großer Windkanal" facility at the Technical University of Berlin, utilizing a six-component balance for force and moment measurements, as well as stereoscopic particle image velocimetry to capture detailed flow field structures. The test conditions covered a range of sideslip and rudder deflection angles combined with multiple different flow control settings. The fluidic pulsed jet actuators achieved substantial improvements in the vertical tail plane’s side force coefficient by reducing or completely eliminating the flow separation at the rudder.
To assess the relative performance of the pulsed jet actuators, a direct comparison was conducted against sweeping jet actuators under matched momentum input conditions. The results indicated that the actuators with pulsed blowing achieved comparable, and in some cases superior, aerodynamic benefits. However, in certain sideslip and rudder deflection angle setups and with high mass flow rate input, the sweeping jet actuators showed a larger effect. Furthermore, it was identified that the pulsed jet actuators are more effective in the mid span region while the sweeping jet actuators showed larger potential in the vertical tail root and tip region, indicating that a combined solution could be optimal.
The findings from this research contribute to the broader field of unsteady active flow control by establishing key design guidelines for designing fluidic-oscillator-based pulsed jet actuators and their implementation in control surfaces. The investigated flow control method presents a viable path toward lighter, more efficient control surfaces by reducing flow separation effects, thus contributing to the broader goals of aerodynamic optimization, fuel savings, and environmental impact reduction in aviation.Diese Arbeit stellt eine umfassende Untersuchung zur Entwicklung, Implementierung und aerodynamischen Leistung von fluidischen Oszillator-basierten Aktuatoren mit gepulstem
Ausblasen für den Einsatz in der aktiven Strömungskontrolle an Seitenleitwerkskonfigurationen vor. Die Motivation dieser Arbeit resultiert aus der Notwendigkeit, die Gierkontrollfähigkeit von Seitenleitwerken unter kritischen Bedingungen, wie beispielsweise dem Ausfall eines Triebwerks, zu verbessern und dadurch eine Reduktion der Leitwerksgröße, der strukturellen Masse sowie des parasitären Widerstands in zukünftigen Flugzeugentwürfen zu ermöglichen. Die spezielle Art von Pulsed Jet Aktuatoren wurden aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, ohne bewegliche mechanische Komponenten pulsierend Fluid auszublasen, wodurch die Robustheit des Systems und Skalierbarkeit der Methode verbessert werden.
Die Aktuatoren wurden mit besonderem Fokus auf das Erreichen einer minimalen Zielaktuationsfrequenz entwickelt, wobei interne geometrische Parameter wie die Länge der Rückführungsschleifen und die Drosselcharakteristiken berücksichtigt wurden. Zur Charakterisierung der Aktuatoren wurden Prüfstandsexperimente durchgeführt, in denen die Ausblasdynamik, das Schaltverhalten und die Modulationsqualität untersucht wurden. Diese Tests bestätigten die zuverlässige Erzeugung hochmodulierter pulsierender Luftstrahlen
sowie die Skalierbarkeit zur Anpassung an die geforderten Aktuationsfrequenzen für die nachfolgenden Strömungskontrollversuche am Seitenleitwerksmodell. Während der Charakterisierungsmessungen
im Prüfstand konnten wichtige Abhängigkeiten zwischen der internen Geometrie, der Massenstromrate und der Oszillationsfrequenz identifiziert werden, wodurch die Aktuatorkonstruktion gezielt auf die Integration in das Seitenleitwerksmodell abgestimmt werden konnte.
Anschließend wurde ein modular aufgebautes Seitenleitwerksmodell entwickelt und gefertigt, in das die Pulsed Jet Aktuatoren sowohl an der Vorderkante des Modells als auch entlang der Ruderscharnierlinie integriert wurden. Mehrere Windkanalversuche wurden im "großen Windkanal" der Technischen Universität Berlin durchgeführt, wobei eine Sechskomponenten-Kraftmesswaage für Kraft- und Momentaufnahmen sowie stereoscopic particle image velocimetry für die detaillierte Erfassung der Strömungsstrukturen eingesetzt wurden. Die Versuchsbedingungen umfassten verschiedene Schiebe- und Ruderwinkel in Kombination mit unterschiedlichen Strömungskontrolleinstellungen. Die Aktivierung der fluidischen Pulsed Jet Aktuatoren führte zu einer signifikanten Steigerung des Seitenkraftkoeffizienten durch Reduktion oder vollständige Verhinderung der Strömungsablösung am Ruderelement des Seitenleitwerks.
