Technische Universität Dresden: Qucosa
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Entwicklung und Einsatz eines integrierten Feedback-Systems für E-Tutor:innen in einer virtuellen Lernumgebung
No full textDigital Education: Virtual SpacesAus dem Text: Die zunehmende Digitalisierung in allen Lebensbereichen stellt Bildungsinstitutionen wie Universitäten und Hochschulen vor neue Herausforderungen und Möglichkeiten, die ein Hinterfragen traditioneller Lehrmethoden und -instrumente erforderlich machen (Rapanta et al. 2021). Virtuelle Lernumgebungen wie das Virtual Collaborative Learning Framework (VCL) (Balazs 2005) gewinnen an Bedeutung, da sie das Potenzial haben, die Kompetenzentwicklung von Studierenden zu verbessern und innovative Lehr- und Lernprozesse zu fördern (Herrera-Pavo 2021). In diesem Kontext werden auch 21st Century Skills diskutiert (Kennedy & Sundberg, 2020). Dazu zählen neben Kommunikation und sozialen Kompetenzen auch der Umgang mit digitalen Medien und das Agieren im virtuellen Raum, da diese auf dem Arbeitsmarkt zunehmend gefragt sind (Ehlers, 2020). Eine Empfehlung zum Vermitteln der 21st Century Skills an Hochschulen und Universitäten ist der verstärkte Einsatz von virtuellen Lernumgebungen (O’Dowd, 2021), bei denen nicht mehr hauptsächlich auf klassische Präsenzlehre gesetzt wird. Ein wesentlicher Bestandteil solcher virtuellen Lernumgebungen sind E-Tutor:innen (Kienzler et al., 2023; Langesee, 2023). E-Tutor:innen sind speziell qualifizierte Studierende, die ihre Kommiliton:innen in virtuellen Gruppenarbeiten begleiten und als primäre Ansprechpersonen für diese agieren (Jödicke & Teich, 2015). Diese Arbeit untersucht, wie E-Tutoring die Kompetenzen der Studierenden beeinflusst und wie ein integriertes Feedback-System für E-Tutor:innen entwickelt werden kann. Evaluationen durch Studierende sind bewährte Mittel zur Qualitätssicherung, werden aber oft nur für Lehrende genutzt. Studentische E-Tutor:innen sollten ebenfalls regelmäßig Feedback erhalten, um ihre Fähigkeiten zu verbessern. Diese Arbeit zielt darauf ab, ein Evaluationstool zu entwickeln, das Studierenden ermöglicht, ihren E-Tutor:innen strukturiertes Feedback zu geben. Zur Erreichung dieses Ziels wird ein Design-Prototyp entwickelt, der die Anforderungen von Studierenden und E-Tutor:innen berücksichtigt. Das Tool wird für Microsoft Teams konzipiert, um eine nahtlose Integration in virtuelle Lernumgebungen zu gewährleisten
Accelerating the Simulation of AMR Fleets Using VDA5050, LIF and Multi-Core Simulation
No full textDiscrete-event simulation is frequently used for designing autonomous mobile robot fleets in industrial logistics systems. Especially, when simulating largescale systems with big fleets, the complexity and effort for modelling increases strongly. The modelling lead-time and simulation runtime are critical factors in system design. In this context, this work explores the eligibility of VDA5050, LIF and Multi-Core-Simulation to reduce modelling lead-time and simulation run-time. The study uses an industrial case-study in a real-world system. Based on the case-study, this work illustrates the opportunities and limitations of VDA5050 and LIF in modelling and quantifies the reduction in runtime when using Multi-Core-Simulation
Automated layout creation in production planning
No full textFactory layout planning is a critical task in production engineering that requires balancing multiple objectives, spatial constraints, and evolving operational needs. Despite advances in algorithmic optimization, real-world planning remains a fragmented process in which logical structuring, geometric realization, and iterative improvement are often treated in isolation. This paper presents a structured, threephase framework for integrated layout design, developed following a Design Science Research approach. The framework comprises logical layout planning, algorithmic generation of spatial configurations, and simulation-informed optimization, with each phase linked through defined data and decision interfaces. An extensive literature review forms the basis for identifying suitable algorithms for each phase, including rule-based planning methods, clustering and graph models, heuristic and parametric layout generation techniques, and a range of optimization strategies from exact solvers to metaheuristics and hybrid simulation-optimization models. The proposed model not only provides a systematic approach to integrating algorithmic and human contributions in layout planning but also serves as a strategic tool for both researchers and practitioners, enabling context-sensitive method selection and facilitating datadriven decision-making in dynamic production settings
