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Vibrocompaction behaviour of dry granular matter depends on the dynamic to static stress ratio
No full textThe mechanical behaviour of dry granular materials is strongly influenced by the effects of cyclic accelerations caused by vibrations. While the shear strength is temporarily reduced for the duration of the vibration, the bulk density is permanently increased. Although these phenomena have been known for a long time, the underlying mechanisms are not yet fully understood. This work contributes to a better understanding of the compaction of dry granular materials by vertical vibrations by introducing a new dimensionless parameter in the form of the ratio of dynamic to static stresses inside the granulate. With the help of numerical simulations using the discrete element method, a parametric study shows that this stress ratio is better suited than the conventionally used acceleration ratio to characterise the essential compaction properties of the material. An analytical model for the stress distribution in the granulate is presented and employed alongside with laboratory tests to validate the numerical model. The problem is treated here in one dimension, but an extension to three dimensions is possible.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 461480840, Experimental investigation and development of a theoretical model for the vibrofluidisation of dry granular material
Contribution to the construction of multi-storey timber buildings with reversible form-fitting connection nodes
No full textFür ein Fachwerksystem zur Aussteifung mehrgeschossiger Gebäude in Holzhybridbauweise wurde ein Betonvergussknoten entwickelt. In diesem Zusammenhang wurde das Setzungsverhalten im frühen Betonalter sowie das Auftreten von Luftblasen auf der Oberfläche von Vergussbeton untersucht.
Die Kombination der beiden Werkstoffe Holz und Beton wurde für einen leistungsfähigen Verbindungskonten durch Vorspannung ohne Verbund erweitert. Vorspannen ohne Verbund ermöglicht es, Holzbauteile mit wenigen, aber dennoch steifen Verbindungsmitteln reversibel zu koppeln. Derartige Verbindungen besitzen großes lokales Verformungsvermögen am Knoten. Gleichzeitig wird eine Möglichkeit geschaffen, die einzelnen Elemente des Tragwerks zum Ende des Lebenszyklus voneinander zu trennen und im Idealfall direkt weiter zu nutzen.
Robuste Tragwerke müssen über ein geeignetes Zugankersystem verfügen, um die Auswirkung eines örtlichen Schadens zu minimieren. Als Variante eines Zugankers wurde ein vorgespannter Brettschichtholzunterzug mit innenliegendem Spannstahl betrachtet. Die auftretenden Spannkraftverluste wurden theoretisch untersucht.
Für den Kreuzungspunkt Stütze / Unterzug wurde ein formschlüssiger Knoten entwickelt. Der Formschluss wurde durch eine Verzahnung am Trägerende erreicht. Zielstellung war eine maximale Querkrafttragfähigkeit bei geringer Auflagertiefe, guter Brandschutz, Reversibilität und ein ästhetisches Erscheinungsbild. Mithilfe eines einfachen Finite-Elemente-Modells wurde eine kraft- und spannungsaffine Verzahnung bestehend aus drei bis fünf Zähnen entwickelt. An Trägern mit unterschiedlicher Zahnanzahl und -geometrie erfolgte im Großversuch eine Untersuchung der Kurzeittragfähigkeit und des Lastverformungsverhaltens. Untersucht wurde der Anschluss an Stützen aus Beton sowie an Stützen aus Holz.
Die untersuchten Knoten als Kombination aus Verzahnung und Vorspannung wiesen allesamt ein sehr gutmütiges Bruchverhalten mit hohem Resttragvermögen nach dem Erstbruch auf. Durch den innenliegenden Spannstab verfügen Knotenpunkt wie Unterzug über ein hohes Rückstellvermögen. Das vorliegende Tragverhalten ist nur mit dem innenliegenden Spannstahl zu erreichen. Mit steigender Anzahl an Zähnen bei gleicher Trägerhöhe nehmen Tragfähigkeit und Steifigkeit der Verbindung zu.
Die Mechanik des verzahnten Knotens wurde mithilfe der Verschiebungsdaten eines optischen Messsystems und mit einem Finite-Elemente-Modell untersucht. Das FE-Modell dient dazu, das mechanische Verhalten der verzahnten Verbindung grundsätzlich zu erklären sowie einen Anhalt über die Verteilung der Spannungen und der Kräfte auf die einzelnen Zähne zu gewinnen.
Mithilfe der Verzahnung ist es gelungen, einen sehr leistungsfähigen Knoten für den Kreuzungspunkt Stütze / Unterzug zu entwickeln. Durch die Verzahnung ist es möglich, die Querkrafttragfähigkeit des Querschnitts nahezu vollständig auszunutzen.A concrete grouting node was developed for a truss system to brace multi-storey buildings in timber hybrid construction. The settlement behaviour in early concrete age as well as the occurrence of air bubbles on the surface of grouting concrete were investigated. The combination of wood and concrete was used for a high-performance connection node by prestressing. Prestressing with unbonded tendons makes it possible to connect timber components reversibly with few but still stiff fasteners. Such connections have great local deformation capacity. A possibility is created to separate the elements of the structure from each other at the end of the life and reuse use them directly.
Robust structures must have a suitable tie rod system to minimise the effect of local damage. A prestressed glulam beam with an internal tendon was considered. The prestress losses were investigated theoretically. A form-fit node was developed for the intersection of column and beam. The connection was achieved by interlocking at the beam end. The aim was to achieve a maximum shear force bearing capacity with a low support depth, good fire protection, reversibility and an aesthetic appearance. With a simple finite element model, an interlockig consisting of three to five teeth was developed. The short-term load-bearing behaviour were investigated in large-scale tests. The connection to concrete and wooden columns was investigated. The investigated nodes all showed ductile behaviour with high residual load-bearing capacity after the initial failure. Due to the internal tendon, the node has a high restoring capacity. This load-bearing behaviour can only be achieved with the internal tendon. The load-bearing capacity and stiffness of the connection increase with an increasing number of teeth at the same beam height. The mechanics of the interlocking were investigated with the displacement data from an optical measuring system and a finite element model. The calculation model should explain the mechanical behaviour and the load distribution. It also provides an indication of the distribution of the stresses and forces on the individual teeth. With the interlocking, it was possible to develop an efficient node for the intersection point column and beam. The inter-locking makes it possible to use the shear force bearing capacity of the cross-section almost completely
Dimensionale Rekonstruktion periodischer Strukturen im Nanobereich auf der Grundlage komplementärer Messungen mit weicher Röntgenstrahlung in einem hybriden Ansatz
No full textDie kontinuierliche Verkleinerung integrierter Schaltkreise erfordert eine zunehmend präzise und zerstörungsfreie Messtechnik für periodische Nanostrukturen. Während die etablierte optische Scatterometrie schnell und zerstörungsfrei ist, wird ihre Auflösung durch die Verwendung längerer Wellenlängen begrenzt. Die Scatterometrie mit extrem ultravioletter (EUV) Strahlung und weicher Röntgenstrahlung überwindet diese Einschränkung und bietet eine Genauigkeit im Sub-Nanometerbereich sowie kleinere Strahlenabdrücke, die mit modernen Testfeldern kompatibel sind. Die wachsende Verfügbarkeit von kompakten Quellen für diesen Spektralbereich erhöht zusätzlich ihr Potenzial für die industrielle Integration.