Zur Bewertung der relativen Leistungsfähigkeit der Pulsed Jet Aktuatoren wurde ein direkter Vergleich mit Sweeping Jet Aktuatoren unter identischen Impulskoeffizienten Bedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Aktuatoren mit gepulstem Ausblasen vergleichbare und in einigen Fällen sogar überlegene aerodynamische Vorteile erzielten. Allerdings konnten die Sweeping Jet Aktuatoren bei bestimmten Kombinationen von Schiebewinkeln und Ruderausschlägen sowie bei hohen Massenströmen größere Effekte erzielen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Pulsed Jet Aktuatoren im mittleren Spannweitenbereich wirksamer sind, während Sweeping Jet Aktuatoren besonders am Wurzel- und Randbereich des Seitenleitwerks höhere Potenziale aufwiesen, was auf eine mögliche Optimierung durch eine kombinierte Lösung hindeutet.
Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zum Gesamtgebiet der instationären aktiven Strömungskontrolle, indem sie wichtige Entwurfsrichtlinien für die Gestaltung von fluidischen Oszillator-basierten Aktuatoren mit gepulstem Ausblasen und deren Integration in Steuerflächen bereitstellen. Abschließend kann festgestellt werden, dass die auf der verwendeten Aktuationsmethode basierende Strömungskontrolle einen vielversprechenden Weg zur Realisierung leichterer und effizienterer Steuerflächen bietet, indem Strömungsablösungen reduziert werden. Damit wird ein wesentlicher Beitrag zu den übergeordneten Zielen der aerodynamischen Optimierung, der Kraftstoffeinsparung und der Reduzierung der Umweltauswirkungen in der Luftfahrt geleistet
The interaction of demand elasticity with storage bidding
No full textStudies looking at electricity market designs for very high shares of wind and solar often conclude that the energy-only market will break down. Without fuel costs, it is said that there is nothing to set prices. Symptoms of breakdown include long phases of zero prices, scarcity prices too high to be politically acceptable, prices that collapse under small perturbations of capacities from the long-term equilibrium, cost recovery that is impossible due to low market values, high variability of revenue between different weather years, and difficulty operating long-term storage with limited foresight. We argue that all these problems are an artefact of modelling with perfectly inelastic demand. If short-term elasticity to reflect today’s flexible demand (-5%) is implemented in the model, these problems are significantly reduced. The combined interaction of demand willingness to pay and storage opportunity costs is enough to produce stable pricing. This behaviour is illustrated by a model with wind, solar, batteries, and hydrogen-based storage, where the price duration curve is significantly smoothed with a piecewise linear demand curve. This removes high price peaks, reduces the fraction of zero-price hours from 90% to around 30%, and guarantees more price stability for perturbations of capacity and different weather years. Fuels derived from green hydrogen take over the role of fossil fuels as the backup of final resort. Furthermore, we show that with demand elasticity, the long-term optimisation model exactly reproduces the prices of the short-term model with the same capacities. We then use insights from the long-term model to derive simple bidding strategies for storage so that we can also run the short-term model with limited operational foresight. We demonstrate this short-term operation in a model optimised using 35 years of weather data and then tested on another 35 years of unseen data. We conclude that the energy-only market can still play a key role in coordinating dispatch and investment in the future.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025BMWE, 03EI4083A, Verbundvorhaben: RESILIENT - Resiliente Energieinfrastrukturplanung für Industriewende, E-Fuels und Netzausbau; Teilvorhaben: Entwicklung des quelloffenen multivektoriellen integrierten Energiesystemplanungsmodell PyPSA-Eur-Se
Carbon-based materials for sustainable electrochemical hydrogenations
No full textThe chemical manufacturing sector is one of the most important industries of modern society. However, the processes currently employed for chemical production impact the environment considerably, accounting for a significant part of greenhouse gas emissions and energy consumption. Hydrogenations are a paramount class of reactions for the production of plastics, pharmaceuticals and food, but they require elevated temperatures, pressurized hydrogen and (noble) metal catalysts. In our continuous effort to decarbonize industrial activity, electrochemistry rises as a sustainable alternative to carry out these reactions, under ambient conditions. Nonetheless, most electrochemical processes still rely on (noble) metals and/or (per)fluorinated binder materials, thus posing sustainability limitations on their widespread employment. This dissertation aims to employ carbon-based materials as sustainable alternatives for electrochemical hydrogenations (ECHs) and assess their structure-performance relationship. The materials are also benchmarked against counterparts, either commercial, or found in literature, to elucidate their influence on the reaction and evaluate their performance.
Chapter 2 focuses on the use of N-doped carbons as hydrogenation electrocatalysts. By utilizing a salt-melt templated synthesis, nanoporous N-doped carbons are produced and employed for the electrochemical hydrogenation of maleic to succinic acid, the latter being a valuable commodity chemical. Mechanistic investigations indicate that N-doping induces specific electrode-organics adsorptive interactions, and the hydrogenation proceeds with a mechanism resembling that of metals. Additionally, the obtained yields are compared to other heterogeneous catalytic processes that utilize metals for maleic acid hydrogenation, showing that electrochemical hydrogenations can be conducted in ambient and metal-free conditions, without compromising the yield of the reaction.