Enhancing Information Extraction for Simulation Modelling Using Large Language Models
No full textThis study investigates the application of Large Language Models (LLMs) for structured information extraction in the context of simulation modelling. Specifically, the performance of Meta-Llama-3-70B-Instruct was evaluated in extracting simulation model components—such as sources, process steps, and parameters—from unstructured textual descriptions of logistics systems. The evaluation compared zero-shot and few-shot prompting strategies and analysed model consistency across 50 repeated runs per prompt configuration. Metrics such as precision, recall, and F1-score were computed using fuzzy string matching. Results show that few-shot prompting improves extraction performance overall, with statistically significant gains in categories such as model parameters and sources. However, inconsistent effects were observed for other categories, including a decrease in key metrics identification. Variability analysis using the coefficient of variation revealed differing levels of output stability across categories and prompts. The findings indicate that few-shot prompting with carefully chosen examples enhances model reliability but may introduce risks of hallucinated outputs and prompt-specific overfitting. Recommendations are provided for prompt engineering in simulation modelling applications. Future work will consider other LLM architectures, dynamic prompt selection, and integration of external validation mechanisms
Proof Everything Everywhere But Not All At Once: A Robotic Case Study
No full textThis talk presents a robotic case study that demonstrates a modular and formal approach to verifying complex cyber-physical systems (CPS).
Using 'bigraphical reactive automata,' the talk models and proves correct behaviors in distributed robotic workcells, such as collision-free navigation, and cooperative pick-and-place tasks.
The study combines algebraic, geometric, and model-checking methods to make robotic proof construction scalable and interpretable.
That is, “everywhere,” across multiple subsystems or views, but “not all at once.”
It emphasizes compositional verification, modular scene decomposition for systematic robotic system design.:[English]
I Introduction
II Case Study: Robotic Workcell Demonstrator
III Modeling with Bigraphical Reactive Automata
IV Verification Methodology
* Algebraic-Geometric Proof Approach
* Model Checking
* Compositional Verification
V Representative Proofs
VI Outlook
VII Appendix
[German]
I Einleitung
II Fallstudie: Robotic Workcell Demonstrator
III Modellierung mit Bigraphischen Reaktiven Automaten
IV Verifikationsmethodik
* Algebraisch-geometrischer Beweisansatz
* Modellprüfung (Model Checking)
* Kompositionale Verifikation
V Beispielhafte Nachweise
VI Ausblick
VII Anhang(This talk was held during the 1st informal Bigraph Workshop on 'Bigraphs and Cyber-physical Spaces) at TU Dresden, Faculty of Computer Science.):[English]
I Introduction
II Case Study: Robotic Workcell Demonstrator
III Modeling with Bigraphical Reactive Automata
IV Verification Methodology
* Algebraic-Geometric Proof Approach
* Model Checking
* Compositional Verification
V Representative Proofs
VI Outlook
VII Appendix
[German]
I Einleitung
II Fallstudie: Robotic Workcell Demonstrator
III Modellierung mit Bigraphischen Reaktiven Automaten
IV Verifikationsmethodik
* Algebraisch-geometrischer Beweisansatz
* Modellprüfung (Model Checking)
* Kompositionale Verifikation
V Beispielhafte Nachweise
VI Ausblick
VII Anhan
Die Entwicklung und Bedeutung des seriellen Betonformsteinsystems anhand der Unterlagen aus dem Nachlass des Künstlers Friedrich Kracht unter Berücksichtigung der Doppelautorenschaft mit Karl-Heinz-Adler
No full textDie Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Bedeutung des 1973 zum Patent angemeldeten Seriellen Betonformsteinprogramms als wichtiges und bekanntes Element der sogenannten Ost- und Nachkriegsmoderne.