Die vorliegende Arbeit evaluiert zunächst die Genauigkeit eines Scatterometers, das mit einer kompakten EUV-Strahlungsquelle ausgestattet ist, indem ein Nanogitter aus Quarzglas charakterisiert wird. Eine vergleichende Studie wurde mit einer Referenzmessung am Strahlrohr für weiche Röntgenstrahlung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) am Synchrotronspeicherring BESSY II durchgeführt. Mittels Bayes’scher Optimierung zur Analyse der Streudaten wurden die Dimensionen des Nanogitters und ihre Unsicherheiten bestimmt. Die Ergebnisse bestätigen, dass die EUV-Scatterometrie mit kompakten Quellen eine dimensionale Genauigkeit erreichen kann, die mit der von synchrotronbasierten Messungen vergleichbar ist.
Darüber hinaus befasst sich diese Arbeit mit der Herausforderung, komplexe Nanostrukturen zu charakterisieren, bei denen reine Scatterometriedaten zu mehrdeutigen Lösungen führen können. Am Strahlrohr der PTB wurde ein innovatives hybrides Messsystem entwickelt und implementiert, das die Weichröntgenstreuung mit simultaner Weichröntgen-Fluoreszenzanalyse kombiniert. Diese Methode wurde auf ein Nanogitter aus Siliziumnitrid angewendet, das mit einer Schicht aus Siliziumdioxid oxidiert ist. Die kombinierte Analyse nutzt die geometrische Empfindlichkeit der Streuung und die elementspezifische Empfindlichkeit der Fluoreszenz und löst so Mehrdeutigkeiten bei der dimensionalen Rekonstruktion effektiv auf. Die Ergebnisse demonstrieren das Potenzial dieses hybriden Ansatzes für die Referenzmesstechnik von komplexen Materialsystemen mit Elementen niedriger Ordnungszahl.The continuous downsizing of integrated circuits demands increasingly precise and non-destructive metrology for periodic nanoscale structures. While established optical scatterometry is fast and non-destructive, its resolution is limited by its use of longer wavelengths. Scatterometry with extreme ultraviolet (EUV) radiation and soft X-rays overcomes this limitation, offering sub-nanometer accuracy and smaller beam footprints compatible with modern test fields. The growing availability of compact sources for this spectral range further enhances its potential for industrial integration.
This thesis first evaluates the accuracy of a scatterometer equipped with a compact EUV radiation source by characterizing a fused-silica nanograting. A comparative study was conducted against a reference measurement performed at the soft X-ray beamline of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) at the synchrotron facility BESSY II in Berlin. Using Bayesian optimization to analyze the scattering data, the dimensions of the nanograting and their uncertainties were determined. The results validate that EUV scatterometry with compact sources can achieve dimensional accuracy comparable to that of synchrotron-based measurements.
Furthermore, this thesis addresses the challenge of characterizing complex nanostructures where scatterometry data alone can lead to ambiguous solutions. An innovative hybrid measurement system was developed and implemented at PTB’s soft X-ray beamline, combining soft X-ray scattering with simultaneous soft X-ray fluorescence analysis. This method was applied to a silicon nitride nanograting coated with a silica layer. The combined analysis utilizes the geometric sensitivity of scattering and the elemental sensitivity of fluorescence, effectively resolving ambiguities in the dimensional reconstruction. The results demonstrate the potential of this hybrid approach for reference-level metrology of complex, low-Z material systems.EC/H2020/875999/EU/IC Technology for the 2nm Node/IT2EC/H2020/826589/EU/Metrology Advances for Digitized ECS industry 4.0/MADEin4EURAMET/EMPIR/20IND04/EU/Traceable metrology of soft X-ray to IR optical constants and nanofilms for advanced manufacturing/ATMOCEC/HE/101096772/EU/14 Angstrom CMOS IC technology/14ACMO
Optische Leistungsoptimierung von VCSELs nach dem Wachstumsprozess mithilfe monolithischer Hochkontrast-Gitterspiegel
No full textThis dissertation explores the replacement of the majority of the top coupling distributed Bragg reflector (DBR) of a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) with a monolithic high contrast gratings (MHCGs) as an alternative VCSEL design. Only needing one fabrication layer, the MHCG is fully defined by its three geometric parameters the grating period P, the grating fill factor F, and the grating height H, which in turn define its reflective properties, such as resonance wavelength and side mode suppression. By making the MHCG the dominant factor in the reflective properties of the top mirror we want to exploit it as a flexible tool to engineer the emission characteristics of a composite MHCG DBR VCSEL. Even though the epitaxial material used in this study does not allow a large tuning of the emission wavelength, this work is indented as a proof-of-concept that multiple sets of grating geometries exist for the same epitaxial structure which can sustain lasing. Within this work we fabricate and characterize composite MHCG DBR VCSELs with a systematic variation of the grating period P, the grating fill factor F, and the oxide aperture diameter phi and investigate the influence of these design parameters on the VCSEL performance. The results of the MHCG VCSELs are compared to measurements of epitaxially identical double DBR VCSELs to directly contrast benefits and drawbacks of this alternate VCSEL design. The thesis also describes a processing flow to fabricate MHCGs with a large geometric variety by means of electron beam lithography and integrate them into a subsequent ultra-violet lithography process flow without the need of resource intensive computing for proximity corrections. Furthermore, this work suggests and demonstrates a process flow that allows the transfer of VCSEL arrays onto a Si substrate, paving the way for GaAs-based semiconductor lasers on silicon-based integrate photonic chips as well as exposing the backside of the transferred mesa, as a first step towards the fabrication of a VCSEL structure with MHCGs on both sides.