In Chapter 3 non-noble metal Single Atom Catalysts (SACs) were synthesized, bearing Fe, Ni, or Co atoms, anchored on a N-doped carbon shell. The SACs were utilized for the semi-ECH of alkyne(di)ols to alkene(di)ols, exhibiting high chemoselectivity over the competing full hydrogenation to alkane(di)ols. Moreover, they exhibited distinct stereoselectivities depending on the metal, allowing for the tunable synthesis of cis- or trans-alkenediols. Finally, the SACs were compared to their nanoparticle counterparts, which did not exhibit any metal-dependent stereoselectivity. This comparison indicates that the unique reactivities discussed stem from both the metal active sites and their atomic coordination.
Chapter 4 examines the use of poly(ionic liquids) (PILs) as binders for ECH. The PIL bound electrodes outperformed electrodes using commercial fluorinated binders for the ECH of benzaldehyde to benzyl alcohol. This performance enhancement was investigated by mechanistic studies, as well as in-situ local pH electrochemical measurements. It is shown that the PIL binders’ structure and charge massively influence the electrode’s microenvironment during polarization, due to electrostatic and chemical effects. These factors enhance both the yield and Faradaic efficiency of the reaction. Finally, the versatility of PILs enhancement is assessed for further ECH reactions, over a broad range of more than 12 pH units.Die chemische Industrie ist einer der wichtigsten Wirtschaftszweige der heutigen Gesellschaft. Jedoch haben die aktuell eingesetzten Verfahren der chemischen Industrie erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt, aufgrund der dabei entstehenden Treibhausgasemissionen und des hohen Energieverbrauchs. Hydrierungen sind für die Herstellung von Kunststoffen, Arznei- und Lebensmitteln von entscheidender Bedeutung, erfordern jedoch hohe Temperaturen, hohe Wasserstoffdrücke und (Edel)Metallkatalysatoren. In unserem kontinuierlichen Bestreben, industrielle Aktivitäten zu dekarbonisieren, bietet die Elektrochemie eine nachhaltige Alternative, um diese Reaktionen unter Umgebungsbedingungen durchzuführen. Dennoch basieren die meisten elektrochemischen Prozesse nach wie vor auf (Edel)Metallen und/oder fluorierten Bindemitteln, was ihre breite Anwendung aus Nachhaltigkeitsgründen einschränkt. Ziel dieser Dissertation ist es, kohlenstoffbasierte Materialien als nachhaltige Alternativen für die elektrochemische Hydrierung (ECHs) einzusetzen und deren Struktur-Leistungs-Beziehung zu bewerten. Die Materialien werden auch mit kommerziellen oder in der Literatur beschriebenen Gegenstücken verglichen, um ihren Einfluss auf die Reaktion aufzuklären und ihre Leistung zu bewerten.
Kapitel 2 fokussiert sich auf die Verwendung von N-dotierten Kohlenstoffen als Elektrokatalysatoren für die Hydrierung. Durch die Verwendung einer Salzschmelze-basierten Synthese werden nanoporöse N-dotierte Kohlenstoffe hergestellt und für die elektrochemische Hydrierung von Malein- zu Bernsteinsäure eingesetzt, wobei letztere ein wertvoller chemischer Rohstoff ist. Mechanistische Untersuchungen zeigen, dass die N-Dotierung spezifische adsorptive Wechselwirkungen zwischen Elektrode und organischen Verbindungen induziert und die Hydrierung nach einem Mechanismus abläuft, der dem von Metallen ähnelt. Darüber hinaus werden die erzielten Ausbeuten mit anderen heterogenen katalytischen Verfahren verglichen, bei denen Metalle für die Hydrierung von Maleinsäure verwendet werden. Dabei zeigt sich, dass elektrochemische Hydrierungen unter Umgebungsbedingungen und ohne Metalle durchgeführt werden können, ohne die Ausbeute der Reaktion zu beeinträchtigen.
In Kapitel 3 wurden nicht-edle Metall-Einzelatomkatalysatoren (SACs) synthetisiert, welche aus aus Fe-, Ni- oder Co-Atome bestehen und auf einer N-dotierten Kohlenstoffhülle verankert waren. Die SACs wurden für die semi-ECH von Alkin(di)olen zu Alken(di)olen verwendet und zeigten eine hohe Chemoselektivität gegenüber der konkurrierenden vollständigen Hydrierung zu Alkan(di)olen. Darüber hinaus zeigten sie je nach Metall unterschiedliche Stereoselektivitäten, was eine anpassbare Synthese von cis- oder trans-Alkendiolen ermöglichte. Schließlich wurden die SACs mit ihren Nanopartikel-Pendants verglichen, die keine metallabhängige Stereoselektivität aufwiesen. Dieser Vergleich zeigt, dass die diskutierten einzigartigen Reaktivitäten sowohl auf die aktiven Metallstellen als auch auf ihre atomare Koordination zurückzuführen sind.