Anhand der gestalterischen Entstehung dieses speziellen seriellen Systems wird auch die Differenz zu anderen Formsteinen deutlich gemacht. Der im Aufbau enthaltene künstlerische Schaffensprozess eröffnet so den Diskurs um die Grenze zwischen Dekor und Kunst, die sich in der DDR gemäß dem Gebot des Sozialistischen Realismus' von der hier vorgeschlagenen Position unterschied.:1. Einleitung
2. Forschungsstand
3. Formsteinelemente im Kontext der Architektur
4. Formsteinwände im Kontext der Produktionsgenossenschaft Bildender Künstler Kunst am Bau in Dresden
5. Die Zusammenarbeit Friedrich Krachts und Karl-Hienz Adlers
5.1 Von der Grafik und der Malerei
5.2 Bis zum Formstein
5.3 Karl-Heinz Adler im Gespräch
6. So funktioniert der serielle Formstein: Optik, Geometrie und Wandelbarkeit des seriellen Betonformsteinprogramms
7. Aufträge, Katalog und Muster, Arbeitsablauf
7.1 Ausblick auf die Rechtslage der Doppelautorenschaft und der Bewertung des Werkes
8. Missing Link: der Baustein zwischen anerkannter Grafik/Malerei und Baugebundener Kunst
9. Fazit
10. Anhang
(Interviews, Quellen, Literatur, Internetquellen, Abbildungsnachweise)
Selbstständigkeitserklärun
Erforschung und Entwicklung kohlenstoffbasierter Kaltkathoden für Raumfahrtsysteme
No full textDie Raumfahrt hat sich von einer prestigeträchtigen Unternehmung zu einem unverzichtbaren Bestandteil unserer modernen Gesellschaft entwickelt. Unter dem Schlagwort 'New Space' vollzieht sich ein Paradigmenwechsel. Diese Entwicklung bringt eine steigende Anzahl von Raketenstarts, den Ausbau von Megakonstellationen aus tausenden Kleinsatelliten und die Notwendigkeit mit sich, Weltraumschrott effizient zu beseitigen. Für solche Anwendungen sind kompakte, effiziente und zuverlässige elektrische Antriebssysteme essenziell, die wiederum leistungsfähige Elektronenquellen benötigen. Traditionell werden in der Raumfahrt thermionische Kathoden und Hohlkathoden eingesetzt, die jedoch Nachteile wie hohen Energieverbrauch, thermische Rückkopplungen und Empfindlichkeit gegenüber Kontamination aufweisen. Vor allem für Kleinsatelliten sind kompakte, energieeffiziente Alternativen gefragt, weshalb Kaltkathoden auf Basis von Feldelektronenemission vielversprechend erscheinen. Unter den möglichen Materialien haben sich kohlenstoffbasierte Kathodenmaterialien als besonders robust und leistungsfähig erwiesen. In dieser Arbeit wurde systematisch untersucht, inwieweit kohlenstoffbasierte Kaltkathoden konventionelle Systeme in Weltraumanwendungen ersetzen können. Dabei wurden drei Materialien untersucht: Diamant, diamantartiger Kohlenstoff (DLC) und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT).
Diamantkathoden zeigten zwar moderate Anschaltfelder von 7 V/µm bis 20 V/µm und einen positiven Einfluss von Stickstoffdotierung, erwiesen sich jedoch als wenig praxistauglich. Lokale Graphitisierungen führten zu Zerstörungen, und die aufwendige Herstellung machte das Material unattraktiv. Zukünftige Forschungen könnten nanostrukturierte Diamantschichten auf metallischen Substraten untersuchen, um die Probleme zu umgehen.
DLC-Kathoden wurden in drei Versuchsreihen detailliert charakterisiert. Dabei zeigte sich, dass eine Aktivierung der Schicht notwendig ist, bei der sp³- in sp²-hybridisierten Kohlenstoff umgewandelt wird. Interessanterweise erwiesen sich dickere, schlecht leitfähige Schichten als emissionsfreudiger, allerdings bei hohen Feldstärken von größer als 20 V/µm. Der materialabtragende Charakter des Emissionsprozesses und die begrenzte Langzeitstabilität schränken die Anwendbarkeit jedoch ein. Eine mögliche Lösung könnte die Beschichtung von Feldemissionsspitzen sein, um die Betriebsspannungen zu senken.