During the characterization of the fabricated devices we report record static light output power-current-voltage (LIV) performance for our MHCG DBR VCSELs with threshold currents as low as 0.25 mA, wall plug efficiencies of 8%, optical output powers exceeding 1.6 mW, and stable linearly polarized emission with orthogonal polarization suppression ratios (OPSRs) > 33 dB. By varying the grating designs, record current-induced wavelength tuning ranges up to 13.4 nm (multi-mode) and 9 nm (single-mode) and single-mode emission with a side-mode suppression ratio (SMSR) of up to 46 dB and > 40 dB even beyond thermal rollover are achieved. Moreover, the MHCG DBR VCSELs feature excellent thermal properties with thermal resistance of only 2.46 K/mW, and we observe grating design-dependent side-mode suppression behavior; from a normal oxide aperture diameter dependent number of side modes up to oxide aperture diameter independent single-mode emission up to a 9 µm oxide aperture diameter. We show a grating geometry dependent emission wavelength tuning of 6 nm, which exceeds the simulations for this epitaxial structure and showcases the potential for post growth resonance wavelength tuning via the MHCG geometry. We show that the emission wavelength tuning is mainly limited by the remaining DBR pairs in the top coupling mirror and show a potential of e.g. 25 nm tuning for a MHCG-only top mirror. As such this work paves the way for multi-wavelength 2D VCSEL arrays fabricated on the same wafer piece.
This work further reports the first small-signal modulation frequency response measurements of MHCG based VCSELs with record bandwidths up to 25 GHz for single-mode MHCG DBR VCSELs and up to 30 GHz for two- and three-mode MHCG DBR VCSELs, which was also the maximum achieved by the double DBR VCSELs of the same epitaxial material. This shows, that the MHCG design puts no fundamental limit to the modulation bandwidth of the epitaxial material. Additionally, we investigate the influence of the grating design on the dynamic VCSEL properties. The highest modulation bandwidths are achieved at significantly larger oxide aperture diameters compared to the double DBR VCSEL design, reducing the current densities during operation and promising improved device life times. Furthermore, by replacing the majority of the p-doped DBR the input impedance and thus the ohmic losses of the MHCG VCSEL are reduced significantly from 150 to 25 Ohms.
This work demonstrates that MHCGs, as a key source of optical power reflectance, can be strategically designed to tailor a VCSEL's output characteristics. By varying the MHCG geometry, we can produce side-by-side VCSELs (on the same epitaxial wafer) with vastly different emission and performance properties.Diese Thesis untersucht das Austauschen des größten Teils des oberen Distributed Bragg Reflectors (DBR) eines Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) mit einem Monolithic High Contrast Gratings (MHCGs) als ein alternatives VCSEL-Design. Ein MHCG benötigt lediglich eine Schicht zur Herstellung und ist vollständig über seine drei geometrischen Parameter die Gitterperiode P, den Füllfaktor F und die Gitterhöhe H beschrieben. Diese wiederum definieren die Reflexions-Eigenschaften des Gitters, wie beispielsweise die Resonanzwellenlänge oder die Seitenmodenunterdrückung. Indem wir das MHCG zum dominanten Faktor der Reflexionseigenschaften des oberen Spiegels machen, möchten wir es als flexibles Werkzeug für die Gestaltung der Emissionscharakteristik eines kombinierten MHCG DBR VCSELs nutzen. Auch wenn das epitaktische Material, das im Rahmen dieser Thesis verwendet wird, selbst keine weite Abstimmung der Emissionswellenlänge zulässt, soll diese Arbeit als ”proofof- concept” fungieren, dass sich für das gleiche epitaktische Material mehrere Gittergeometrien finden lassen, die Lasing ermöglichen. Im Rahmen der Arbeit werden hybride MHCG DBR VCSEL mit einer systematischen Variation der Gitterperiode, des Füllfaktors und des Oxidaperturdurchmessers hergestellt und charakterisiert und dabei der Einfluss dieser Design-Parameter auf die VCSELPerformance untersucht. Die Ergebnisse werden mit denen epitaktisch identischer doppel-DBR VCSELs verglichen, um die Vor- und Nachteile unseres alternativen VCSEL-Designs klar herauszustellen. Des weiteren liefert die Arbeit eine detaillierte Beschreibungen des Herstellungsprozesses für MHCGs mit einer Vielzahl von geometrischen Variationen mittels Elektronenstrahl-Lithographie, welcher die Integration des Gitters in eine UV-Lithographie-basierte Struktur und deren Herstellungsprozess ohne rechenintensive Proximity-Correction erlaubt. Darüber hinaus beschreibt und demonstriert die Arbeit einen weiteren Herstellungsprozess, welche den Transfer von VCSEL-Arrays auf ein neues (bspw. Silizium-) Substrat ermöglicht und die Rückseite der transferierten Mesen freilegt. Dies bildet den ersten Schritt für die Integration GaAs-basierter Laserquellen auf Si-basierten integrierten Photonischen Chips und hin zu einem VCSEL, dessen oberer und unterer Spiegel ein MHCG ist.