Kapitel 4 behandelt die Verwendung von Poly(ionischen Flüssigkeiten) (PILs) als Bindemittel für ECH. Die mit PIL gebundenen Elektroden übertrafen Elektroden, die handelsübliche fluorierte Bindemittel für die ECH von Benzaldehyd zu Benzylalkohol verwendeten. Diese Leistungssteigerung wurde durch mechanistische Untersuchungen sowie durch lokale pH-elektrochemische Messungen vor Ort untersucht. Es zeigt sich, dass die Struktur und Ladung der PIL-Bindemittel aufgrund elektrostatischer und chemischer Effekte einen signifikanten Einfluss auf die Mikroumgebung der Elektrode während der Polarisation haben. Diese Faktoren verbessern sowohl die Ausbeute als auch die Faraday-Effizienz der Reaktion. Letztlich wird die Vielseitigkeit der PIL-Verbesserung für weitere ECH-Reaktionen über einen breiten Bereich von mehr als 12 pH-Einheiten bewertet
Normalized solutions to Schrödinger systems with critical nonlinearities
No full textWe consider a system of coupled Schrödinger equations involving critical exponent given by
− + 1 = ||−2 + 2 + ||−2|| in R,
− + 2 = ||−2 + 2 + || ||−2 in R.
We study the existence of positive ground state solutions having prescribed mass
∫R ||2 d = 21 and ∫R ||2 d = 22,
where = 3, 4, 1, 2 > 0, ∈ (2, 2∗), , > 1 with + = 2∗ = 2−2 , the Sobolev critical exponent, 1, 2 ∈ R are parameters to be specified and will appear as Lagrange multipliers, and > 0 is a parameter. Under some 2-subcritical, 2-critical and 2-supercritical perturbations ||−2 and ||−2, respectively, we prove several existence results by using variational methods, which can be considered as a counterpart of the Brézis-Nirenberg problem in the context of normalized solutions for coupled Schrödinger equations. Our results extend and improve the existing literature in several directions.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
kollektives Handeln, internationale Hilfe und die ungleiche Neugestaltung des postkolonialen Thiaroye sur Mer, Senegal
No full textThis dissertation explores how international development interventions reshape both space and social life in Thiaroye sur Mer, a historically marginalised coastal community located on the periphery of Dakar, Senegal. The study is based on eight months of multi–scalar ethnographic fieldwork carried out between 2018 and 2019. Drawing on decolonial and feminist methodologies, the research is grounded in participant observation, life history interviews, circular walks, spatial mapping, and collaboration with local associations, notably women's and youth groups. These methodological choices allow for a situated and relational understanding of the lived experiences and spatial strategies of those who inhabit, navigate, and contest the everyday effects of international aid.
At the centre of this inquiry is an examination of how collective actors – especially women's groups, youth associations, and 'returnee' migrants – engage with and rework aid–driven development agendas. The dissertation foregrounds the spatial practices, informal economies, and forms of urban improvisation that emerge in response to – and often in resistance to – the spatial logics of international cooperation. I introduce the concept of spatial rewrites to describe the material and social transformations that result from this interaction, and I develop the notion of spatial co–formation to conceptualise the reciprocal and often contested production of space between local actors and institutional development agents.
The analysis shows how international aid does not simply impose a top–down vision of progress, but becomes embedded in everyday life, shaping local subjectivities, practices, and socio–spatial arrangements. In this context, space becomes both a site and an instrument of negotiation, appropriation, and struggle. Local actors are not merely passive recipients of aid, but active co–producers of space, policy outcomes, and alternative visions of development. The dissertation examines how collective agency manifests in varied spatial registers – through the reorganisation of domestic and economic space, the reinvention of public infrastructure, and the strategic navigation of visibility and invisibility in relation to state and donor agendas.
Structured around thematic chapters that examine historical land transformations, youth mobility and the aspiration to migrate, gendered urban economies, and local organisational forms, the dissertation offers a grounded, multi–dimensional perspective on how development becomes entangled with urban and social change. It argues that development is not merely a policy framework, but a spatial and relational force that produces new territorialities, moral geographies, and urban subjectivities.
Situated at the intersection of critical sociology of space, urban anthropology, and development studies, this work contributes to ongoing debates on the spatiality of development, the role of grassroots agency, and the enduring legacies of colonial urbanism. It challenges dominant narratives that portray development as either purely emancipatory or entirely coercive, showing instead how it functions ambivalently – as a vehicle for both empowerment and control. The case of Thiaroye sur Mer illustrates how marginalised communities navigate this ambiguity, using space itself as a terrain of political and social invention.