CNT-basierte Kathoden stellten sich als die vielversprechendste Technologie heraus. Mit sehr niedrigen Feldstärken von 0,5 V/µm bis 3 V/µm und hohen Effizienzen von teilweise über 2 mA/W übertreffen sie bisherige Kaltkathoden deutlich. Die im Rahmen der Arbeit entwickelten radialen Elektronenemitter zeigten hervorragende Leistungen, darunter Maximalströme von bis zu 40 mA. Herausforderungen bleiben die Langzeitstabilität und der Einfluss von atomarem Sauerstoff, doch durch weitere Optimierungen scheint ein praktischer Einsatz möglich.
Insgesamt konnte die Arbeit zeigen, dass CNT-Kaltkathoden konventionelle Systeme bei Strömen bis etwa 100 mA ersetzen können. Sie eignen sich für Anwendungen wie die Neutralisation von Satelliten, den Betrieb elektrodynamischer Tether oder elektrischer Sonnensegel. Für die Neutralisation von Ionentriebwerken sind sie jedoch nur bedingt geeignet. Zukünftige Forschungen sollten neben der Weiterentwicklung von CNT-Kathoden auch alternative Materialien wie Graphen, nanokristallinen Graphit oder Carbide untersuchen. Ebenso vielversprechend sind neue Mikrostrukturierungsverfahren und die Wiederaufnahme fast vergessener Technologien wie der Malter-Effekt-Kathoden. Damit könnte die Effizienz von Kaltkathoden weiter gesteigert werden, was die Raumfahrt im Zeitalter von 'New Space' nachhaltiger und leistungsfähiger machen würde.:Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abstract
Vorwort
Abbildungsverzeichnis IV
Tabellenverzeichnis XIII
Abkürzungsverzeichnis XIV
Symbolverzeichnis XVI
1. Einleitung 1
1.1. Problemstellung 1
1.2. Zielsetzung der Arbeit 3
1.3. Aufbau der Dissertation 3
1.4. Forschungsbeiträge der Dissertation 4
2. Physikalische Grundlagen der Kaltkathode 7
2.1. Theorie der Feldelektronenemission 7
2.1.1. Theorie großflächiger Feldelektronenemissionsarrays 10
2.1.2. Fowler-Nordheim-Plot, Parameterextraktion und Orthodoxietest 11
2.2. Andere Arten der Elektronenemission 12
2.2.1. Thermionische Emission 13
2.2.2. Schottky-Emission 14
2.2.3. Der äußere Photoeffekt 15
2.2.4. Sekundärelektronenemission 15
2.3. Raumladungsbegrenzte Elektronenemission 17
3. Technische Grundlagen der Kaltkathode 19
3.1. Konventionelle Elektronenquellen 19
3.1.1. Thermionische Elektronenquellen 19
3.1.2. Hohlkathoden 21
3.2. Aufbau und Funktionsweise von Kaltkathoden 23
3.3. Ersatzschaltung, Transmission und Effizienz 24
3.4. Geometrische Feldverstärkung 25
3.5. Arraybildung und mikrostrukturierte Oberflächen 26
3.6. Kathodenmaterialien 27
3.6.1. Metalle 28
3.6.2. Hochschmelzende Karbide 28
3.6.3. Halbleiter 28
3.6.4. Kohlenstoffmaterialien 29
4. Kaltkathoden in der Raumfahrt: Stand der Technik und Anforderungen 30
4.1. Herausforderungen der Weltraumumgebung 30
4.1.1. Neutrale Atmosphäre 30
4.1.2. Plasmaumgebung 31
4.1.3. Thermische Gegebenheiten 31
4.2. Anwendungen von Elektronenquellen in der Raumfahrt 32
4.2.1. Das Potenzial des Raumfahrzeugs und seine Regelung 32
4.2.2. Ionentriebwerke 34
4.2.3. Elektrodynamische Tether 34
4.2.4. Elektrische Sonnensegel 37
4.3. Bisherige Forschungsarbeit zu Kaltkathoden in Raumfahrtsystemen 37
4.3.1. Arbeiten von Marrese-Reading et al. 37
4.3.2. Arbeit von Singh et al. 38
4.3.3. Arbeiten von Ohkawa et al. 39
4.3.4. Arbeit von Kramer und Bock 41
4.4. Anforderungen an Kaltkathoden in Raumfahrtanwendungen 42
5. Kaltkathoden aus Diamant 44
5.1. Diamant 44
5.2. Aufbau und Funktionsweise einer Diamantkathode 45
5.3. E-I-Kennlinien verschiedener CVD-Diamanten 47