Im Zuge der Charakterisierung der selbst hergestellten MHCG VCSEL zeigen wir mehrere Rekorde in den statischen Licht-Leistungs-Strom-Spannungs Messungen (LIV), wie zum Beispiel niedrige Schwellströme von 0.25 mA, Wall Plug Effizienzen von 8%, optische Ausgangsleistungen von 1.6 mW und stabile linear-polarisierte Emission mit einer othogonalen Polarisationsunterdrückung > 33 dB. Durch die verschiedenen Gittergeometrien können Strom-induzierte Wellenlängenverschiebungen von bis zu 13.4 nm für Multi-modale Emission und 9 nm für singlemode Emission beobachtet werden. Singlemode Emissionen zeigen dabei bis zu 46 dB Seitenmodenunterdrückung, die auch jenseits des Rolloverstroms noch bei > 40 dB liegt. Des weiteren zeigen die MHCG VCSEL hervorragende thermische Eigenschaften mit einem überraschend niedrigem thermischen Widerstand von 2.46 K/mW und abhängig von ihrem Gitterdesign verschieden Seitenmodenunterdrückung; von normaler OXidapertur abhängiger Anzahl an Seitenmoden bis hin zu Oxidapertur unabhängiger Singlemode Emission bis zu einem Oxidaperturdurchmesser von 9 μm. Ebenfalls nachgewiesen werden kann eine Verschiebung der Emissionswellenlänge auf Basis der Gittergeometrie von 6 nm. Dies übertrifft die Erwartungen durch die Simulationen für das epitaktische Material und demonstriert, die von diesen prognostizierte mögliche Resonanzwellenlängenverschiebung ohne Veränderung der epitaktischen Struktur, alleinig über die Gittergeometrie. Wir zeigen weiter, dass diese Resonanzwellenlängenverschiebung einzig durch die verbleibenden DBR-Paare im oberen hybriden MHCG-DBR-Spiegel limitiert ist, und bspw. für einen reinen MHCG-Spiegel auf bis zu 25 nm ausgeweitet werden könnte. Damit bereitet diese Arbeit einen wichtigen Beweis für die These einer Resonanzwellenl ängenverschiebung über das MHCG und den Weg hin zu 2D-VCSEL-Arrays mit verschieden Emissionswellenlängen auf Basis des gleichen Wafermaterials.
Über die statischen Messergebnisse hinaus liefert diese Arbeit auch zum ersten Mal Messungen zu Klein-Signal-Modulation von MHCG-basierten VCSELn und weist Modulationbandbreiten von bis zu 25 GHz für Single-Mode und bis zu 30 GHz für Dual-Mode MHCG VCSELs nach, was auch die maximal erreichte Modulationsbandbreite der Doppel-DBR-VCSEL des gleichen epitaktischen Materials markiert. Damit zeigen wir, dass das MHCG-Design die maximal erreichbare Modulationsbandbreite des zugrunde liegenden epitaktischen Materials nicht fundamental limitiert. Weiterhin wird der Einfluss der Gittergeometrie auf das dynamische VCSEL-Verhalten untersucht. Wir stellen fest, dass die maximalen Modulationsgeschwindigkeit bei wesentlich größeren Aperturdurchmessern erreicht werden (im Vergleich zu Doppel-DBR-VCSELn), was die vorherrschenden Stromdichten im Laser signifikant reduziert und damit die Lebenserwartung des Bauteils erhöht. Auch lässt sich festhalten, dass das Ersetzten großer Teile des p-dotierten oberen DBR-Spiegels den Eingangswiderstand und damit auch die ohmischen Verluste von MHCG VCSELn drastisch von 150 zu 25 Ω reduziert.
Die Thesis demonstriert, dass MHCGs als Hauptquelle von Reflektivität optischer Leistung strategisch designet werden können, um die Ausgangseigenschaften von VCSELn gezielt zu manipulieren. über die Variation der Gittergeometrie können auf dem selben Wafer-Stück in unmittelbarer Nähe zu einander VCSEL mit drastisch verschieden Emissions- und Leistungseigenschaften produziert werden
Development of a tactile plant recognition system for tool control of agricultural machinery
No full textGeräte und Verfahren zur mechanischen Unkrautregulierung im Ackerbau erfahren in den vergangenen Jahren eine Renaissance. Eine automatisierte Pflanzenerkennung und präzise Werkzeugsteuerung sind Voraussetzungen für effektive und effiziente Bearbeitungsgänge. Frühe Bearbeitungstermine bezogen auf die Kulturpflanzenentwicklung sichern einen dauerhaften Wachstumsvorsprung vor Unkräutern. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung einer taktilen Einzelpflanzenerkennung sowie der Durchführung von Feldversuchen zur Ermittlung des Potentials einer vollflächigen mechanischen Unkrautregulierung mit gesteuerten Hackwerkzeugen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Kulturpflanzen in einer Reihe taktil zu erkennen und Werkzeuge darauf basierend zu steuern und so einen Beitrag zur Verbesserung der mechanischen Unkrautregulierung zu leisten. Durch die Feldversuche werden die Effekte der Unkrautregulierung auf die Unkrautanzahl und den Kulturpflanzenertrag quantifiziert. Für die Entwicklung und in den Feldversuchen wird Mais als Kulturpflanze fokussiert.
Die experimentell ermittelte Widerstandskraft von Maispflanzen gegen Biegung liegt zwischen 0,06 und 0,08 N zum frühestmöglichen Bearbeitungstermin. Dieser Wertebereich dient als Grundlage für die Komponentenauslegung der Einzelpflanzenerkennung. Diese ist aus einem vorgespannten Taster, einem Übertragungsgetriebe und einem Linearmotor aufgebaut. Infolge eines Pflanzenkontakts wird der Taster ausgelenkt und die Bewegung über das Getriebe auf den Linearmotor übertragen. Eine einstellbare Strombegrenzung des Linearmotors stellt zusammen mit einer Positionsregelung einen beweglichen und einen festen Betriebsmodus bereit. Im erstgenannten Modus erfolgt ein Ausweichen des Tasters, während dieser im letztgenannten Modus durch einen hohen Strom bis zur maximalen Motorkraft fixiert wird. Die Entwicklung und Komponentenauslegung werden durch Simulationen zum Bewegungsverhalten unterstützt. Im Rahmen von Prüfstandsversuchen mit Dummypflanzen beträgt die Erkennungsrate 86 bis 100 % und ist abhängig von Betriebsmodus, Reihengeometrie und Fahrgeschwindigkeit. In Feldtests konnte eine Erkennungsrate von 74 bis 98 %, bezogen auf die taktil er-kennbaren Maispflanzen, nachgewiesen werden.