Ultimately, the dissertation invites a rethinking of development through the lens of spatial practice, arguing that the everyday remaking of space is a key site for understanding contemporary forms of collective action, governance, and resistance in the urban Global South.Diese Dissertation untersucht, wie internationale Entwicklungsmaßnahmen sowohl den Raum als auch das soziale Leben in Thiaroye sur Mer, einer historisch marginalisierten Küstengemeinde am Stadtrand von Dakar (Senegal), umgestalten. Die Studie basiert auf einer fünfzehnmonatigen ethnografischen Feldforschung, die zwischen 2018 und 2019 durchgeführt wurde. Durch den Einsatz dekolonialer und feministischer Methodologien sowie partizipativer Techniken wie teilnehmender Beobachtung, narrativer Interviews, räumlicher Kartierungen und der Zusammenarbeit mit lokalen Vereinigungen – insbesondere Frauen- und Jugendgruppen – ermöglicht diese Forschung ein situiertes und relationales Verständnis für die gelebten Erfahrungen und räumlichen Strategien der Bewohner:innen.
Im Mittelpunkt der Untersuchung steht die Frage, wie kollektive Akteure – insbesondere Frauengruppen, Jugendvereinigungen und rückgekehrte Migrant:innen – mit den von internationalen Organisationen geprägten Entwicklungsagenden umgehen, sie aneignen oder ihnen entgegentreten. Die Dissertation hebt räumliche Praktiken, informelle Ökonomien und urbane Improvisationsformen hervor, die im Spannungsfeld zwischen Entwicklungshilfe und Alltagsrealitäten entstehen. Zur Analyse dieser Dynamiken wird das Konzept der „spatial rewrites“ eingeführt – räumliche Umschreibungen als materielle und soziale Transformationen – sowie der analytische Rahmen der „spatial co-formation“, um das wechselseitige Entstehen von Raum und sozialen Strukturen zu erfassen.
Die Analyse zeigt, dass Entwicklungshilfe nicht einfach ein von oben gesteuertes Projekt bleibt, sondern in alltägliche Lebenspraktiken eingebettet wird. Sie prägt lokale Subjektivitäten, soziale Ordnungen und räumliche Konfigurationen. Raum wird dadurch zu einem zentralen Feld der Aushandlung, Aneignung und des Widerstands. Lokale Akteure agieren nicht als passive Empfänger:innen, sondern als aktive Mitgestalter:innen von Raum, Entwicklungsprozessen und alternativen Zukunftsvorstellungen. Die Arbeit zeigt, wie kollektives Handeln auf unterschiedlichen räumlichen Ebenen Ausdruck findet – sei es in der Umgestaltung häuslicher und ökonomischer Räume, in der Neuerfindung öffentlicher Infrastrukturen oder im strategischen Umgang mit Sichtbarkeit gegenüber Staat und Gebern.
Die thematischen Kapitel behandeln unter anderem die historische Transformation von Landbesitz, Mobilitäts- und Migrationsaspirationen der Jugend, geschlechterspezifische urbane Ökonomien und die Rolle lokaler Organisationen. So entsteht ein vielschichtiges Bild davon, wie Entwicklung mit urbanem und sozialem Wandel verwoben ist. Die Arbeit argumentiert, dass Entwicklung nicht nur ein politischer oder wirtschaftlicher Rahmen ist, sondern eine räumliche und relationale Kraft, die neue Territorialitäten, moralische Geografien und urbane Subjektivitäten hervorbringt.
Verortet an der Schnittstelle von kritischer Entwicklungsforschung, urbaner Anthropologie und Raumsoziologie leistet diese Dissertation einen Beitrag zu aktuellen Debatten über die Räumlichkeit von Entwicklung, die Rolle lokaler Handlungsmacht und das Fortwirken kolonialer Urbanismen. Sie kritisiert binäre Narrative, die Entwicklung ausschließlich als Befreiung oder als Unterdrückung deuten, und zeigt stattdessen deren ambivalente Wirkweise – als Mittel sowohl der Ermächtigung als auch der Kontrolle. Das Beispiel Thiaroye sur Mer illustriert, wie marginalisierte Gemeinschaften mit dieser Ambivalenz umgehen und Raum als Medium politischen und sozialen Erfindungsgeistes nutzen.