5.3.1. Testumgebung 47
5.3.2. Testergebnisse 48
5.3.3. Diskussion 51
5.4. Zusammenfassung und Ausblick zu den Tests an Diamantkathoden 52
6. Kaltkathoden aus diamantartigem Kohlenstoff 54
6.1. Diamantartiger Kohlenstoff 55
6.1.1. DLC-Beschichtungsprozess des Fraunhofer IWS Dresden 55
6.2. Elektronenemission von diamantartigem Kohlenstoff 56
6.3. Versuchsreihe 1 56
6.3.1. Verwendete Proben 57
6.3.2. Testumgebung 57
6.3.3. Aktivierung von DLC-Schichten 59
6.3.4. E-I-Kennlinien der DLC-Schichten der Versuchsreihe 1 61
6.3.5. Erosion der DLC-Schichten der Versuchsreihe 1 61
6.3.6. Fazit der Versuchsreihe 1 65
6.4. Versuchsreihe 2 66
6.4.1. Verwendete Proben 66
6.4.2. Testumgebung 67
6.4.3. Aktivierung der DLC-Schichten aus Versuchsreihe 2 68
6.4.4. E-I-Kennlinien der DLC-Schichten der Versuchsreihe 2 69
6.4.5. Erosion der DLC-Schichten der Versuchsreihe 2 70
6.4.6. Fazit der Versuchsreihe 2 71
6.5. Entwicklung eines Hochspannungslineartischs 72
6.6. Design des Hochspannungslineartischs 73
6.6.1. Kalibrierung 73
6.6.2. Thermische Einflüsse 75
6.6.3. Einstellen der Nullposition 76
6.6.4. Fazit Hochspannungslineartisch 76
6.7. Versuchsreihe 3 77
6.7.1. Verwendete Proben 77
6.7.2. Testumgebung 78
6.7.3. Aktivierung der DLC-Schichten aus Versuchsreihe 3 79
6.7.4. E-I-Kennlinien der DLC-Schichten der Versuchsreihe 3 80
6.7.5. Detaillierte Betrachtung der ta-C_50um-Probe 82
6.7.6. Degradation der DLC-Schichten der Versuchsreihe 3 84
6.7.7. Langzeitversuch an der Probe ta-C_11um 85
6.7.8. E-I-Kennlinien der Probe ta-C_12um bei umgekehrter Polarität 87
6.7.9. Fazit der Versuchsreihe 3 89
6.8. Zusammenfassung und Ausblick zu den Tests an DLC-Kathoden 90
6.8.1. Bewertung der Eignung von DLC-Kathoden für Raumfahrtanwendungen 91
7. Radiale CNT-Kaltkathoden 93
7.1. Kohlenstoffnanoröhrchen 93
7.2. Elektronenemission von Kohlenstoffnanoröhrchen 94
7.3. Das Konzept: Radialer Elektronenemitter 95
7.4. Auswahl des CNT-Materials 97
7.5. Prototyp-Design 98
7.6. Allgemeine Testumgebung 101
7.7. U-I-Kennlinien der SY100-Konfiguration 103
7.8. Langzeiteigenschaften der Prototyp-Konfigurationen 106
7.8.1. Prototyp-Konfiguration: SY100 108
7.8.2. Prototyp-Konfiguration: SY700 110
7.8.3. Prototyp-Konfiguration: WND 112
7.8.4. Diskussion der Langzeiteigenschaften 114
7.8.5. Modellierung des Degradationsverhaltens 115
7.9. Untersuchung des Einflusses von atomarem Sauerstoff 117
7.9.1. Testumgebung 117
7.9.2. Testergebnisse 118
7.9.3. Diskussion und Zusammenfassung 120
7.10. Fazit der Tests an den Prototypen und Demonstrator-Geometrieauswahl 121
7.11. Demonstrator-Design 123
7.11.1. Extraktionsgitterdesign: Iteration 1 125
7.11.2. Extraktionsgitterdesign: Iteration 2 126
7.11.3. Extraktionsgitterdesign: Iteration 3 128
7.11.4. Extraktionsgitterdesign: Iteration 4 130
7.12. Angepasste Testumgebung zur Charakterisierung der Demonstratoren 131
7.13. Charakterisierung der 13w700um-Konfiguration 131
7.13.1. U-I-Kennlinien der 13w700um-Konfiguration 132
7.13.2. Langzeiteigenschaften der 13w700um-Konfiguration 134
7.13.3. Diskussion der Tests der 13w700um-Konfiguration 137
7.14. Langzeiteigenschaften der 25w700um-Konfiguration 137
7.14.1. Diskussion der Tests der 25w700um-Konfiguration 139
7.15. Langzeiteigenschaften der 40w700um-Konfiguration 139
7.15.1. Diskussion der Tests der 40w700um-Konfiguration 141
7.16. Langzeiteigenschaften der 40w200um-Konfiguration 142
7.16.1. Konfiguration 40w200um mit Extraktionsgittern der Iteration 2 und 3 142