Die Ergebnisse der dreijährigen Feldversuche bestätigen das Potential der mechanischen Unkrautregulierung. Das Hacken im inter- und intra-row Bereich wurde mit einer chemischen Kontrollvariante, einer Nullvariante und dem Hacken nur im inter-row Bereich verglichen. Die Unkrautanzahl wird infolge der verschiedenen Bearbeitungen auf allen Flächen verringert. In acht der insgesamt neun Versuche ist der Ertrag in der Variante des vollflächigen Hackens am höchsten, wobei in einem Fall ein signifikanter Unterschied vorliegt. Der Ertrag dieser Variante ist in keinem Fall signifikant geringer als der Ertrag der chemischen Vergleichsvariante, die den aktuellen Stand der Praxis darstellt.Equipment and methods for mechanical weed control in arable farming have experienced a renaissance in recent years. Automated plant recognition and precise tool control are prerequisites for effective and efficient cultivation processes. Early tillage dates in relation to crop development ensure a long-term growth advantage compared to the weeds. This dissertation deals with the development of a tactile individual plant recognition system and the implementation of field trials to determine the potential of full-area mechanical weed control with actively controlled tools. The aim of this work is to recognise crop plants in a row by tactile means and to control tools based on this, thus contributing to the improvement of mechanical weed control. The field trials quantify the effects of weed control on the number of weeds and the crop yield. For the development and in the field trials, the focus is on maize as a crop plant.
The experimentally determined resistance of maize plants to bending is between 0.06 and 0.08 N at the earliest possible processing date. This range of values serves as the basis for the component design of the individual plant detection system. The system consists of a pretensi-oned feeler, a transmission gearbox and a linear motor. As a result of plant contact, the feeler is deflected and the movement is transferred to the linear motor via the gearbox.
An adjustable current limitation of the linear motor, together with a position control, provides a movable and a fixed operating mode. In the former mode, the feeler moves out of the way, while in the latter mode it is fixed by a high current up to the maximum motor force. The development and component design are supported by simulations of the movement behavior. In test bench trials with dummy plants, the detection rate is 86 to 100 % and depends on the operating mode, row geometry and travelling speed. In field tests, a detection rate of 74 to 98 % was demonstrated in relation to the tactilely recognisable maize plants.
The results of the three-year field trials confirm the potential of mechanical weed control. Hoeing in the inter-row and intra-row areas was compared with a chemical control variant, a zero variant and hoeing only the inter-row area. The number of weeds is reduced on all plots as a result of the different treatments. In eight of the nine trials, the yield is highest in the full-area hoeing variant, with a significant difference in one case. In no case is the yield of this variant significantly lower than the yield of the chemical comparison variant, which represents the current state of practice
Improved error bounds for the deflated multi-preconditioned CG method
No full textPreconditioning and deflation are well-known techniques to speed up the convergence of the CG method. The concept of multiple-preconditioning however is introduced in the last decade. Recently, in [21], a new adaptive preconditioned CG method is established that combines all these techniques. The main tool of the adaptive method is a new error bound for the deflated preconditioned CG method. Using this bound it is decided in each iteration if the deflated preconditioned CG method is sufficient in reducing the error or whether an acceleration by performing iterations of the multi-preconditioned CG method is needed. Here we improve this error bound. This new bound contributes to the theory of deflation methods but can also lead to new decision rules for the adaptive multi-preconditioned CG method.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Regulatory sandboxes as an innovative platform for testing Cannabis edibles in Germany
No full textThis paper explores the effectiveness of using Regulatory Sandboxes (RS) to legalize THC edibles in Germany. While RSs have been extensively studied in sectors like Fintech and Healthtech, their application in introducing novel cannabis products or services remains underexplored. Utilizing Qualitative Comparative Analysis (QCA) across three countries namely Brazil, the state of Arizona and Thailand, we identify potential conditions for successful implementation of RS in the cannabis industry. Consequently, we propose the establishment of a tailored RS in Germany for cannabis edibles, aiming to foster innovation and drive revenue within the cannabis sector. The paper introduces a novel concept and paves the way for more research in the fields of RS and cannabis.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
(Foto-)elektrochemische Aufwertung von Glycerin: von der Thermodynamik zur Geräteentwicklung
No full textThis thesis explores the glycerol oxidation reaction (GOR) as an alternative anodic pathway in photoelectrochemical (PEC) systems, advancing both fundamental understanding and practical implementation. GOR offers a compelling opportunity for the valorisation of glycerol, a major byproduct of biodiesel refining, while lowering the energetic cost of any electrochemical process that is coupled with it, as for example hydrogen production, CO2 electroreduction and ammonia synthesis.
A rigorous thermodynamic analysis reveals that, although most GOR pathways are endergonic, they remain up to 96% less energy demanding than OER, establishing GOR as a superior anodic partner for hybrid electrolysis or the coupling with other cathodic reactions such as CO2RR and N2RR. However, this study also demonstrates that thermodynamics alone cannot dictate selectivity toward desired C₃ products such as dihydroxyacetone, glyceraldehyde, and glyceric acid. Overall, the effect of temperature on selectivity was found to be minor, as the energetics of both desired and undesired side reactions scale in a similar manner. Among all studied parameters, pH and applied potential exert the strongest influence on the product distribution. Alkaline conditions favour the formation of glycolic acid, formic acid, and CO₂, while acidic media promotes the oxidation of aldehydes to their corresponding carboxylic acids, as well as the further oxidation of formic acid to CO₂. Conversely, increasing the applied potential enhances multi-electron transfer processes, with the direct oxidation of glycerol to glyceric acid and formic acid emerging as the most favoured reaction.
To overcome the limitations on selectivity, imposed by the thermodynamics of the reaction, the concept of electrolyte-driven selectivity is introduced. Here, borate buffer stops being only the supporting electrolyte that increases the conductivity of the solution but plays an active role by forming coordination complexes with glycerol. These complexes are shown to stabilize C₃ intermediates, enabling a shift in product distribution away from low value C₁–C₂ species. These finding positions electrolyte design as a powerful and underexplored lever in PEC-GOR, complementing traditional catalyst-focused approaches. At the materials level, Co doped BiVO₄ emerges as a stable and efficient photoanode, proving the feasibility of integrating complexation chemistry with PEC operation.
Finally, device-scale analyses demonstrate that the physicochemical properties of glycerol, particularly its density and viscosity, can induce transport instabilities and crossover in membraneless photoelectrochemical (PEC) systems. In addition, both the device geometry and electrolyte composition strongly influence ohmic losses and the overall system performance. Through 3D simulations, this work proposes design strategies to mitigate these effects, including the use of matched electrolyte compositions, optimized flow conditions, and compact reactor architectures.