Letztlich fordert die Dissertation dazu auf, Entwicklung durch die Linse räumlicher Praxis neu zu denken – als Ort kollektiven Handelns, sozialer Aushandlung und widerständiger Gestaltung in den urbanen Kontexten des globalen Südens
Viscosity and glass formation behavior of lunar regolith simulants
No full textMelt viscosity is central to choices of lunar processing technologies, including additive manufacturing, molten regolith electrolysis, and sintering processes, all of which may be central to future lunar exploration and in-situ resource utilization (ISRU). Here, we investigate the viscosity of a diverse set of lunar regolith simulants, specifically LX-M100, LX-T100, LMS-1, LHS-1, JSC-1A, EAC-1A, OPRL2N, OPRL2NT, OPRH2N, and OPRH3N. High-temperature concentric cylinder viscometry together with differential scanning calorimetry (DSC) / ‘Shift Factor’-derived viscosities were combined to describe viscosity across a broad temperature range, from superliquidus conditions to temperatures just above the glass transition (Tg). Selected fitted VFT-curves were compared with data measured by fast differential scanning calorimetry (FDSC). Post-viscometry glasses, obtained from reheated and then quenched samples, were analyzed using electron probe microanalysis (EPMA) and rock magnetic measurements. The results of these indicate post-viscometry heterogeneities (nano/microlites / liquid immiscibility) for some of the samples leading to their exclusion from calorimetric study but not impacting the interpretation of high-temperature viscosity measurements. Empirical and machine-learning-based viscosity models were assessed against experimental data, with the configurational-entropy model of Sehlke and Whittington (2016) performing robustly across the full range, while the recent gpvisc framework (Le Losq et al., 2025) yielded the lowest errors at high temperatures and near Tg These findings emphasize the importance of melt homogeneity and careful characterization to ensure accurate Tg-based viscosity predictions, vital for diverse lunar ISRU technologies especially under well-characterized redox conditions.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025BMFTR, 50WM2445, 3D-Druck von Lunaren Analogmaterialien im Vakuu
On logarithmic double phase problems
No full textIn this paper we introduce a new logarithmic double phase type operator of the form
Gu:=−div(|∇u|p(x)−2∇u+μ(x)[log(e+|∇u|)+|∇u|q(x)(e+|∇u|)]|∇u|q(x)−2∇u),
whose energy functional is given by
u↦∫Ω(|∇u|p(x)p(x)+μ(x)|∇u|q(x)q(x)log(e+|∇u|))dx,
where Ω⊆RN, N≥2, is a bounded domain with Lipschitz boundary ∂Ω, p,q∈C(Ω‾) with 1<p(x)≤q(x) for all x∈Ω‾ and 0≤μ(⋅)∈L1(Ω). First, we prove that the logarithmic Musielak-Orlicz Sobolev spaces W1,Hlog(Ω) and W01,Hlog(Ω) with Hlog(x,t)=tp(x)+μ(x)tq(x)log(e+t) for (x,t)∈Ω‾×[0,∞) are separable, reflexive Banach spaces and W01,Hlog(Ω) can be equipped with the equivalent norm
inf{λ>0:∫Ω[|∇uλ|p(x)+μ(x)|∇uλ|q(x)log(e+|∇u|λ)]dx≤1}.
We also prove several embedding results for these spaces and the closedness of W1,Hlog(Ω) and W01,Hlog(Ω) under truncations. In addition we show the density of smooth functions in W1,Hlog(Ω) even in the case of an unbounded domain by supposing Nekvinda's decay condition on p(⋅). The second part is devoted to the properties of the operator and it turns out that it is bounded, continuous, strictly monotone, of type (S+), coercive and a homeomorphism. Also, the related energy functional is of class C1. As a result of independent interest we also present a new version of Young's inequality for the product of a power-law and a logarithm. In the last part of this work we consider equations of the form
Gu=f(x,u)in Ω,u=0on ∂Ω
with superlinear right-hand sides. We prove multiplicity results for this type of equation, in particular about sign-changing solutions, by making use of a suitable variation of the corresponding Nehari manifold together with the quantitative deformation lemma and the Poincaré-Miranda existence theorem.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 390685689, EXC 2046: MATH+: Berlin Mathematics Research Cente
Sewage sludge networks as a tool for developing integrated sewage sludge utilization concepts
No full textÄnderungen in der Gesetzgebung beschränken zunehmend die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung und definieren Anforderungen an eine thermische Verwertung und Phosphorrückgewinnung ab den Jahren 2029 bzw. 2032. Daraus resultiert für viele kommunale Abwasserentsorger in Deutschland die Notwendigkeit, ihre aktuell praktizierten Verwertungswege zu überdenken und sich strategisch zu positionieren, um eine langfristige, rechtskonforme Klärschlammverwertung sicherzustellen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Forschungsfrage, ob Klärschlammnetzwerke als Werkzeug zur Bildung integrierter Klärschlammverwertungskonzepte geeignet sind. Zur Beantwortung dieser Forschungsfrage erfolgte eine Zusammenstellung und die Entwicklung eines allgemeinen Überblicks der aktuellen Herausforderungen und Rahmenbedingungen sowie eine theoretische und praktische Untersuchung und Bewertung von Netzwerken und dem Nutzen von Klärschlammnetzwerken und Kooperationen unter Bezugnahme auf bestehende Aktivitäten aus der Praxis. Es wurde herausgearbeitet, wie eine Zusammenarbeit in Klärschlammnetzwerken erfolgen kann und ob diese Netzwerke zur Bewältigung der aktuellen und künftigen Herausforderungen sinnvoll und hilfreich sind. Weiterhin wurde untersucht, ob Klärschlammnetzwerke geeignet sind, die Relevanz aktueller Entwicklungen zu verdeutlichen und Betroffene miteinander verbinden, entsprechende Synergien zu heben und damit zur Bildung integrierter Klärschlammverwertungskonzepte beizutragen. Zudem wurden theoretische Szenarien zur künftigen Klärschlammverwertung erarbeitet und bewertet. Mithilfe eines eigens entwickelten Excel-basierten Tools als Kurzcheck können auf Basis spezifischer Betreiberdaten aktuelle Klärschlammverwertungswege überprüft und ein Vorschlag für zukünftige Verwertungsmöglichkeiten gegeben werden.