7.16.2. Konfiguration 40w200um mit Extraktionsgittern der Iteration 4 143
7.16.3. Diskussion der Tests der 40w200um-Konfiguration 145
7.17. Fazit der Tests an den Demonstratoren 146
7.18. Mögliche Verbesserungen der CNT-Kaltkathoden 147
7.18.1. Optimierung der Extraktionsgitter 147
7.18.2. Vergrößerung der Emissionsfläche 148
7.18.3. Optimierung des Kathodenmaterials 148
7.18.4. Reduktion des Elektrodenabstands 149
7.18.5. Nutzung großer Elektrodenabstände für kleine Emissionsströme 149
7.18.6. Umstellung auf planare CNT-Kaltkathoden 150
7.19. Zusammenfassung und Ausblick zu den Tests an radialen CNT-Kathoden 150
7.19.1. Bewertung der Eignung von CNT-Kathoden für Raumfahrtanwendung 151
8. Zusammenfassende Bewertung und Ausblick 153
Literaturverzeichnis 156
A. Anhang: Daten der Tests an CVD-Diamanten 171
B. Anhang: Daten der Tests an DLC-Schichten der Versuchsreihe 1 und 2 172
C. Anhang: Daten der Tests an DLC-Schichten der Versuchsreihe 3 174
C.1. Langzeittestdaten der ta-C_11um-Probe 178
D. Anhang: Zur Vermessung der erodierten Fläche der DLC-Schichten 179
E. Anhang: Daten der CNT-Kathoden Langzeittests 181
F. Anhang: Vergleich wahre Degradation mit Degradationsmodell 189Spaceflight has evolved from a prestigious endeavour to an indispensable component of modern society. Under the term 'New Space', a paradigm shift is taking place. This development has led to an increasing number of rocket launches, the deployment of mega-constellations comprising thousands of small satellites, and the necessity to efficiently mitigate space debris. For such applications, compact, efficient, and reliable electric propulsion systems are essential, which in turn require high-performance electron sources. Traditionally, thermionic cathodes and hollow cathodes have been employed in space applications; however, these exhibit disadvantages such as high energy consumption, thermal feedback effects, and susceptibility to contamination. Particularly for small satellites, compact and energy-efficient alternatives are sought, making field-emission-based cold cathodes a promising solution. Among potential materials, carbon-based cathodes have demonstrated exceptional robustness and performance. This study systematically investigates the extent to which carbon-based cold cathodes can replace conventional systems in space applications, examining three materials: diamond, diamond-like carbon (DLC), and carbon nanotubes (CNTs).
Diamond cathodes exhibited moderate threshold fields of 7 V/µm to 20 V/µm and a beneficial influence of nitrogen doping, yet proved impractical for real-world applications. Local graphitisation led to structural degradation, and the complex fabrication process rendered the material unattractive. Future research could explore nanostructured diamond coatings on metallic substrates to circumvent these issues.
DLC cathodes were characterised in detail across three experimental series. The results revealed that an activation phase is necessary, during which sp³-hybridised carbon transforms into sp²-hybridised carbon. Interestingly, thicker, poorly conductive layers demonstrated superior emission properties, albeit at high field strengths exceeding 20 V/µm. However, the material-eroding nature of the emission process and limited long-term stability restrict their applicability. A potential solution may involve coating field-emission tips to reduce operational voltages.