Together, these contributions establish PEC-GOR as more than a laboratory curiosity: they chart a path toward a scalable, selective, and energy-efficient technology for sustainable biomass valorisation. By uniting thermodynamic insight, coordination chemistry, and device engineering, this thesis provides a framework that redefines the role of anodic reactions in photoelectrochemistry and opens new avenues for the integration of renewable energy and green chemistry.Diese Arbeit untersucht die Glycerinoxidationsreaktion (GOR) als alternativen anodischen Weg in photoelektrochemischen (PEC) Systemen und fördert sowohl das grundlegende Verständnis als auch die praktische Umsetzung. GOR bietet eine überzeugende Möglichkeit zur Verwertung von Glycerin, einem wichtigen Nebenprodukt der Biodieselraffination, und senkt gleichzeitig die Energiekosten aller damit verbundenen elektrochemischen Prozesse, wie beispielsweise der Wasserstofferzeugung, der CO2-Elektroreduktion und der Ammoniaksynthese.
Eine strenge thermodynamische Analyse zeigt, dass die meisten GOR-Reaktionswege zwar endergonisch sind, aber dennoch bis zu 96 % weniger Energie benötigen als OER, wodurch sich GOR als überlegener anodischer Partner für die Hybridelektrolyse oder die Kopplung mit anderen kathodischen Reaktionen wie CO2RR und N2RR etabliert. Diese Studie zeigt jedoch auch, dass die Thermodynamik allein nicht die Selektivität gegenüber gewünschten C₃-Produkten wie Dihydroxyaceton, Glyceraldehyd und Glycerinsäure bestimmen kann. Insgesamt wurde festgestellt, dass der Einfluss der Temperatur auf die Selektivität gering ist, da die Energetik sowohl der gewünschten als auch der unerwünschten Nebenreaktionen in ähnlicher Weise skaliert. Von allen untersuchten Parametern haben der pH-Wert und das angelegte Potential den stärksten Einfluss auf die Produktverteilung. Alkalische Bedingungen begünstigen die Bildung von Glykolsäure, Ameisensäure und CO₂, während saure Medien die Oxidation von Aldehyden zu ihren entsprechenden Carbonsäuren sowie die weitere Oxidation von Ameisensäure zu CO₂ fördern. Umgekehrt verstärkt eine Erhöhung des angelegten Potentials die Multi-Elektronentransferprozesse, wobei die direkte Oxidation von Glycerin zu Glycerinsäure und Ameisensäure als die bevorzugte Reaktion hervorgeht.
Um die durch die Thermodynamik der Reaktion bedingten Einschränkungen hinsichtlich der Selektivität zu überwinden, wird das Konzept der elektrolytgetriebenen Selektivität eingeführt. Dabei fungiert der Boratpuffer nicht mehr nur als Stützelektrolyt, der die Leitfähigkeit der Lösung erhöht, sondern spielt eine aktive Rolle, indem er Koordinationskomplexe mit Glycerin bildet. Diese Komplexe stabilisieren nachweislich C₃-Zwischenprodukte und ermöglichen so eine Verschiebung der Produktverteilung weg von den weniger wertvollen C₁–C₂-Spezies. Diese Erkenntnisse positionieren das Elektrolyten-Design als einen leistungsstarken und noch wenig erforschten Hebel in der PEC-GOR und ergänzen damit traditionelle, auf Katalysatoren fokussierte Ansätze. Auf Materialebene erweist sich Co-dotiertes BiVO₄ als stabile und effiziente Photoanode und beweist damit die Machbarkeit der Integration von Komplexchemie in den PEC-Betrieb.
Schließlich zeigen Analysen auf Geräteebene, dass die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Glycerin, insbesondere seine Dichte und Viskosität, Transportinstabilitäten und Crossover in membranlosen photoelektrochemischen (PEC) Systemen verursachen können. Darüber hinaus haben sowohl die Gerätegeometrie als auch die Elektrolytzusammensetzung einen starken Einfluss auf die ohmschen Verluste und die Gesamtleistung des Systems. Anhand von 3D-Simulationen werden in dieser Arbeit Designstrategien vorgeschlagen, um diese Effekte zu mindern, darunter die Verwendung abgestimmter Elektrolytzusammensetzungen, optimierte Strömungsbedingungen und kompakte Reaktorarchitekturen.
Zusammen machen diese Beiträge PEC-GOR zu mehr als nur einer Labor-Kuriosität: Sie ebnen den Weg für eine skalierbare, selektive und energieeffiziente Technologie zur nachhaltigen Verwertung von Biomasse. Durch die Verbindung von thermodynamischen Erkenntnissen, Koordinationschemie und Gerätetechnik bietet diese Arbeit einen Rahmen, der die Rolle anodischer Reaktionen in der Photoelektrochemie neu definiert und neue Wege für die Integration von erneuerbaren Energien und grüner Chemie eröffnet
Ein umfassender Modellierungsansatz für urbane Regen-Abfluss-Simulation
No full textUrban flood modeling is a prevalent research topic worldwide, including surface flow, underground drainage flow and especially the inevitable flow connecting with underground infrastructures in highly urbanized areas. A comprehensive modeling approach and effective mitigation measures are necessary for urban risk assessment and management. Herein in this work, surface flow modeling was first investigated based on an experiment; then, the underground modeling system was included by a coupled model proposed in this work; finally, urban rainfall - runoff simulations were carried out accounting for different spatial and temporal resolutions of rain data and further mitigation effect of rain garden.
In pure surface flow modeling, depth-dependent roughness and infiltration methods were numerically investigated based on rainfall - runoff experiments, under two conditions in terms of traditional and LID (Low Impact Development measures) surface conditions, different slopes and rainfall intensities. First, observed runoff data has been used to calibrate the model parameters for the depth - dependent roughness and infiltration approaches for both traditional and LID surfaces. The calibrated parameter values then have been applied to validate other two rainfall events. High NSE Coefficient (Nash-Sutcliffe Efficiency) and low SDR (Standard Deviation R) values were obtained, indicating a satisfied agreement between simulated results and observed data for both calibration and validation cases. Then, further comparison of constant and depth - dependent methods clearly pointed out the superiority of the latter methods, as they led to much better evaluation criteria. In addition, the depth-dependent roughness method ensured stability. We also refer to Mügler et al. (2011a) who compared four roughness methods within one case study also proving that the best results were obtained with a water depth-dependent Manning law. The results demonstrated the superiority of the depth - dependent infiltration method when compared to constant infiltration and the necessity of the depth - dependent roughness approach for accuracy and stability reasons. The methods implemented here might also improve other shallow water models.