Im Ergebnis der Untersuchungen lässt sich festhalten, dass das Zusammenarbeiten im Rahmen von Klärschlammnetzwerken und das Ergebnis abhängig von den jeweiligen Rahmenbedingungen, den individuellen Zielen sowie dem Engagement der Teilnehmenden ist. Klärschlammnetzwerke stellen keinen Anspruch auf eine individuelle Lösungsfindung oder die Entwicklung spezifischer Klärschlammverwertungskonzepte sicher, sondern ermöglichen als Informations- und Wissensplattform einen offenen Dialog mit möglichen Kooperationspartnern und können dadurch bei der Bildung integrativer Klärschlammstrategien sinnvoll und hilfreich sein.Changes in legislation are increasingly restricting agricultural sewage sludge utilization and defining requirements for thermal utilization and phosphorus recovery from 2029 and 2032 respectively. This results for many municipal wastewater disposal companies in Germany to rethink their current sewage sludge utilization methods and to position themselves strategically in order to ensure long-term, legal compliant sewage sludge utilization.
This study addresses the research question whether sewage sludge networks are suitable as a tool for developing integrated sewage sludge utilization concepts. To answer this research question, a general overview of current challenges and framework conditions was compiled and developed, as well as a theoretical and practical investigation and evaluation of networks and the benefits of sewage sludge networks and cooperations based on existing practice activities. The study investigated how cooperation within sewage sludge networks can be achieved and if these networks are useful and helpful in addressing current and future challenges. Furthermore, it was investigated if sewage sludge networks are suitable for clarifying the relevance of current developments and connecting those affected, leveraging corresponding synergies and thus contributing to the development of integrated sewage sludge utilization concepts. In addition, theoretical scenarios for future sewage sludge utilization were developed and evaluated. By using a uniquely developed Excel-based tool as a quick check based on specific operator data, current ways of sewage sludge utilization can be reviewed and evaluated and it provides an option for possible sewage sludge utilization suggestions in the future.
The results of the study show that cooperation within sewage sludge networks and their outcomes depends on the respective framework conditions, individual goals, and the commitment of the participants. Sewage sludge networks do not guarantee the finding of individual solutions or the development of specific sewage sludge utilization concepts, but rather, as an information and knowledge platform, they enable an open dialogue with potential cooperation partners and can therefore be useful and helpful in the development of integrative sewage sludge strategies
Von lokalen Erklärungen zu einem umfassenden mechanistischen Verständnis von tiefen neuronalen Bilderkennungsmodellen
No full textDeep learning models have evolved into a cornerstone of modern industry and science, enabling applications from medical diagnosis and perception to conversational systems. Over the past two decades, both models and datasets have grown substantially in scale: models now reach trillions of parameters, trained on datasets with billions of samples.
Despite their success, our understanding and control of these models remain limited, hindering safe and robust deployment in critical domains. Regulations such as the EU AI Act further emphasize the need for transparent and accountable AI systems. The field of eXplainable Artificial Intelligence (XAI) has introduced techniques like attribution maps and feature visualizations to illuminate singular aspects of model behavior. Yet, achieving a comprehensive understanding that enables validation and control of the complex mechanisms inside AI models requires the combination of multiple XAI perspectives. This is already challenging, and as most approaches rely on manual inspection of individual explanations, they fail to scale with the size and complexity of today’s models and datasets.
This dissertation develops an explainability framework that is (i) mechanistic, by providing component-level insights (ii) comprehensive, by integrating multiple interpretability perspectives, (iii) scalable, by aggregating and summarizing explanations across data and model components while flagging outliers and deviations, and (iv) actionable, by directly informing practical strategies for refining and improving model behavior.