In coupling between the hydrodynamic surface flow model and the underground drainage system, large underground urban infrastructures were explored especially. While several similar coupled models existed, none of them ever have been used to include large underground urban infrastructures such as transportation tunnels, metro stations or car parks. This, however, is quite important on the one hand to simulate flooding and associated risks within these underground infrastructures; on the other hand, to have a correct representation of the surface flow processes in the surroundings where the underground infrastructures are connected to the surface flow. First, a bidirectional coupling between the open-source surface flow solver hms++ (Hydroinformatics Modeling System) and the SWMM (Storm Water Management Model), which was realized as a plugin, was enabled allowing its capability to be loaded at runtime without changing the hms++ code. Second, the coupled model was verified using an idealized case with separated surface catchments connected via a subsurface link, to establish plausibility and mass conservation. Then, the results of a classic validation case consisting of a system of pipes splitting into parallel paths and reuniting were compared to those obtained with the commercial tool InfoWorks ICM, demonstrating close alignment between the two. Third, the extended hms++ model was applied to two real-world cases, a metro station and a transportation tunnel which both have been idealized as large underground pipes. While the pure surface flow model predicted implausible backwaters at the metro station entrance and the transportation tunnel portals, the coupled model correctly eliminated these backwaters by modeling inflow into the metro station and the transportation tunnel. This further enabled investigating water depths and flow velocities within the metro station and the transportation tunnel and in the latter risks for human stability and recommendations for vehicle speeds were assessed. Overall, the extended coupled hms++ model has demonstrated its capabilities to qualitatively and quantitatively account for large underground urban infrastructures and thus to contribute to representation of urban flooding processes in a more precise way than offering a parameterization of pipe flow capacity and drainage overflow.
In the application of the proposed rainfall – runoff model, different spatial and temporal rainfall resolutions, including spatial temporal distribution (TSD), temporal uniform (TU), spatial uniform (SU), spatial uniform reverse (SU_R), and spatial temporal uniform (TSU), and the mitigation effect of green infrastructure were explored. The TSD rainfall data, which accounts for both spatial and temporal variability, provided reference for flood extent and depth in this application. First, the analysis among different rain data resolutions with surface - only model revealed that both spatial and temporal characteristics of rain data affect inundation, spatial resolutions (SU, SU_R and TSU) performed stronger effect than temporal resolution (TU), with respect to the maximum inundation depth in this case. Second, incorporating drainage systems, the comparison between the surface model and the coupled model over different rain data resolutions highlighted the critical role of drainage systems in altering urban flood dynamics, both in inundation time and depth. A larger reduction on final inundated depth than the maximum inundated depth indicated that the drainage system was more efficient in after-peak water removal than in peak attenuation. This further suggests that current drainage systems are more suited for accelerating inundation in recession periods rather than limiting the peak severeness. With regard to the reduction peak inundated depth caused by drainage system, the largest occurred in TU resolution among those five resolutions. Third, the analysis among those rain resolutions with the coupled mode showed that, ignoring spatial variability (SU resolution) led to increased peak inundation volume compared with TSD, while temporal smoothing of rainfall (TU and TSU resolutions) led to substantial reductions in peak inundation volume but advanced the onset of inundation time and delayed the peak arrival. This indicated that neglecting temporal variability would distort the timing of urban flood response even if overall flooding appears reduced. Furthermore, for effect of different rain resolutions on drainage outfalls outflow displayed that, SU, TU, and TSU resolutions delayed outflow peak at both observed outfalls compared to the TSD resolution, only SU_R advances it. These changes highlighted the sensitivity of drainage system response to rainfall structure in spatial and temporal. In the end, the exploration of rain garden as a mitigation measure under three rainfalls was investigated. Optimal placement of rain gardens in areas with higher runoff accumulation significantly reduced flood depths at selected hot spot, indicating that the potential of nature-based solutions in urban flood mitigation. With the simulated rain cases, the effectiveness of rain gardens in reducing surface inundation diminished with increasing storm intensity was demonstrated. And the implementation of a rain garden significantly alters the hydrodynamic response across different storm return periods. These results indicated that while rain gardens effectively mitigate flood depth under moderate storms, their performance becomes weaker under extreme events. These findings provided insights for urban planners and policymakers in designing resilient flood management systems that integrated accurate modeling, high-resolution data and sustainable mitigation practices.
Overall, this work proposed a comprehensive modeling approach for simulating urban areas including drainage systems and large underground infrastructures. With the development of depth - dependent roughness and infiltration methods, the investigation of spatial and temporal rainfall resolutions and the application green infrastructures - the rain garden, the model was successfully applied to several test cases and real urban areas. The exploration of rain data resolutions and rain garden cases offered insights into their respective impacts on surface runoff dynamics, drainage performance and the overall effectiveness of mitigation strategies in urban flood scenarios.Die Modellierung urbaner Überflutungen stellt weltweit ein hochaktuelles Forschungsthema dar. Sie umfasst sowohl die Oberflächenabflüsse als auch die unterirdischen Entwässerungssysteme – insbesondere jedoch die unvermeidbaren Fließverbindungen mit unterirdischen Infrastrukturen in stark urbanisierten Gebieten. Für eine fundierte Risikobewertung und ein effektives Management urbaner Überflutungsgefahren ist ein umfassender Modellierungsansatz in Kombination mit geeigneten Minderungsmaßnahmen erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Modellierung von Oberflächenabfluss auf Basis experimenteller Untersuchungen behandelt. Anschließend erfolgt die Einbindung des unterirdischen Systems durch ein in dieser Arbeit entwickeltes gekoppeltes Modell. Schließlich werden Niederschlag-Abfluss-Simulationen durchgeführt, bei denen unterschiedliche räumliche und zeitliche Auflösungen der Niederschlagsdaten auf die Oberflächenabflüsse sowie mögliche Minderungsmaßnahmen untersucht werden.