Key contributions of this thesis include: (1) A foundation for comprehensive mechanistic explanations that integrate component-level attributions, input localizations, and feature visualizations, validated via a user study. (2) Measuring and improving interpretability by introducing multiple measures to estimate human interpretability of components, further validated through a user study, and methods to mitigate issues such as polysemanticity. (3) Prototypical Concept-based Explanations that summarize model behavior across entire datasets using a small set of concept-level prototypes. (4) Semantic component mbeddings that enable text-based semantic search, labeling, clustering, and comparison of model components. (5) Automated auditing methods such as outlier detection and concept alignment analysis to flag spurious or unexpected behaviors. (6) Interpretability-informed correction techniques that refine and correct models based on mechanistic insights.
Through experiments on state-of-the-art vision models, this work demonstrates that mechanistic explanations enable the identification, understanding, and correction of model failures, providing a path toward more transparent, robust and controllable AI systems.Tiefe neuronale Netze sind ein Eckpfeiler moderner Industrie und Wissenschaft, mit Anwendungen von der medizinischen Diagnose bis zu Konversationssystemen. Modelle und Datensätze sind in den letzten zwei Jahrzehnten stark gewachsen: Modelle erreichen Billionen von Parametern und werden auf Milliarden von Datenpunkten trainiert.
Trotz ihres Erfolgs bleiben Verständnis und Kontrolle über diese Modelle begrenzt, was ihren sicheren Einsatz in kritischen Bereichen erschwert. Vorschriften wie das EU-KI-Gesetz betonen dabei die Notwendigkeit transparenter KI-Systeme. Techniken der erklärbaren künstlichen Intelligenz (XAI) wie Heatmaps und Konzeptvisualisierung beleuchten einzelne Aspekte des Modellverhaltens. Um jedoch ein umfassendes Verständnis zu erreichen, das die Validierung und Kontrolle komplexer Modellmechanismen ermöglicht, ist die Kombination mehrerer XAI-Perspektiven erforderlich. Diese erhöht bereits die kognitive Komplexität aufgrund der hohen Informationsdichte, und eine manuelle Überprüfung einzelner Erklärungen skaliert somit nicht mit der Größe aktueller Modelle und Datensätze. Diese Dissertation entwickelt ein Erklärbarkeits-Framework, das (i) mechanistische Einblicke auf Ebene einzelner Modellkomponenten liefert, (ii) umfassend mehrere Interpretierbarkeitsperspektiven integriert, (iii) skalierbar Erklärungen aggregiert und Ausreißer markiert, und (iv) handlungsorientiert Strategien zur Modellverbesserung bietet.
Zentrale Beiträge dieser Arbeit sind: (1) Eine Grundlage für umfassende mechanistische Erklärungen, die komponentenspezifische Relevanzwerte, Lokalisierungen und Konzeptvisualisierungen integriert und in einer Benutzerstudie validiert wurde. (2) Messung und Verbesserung der Interpretierbarkeit durch Methoden zur Bewertung der menschlichen Interpretierbarkeit von Komponenten, ebenfalls in einer Benutzerstudie validiert, sowie zur Reduktion von Polysemantik. (3) Protoypische konzeptbasierte Erklärungen, die das Modellverhalten über Datensätze hinweg anhand weniger Konzept-basierten Prototypen zusammenfassen. (4) Semantische Komponenten-Einbettung, die textbasierte Suche, Beschreibungen, Gruppierung und Vergleiche von Modellkomponenten ermöglicht. (5) Automatisierte
Prüfmethoden wie Ausreißererkennung und Konzeptabgleichanalyse zur Identifikation problematischer oder unerwarteter Verhaltensweisen. (6) Interpretierbarkeitsbasierte Korrekturtechniken, die Modelle anhand mechanistischer Einsichten gezielt korrigieren.
Experimente mit modernen KI Modellen zeigen, dass mechanistische Erklärungen die Identifikation, das Verständnis und die Korrektur von Modellfehlern ermöglichen und damit den Weg zu transparenteren, robusteren und besser kontrollierbaren KI-Systemen ebnen
Differences between differential phase contrast and electron holographic measurements of a GaN p-n junction
No full textModern semiconductor devices require control of the electrostatic potential landscape at nanometer scale, which is especially important for materials like the Group III-Nitrides, where polarization effects cause additional sheet charges at interfaces. In this work two complementary electron microscopic methods, differential phase contrast (DPC) and electron holography (EH), are used for characterization of a GaN p–n junction in one and the same sample. In comparison, the values obtained for the junction’s characteristics, like the built-in potential step, the maximum fields strength, and the width of the space charge region, were significantly larger and also closer to the expected values, when measured by means of EH. A key difference in the measurements is the vastly lower illumination dose rates within the EH experiments. Therefore, the lower generation rate of electron–hole pairs might lead to a lower beam induced bias during the EH measurement. These findings demonstrate that in future experiments the impact of the electron illumination must be considered for accurate nanoscale electrostatic field and potential measurements.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 492463633, Improvement of S/TEM-based methods for reliable and accurate measurement of strain and electric potential