Im ersten Schritt wurden im Rahmen der reinen Oberflächenabflussmodellierung tiefenabhängige Rauigkeits- und Infiltrationsansätze numerisch auf Grundlage von Niederschlag-Abfluss-Experimenten untersucht – unter variierenden Bedingungen in Bezug auf LID- (Low Impact Development) und traditionelle Oberflächen, unterschiedliche Längsgefälle sowie variierende Niederschlagsintensitäten. Beobachtete Abflussdaten wurden zunächst zur Kalibrierung der Modellparameter der tiefenabhängigen Ansätze verwendet. Die kalibrierten Parameter wurden anschließend zur Validierung zweier weiterer Niederschlagsereignisse herangezogen. Hohe Nash-Sutcliffe-Effizienzen (NSE) und niedrige Standardabweichungen (SDR) belegen eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung. Der Vergleich mit konstanten Ansätzen zeigt deutlich die Überlegenheit der tiefenabhängigen Methoden, insbesondere hinsichtlich Stabilität und Modellgenauigkeit. Auch frühere Studien (z. B. Mügler et al., 2011a) belegen die Vorteile einer wasserstandabhängigen Rauigkeitsformulierung nach Manning. Die hier implementierten Ansätze können auch zur Verbesserung anderer Flachwassermodelle beitragen.
Im zweiten Schritt wurde ein bidirektional gekoppeltes Modell zwischen dem Open-Source-Oberflächenmodell Hydroinformatics Modeling System (hms++) und dem Storm Water Management Model (SWMM) entwickelt. Dieses wurde als Plugin realisiert und erlaubt die dynamische Kopplung zur Laufzeit ohne Änderung des Quellcodes von hms++. Die Kopplung wurde zunächst in einem idealisierten Szenario mit getrennten Einzugsgebieten über eine unterirdische Verbindung getestet, um Massenerhaltung und Plausibilität sicherzustellen. Anschließend wurde ein klassischer Validierungsfall – ein Leitungssystem mit paralleler Aufspaltung der Abflüsse und Wiedervereinigung – mit den Ergebnissen des kommerziellen Werkzeugs InfoWorks ICM verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung erzielt wurde. Schließlich wurde das erweiterte Modell auf zwei reale urbane Fälle angewendet: ein U-Bahnhof und ein Verkehrstunnel, idealisiert als große unterirdische Röhren. Während das reine Oberflächenmodell an den Zugängen zu diesen Infrastrukturen unrealistische Rückstauphänomene prognostizierte, konnte das gekoppelte Modell diese durch die Simulation von Zuflussvorgängen in die Untergrundstrukturen plausibel abbilden. Dies ermöglichte darüber hinaus Analysen zu Wasserständen und Fließgeschwindigkeiten innerhalb der unterirdischen Infrastrukturen sowie Bewertungen hinsichtlich Personensicherheit und Fahrempfehlungen für Autos. Insgesamt zeigt das erweiterte hms++-Modell, dass durch explizite Einbindung großer unterirdischer Infrastrukturen die Prozesse urbaner Überflutung sowohl qualitativ als auch quantitativ besser abgebildet werden können als durch einfache Parametrisierung von Kanalüberlauf und -kapazitäten.
Im dritten Schritt wurden mit dem gekoppelten Modell die Auswirkungen unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Auflösungen von Niederschlagsdaten sowie von Maßnahmen der grünen Infrastruktur auf den Oberflächenabfluss untersucht. Der Vergleich zwischen reinem Oberflächenmodell und dem gekoppelten Modell unterstreicht die Bedeutung unterirdischer Entwässerungssysteme für Dynamik und Tiefe urbaner Überflutungen. Dabei zeigt sich, dass die Systeme effektiver in der Ableitung von Nachflutwasser als in der Dämpfung von Spitzenabflüssen sind. Dies weist darauf hin, dass bestehende Entwässerungssysteme vor allem zur Beschleunigung des Rückgangs von Überflutungen ausgelegt sind. Zudem beeinflussen die räumlichen und zeitlichen Merkmale der Niederschlagsverteilung (z. B. TSD, SU, TU, TSU) maßgeblich das Muster und den Zeitpunkt von Überflutungsereignissen. So führt das Vernachlässigen räumlicher Variabilität (SU) zu größeren Überflutungsvolumina, während zeitlich geglättete Niederschläge (TU, TSU) zu einem früheren Beginn und verzögerten Spitzenabflüssen führen. Auch die Abflussdynamik an Auslässen reagiert empfindlich auf die gewählte Niederschlagsstruktur. Darüber hinaus wurde der Einsatz von Rain Gardens als Minderungsmaßnahme unter drei Niederschlagsereignissen analysiert. Dabei zeigte sich, dass eine gezielte Platzierung der Rain Gardens an stark belasteten Stellen die Überflutungstiefen signifikant reduzieren kann. Allerdings nimmt die Wirksamkeit der Rain Gardens mit zunehmender Niederschlagsintensität ab, was die Grenzen naturbasierter Lösungen bei Extremereignissen aufzeigt.
Zusammenfassend wurde ein umfassender Modellierungsansatz zur Simulation urbaner Überflutungsprozesse unter Berücksichtigung von Entwässerungssystemen und großräumigen unterirdischen Infrastrukturen entwickelt. Durch die Einführung tiefenabhängiger Parameter, die Untersuchung von Regenauflösungen sowie die Bewertung von grünen und grauen Infrastrukturen konnte das Modell erfolgreich in verschiedenen urbanen Szenarien getestet werden. Es bietet somit ein übertragbares und robustes Werkzeug für zukünftige Anwendungen in der urbanen Überflutungsmodellierung
Non-negative sparse recovery at minimal sampling rate
No full textIt is known that sparse recovery is possible if the number of measurements is in the order of the sparsity, but the corresponding decoders either lack polynomial decoding time or robustness to noise. Commonly, decoders that rely on a null space property are being used. These achieve polynomial time decoding and are robust to additive noise but pay the price by requiring more measurements. The non-negative least residual has been established as such a decoder for non-negative recovery. A new equivalent condition for uniform, robust recovery of non-negative sparse vectors with the non-negative least residual that is not based on null space properties is introduced. It is shown that the number of measurements for this equivalent condition only needs to be in the order of the sparsity. Further, it is explained why the robustness to additive noise is similar, but not equal, to the robustness of decoders based on null space properties.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202