CNT-based cathodes emerged as the most promising technology. With remarkably low threshold fields of 0.5 V/µm to 3 V/µm and high efficiencies exceeding 2 mA/W in some cases, they significantly outperform existing cold cathodes. The radial electron emitters developed in this study demonstrated exceptional performance, including maximum currents of up to 40 mA. Challenges remain regarding long-term stability and the effects of atomic oxygen, but further optimisation could enable practical implementation.
In summary, this work demonstrates that CNT-based cold cathodes can replace conventional systems for currents up to approximately 100 mA. They are suitable for applications such as satellite neutralisation, electrodynamic tethers, and electric sails, though their use in ion thruster neutralisation remains limited. Future research should explore not only further development of CNT cathodes but also alternative materials such as graphene, nanocrystalline graphite, or carbides. Similarly promising are novel micro structuring techniques and the revival of largely forgotten technologies such as Malter-effect cathodes. Such advances could further enhance the efficiency of cold cathodes, contributing to more sustainable and capable spaceflight in the 'New Space'.:Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abstract
Vorwort
Abbildungsverzeichnis IV
Tabellenverzeichnis XIII
Abkürzungsverzeichnis XIV
Symbolverzeichnis XVI
1. Einleitung 1
1.1. Problemstellung 1
1.2. Zielsetzung der Arbeit 3
1.3. Aufbau der Dissertation 3
1.4. Forschungsbeiträge der Dissertation 4
2. Physikalische Grundlagen der Kaltkathode 7
2.1. Theorie der Feldelektronenemission 7
2.1.1. Theorie großflächiger Feldelektronenemissionsarrays 10
2.1.2. Fowler-Nordheim-Plot, Parameterextraktion und Orthodoxietest 11
2.2. Andere Arten der Elektronenemission 12
2.2.1. Thermionische Emission 13
2.2.2. Schottky-Emission 14
2.2.3. Der äußere Photoeffekt 15
2.2.4. Sekundärelektronenemission 15
2.3. Raumladungsbegrenzte Elektronenemission 17
3. Technische Grundlagen der Kaltkathode 19
3.1. Konventionelle Elektronenquellen 19
3.1.1. Thermionische Elektronenquellen 19
3.1.2. Hohlkathoden 21
3.2. Aufbau und Funktionsweise von Kaltkathoden 23
3.3. Ersatzschaltung, Transmission und Effizienz 24
3.4. Geometrische Feldverstärkung 25
3.5. Arraybildung und mikrostrukturierte Oberflächen 26
3.6. Kathodenmaterialien 27
3.6.1. Metalle 28
3.6.2. Hochschmelzende Karbide 28
3.6.3. Halbleiter 28
3.6.4. Kohlenstoffmaterialien 29
4. Kaltkathoden in der Raumfahrt: Stand der Technik und Anforderungen 30
4.1. Herausforderungen der Weltraumumgebung 30
4.1.1. Neutrale Atmosphäre 30
4.1.2. Plasmaumgebung 31
4.1.3. Thermische Gegebenheiten 31
4.2. Anwendungen von Elektronenquellen in der Raumfahrt 32
4.2.1. Das Potenzial des Raumfahrzeugs und seine Regelung 32
4.2.2. Ionentriebwerke 34
4.2.3. Elektrodynamische Tether 34
4.2.4. Elektrische Sonnensegel 37
4.3. Bisherige Forschungsarbeit zu Kaltkathoden in Raumfahrtsystemen 37
4.3.1. Arbeiten von Marrese-Reading et al. 37
4.3.2. Arbeit von Singh et al. 38
4.3.3. Arbeiten von Ohkawa et al. 39
4.3.4. Arbeit von Kramer und Bock 41
4.4. Anforderungen an Kaltkathoden in Raumfahrtanwendungen 42
5. Kaltkathoden aus Diamant 44
5.1. Diamant 44
5.2. Aufbau und Funktionsweise einer Diamantkathode 45
5.3. E-I-Kennlinien verschiedener CVD-Diamanten 47
5.3.1. Testumgebung 47
5.3.2. Testergebnisse 48
5.3.3. Diskussion 51
5.4. Zusammenfassung und Ausblick zu den Tests an Diamantkathoden 52
6. Kaltkathoden aus diamantartigem Kohlenstoff 54
6.1. Diamantartiger Kohlenstoff 55
6.1.1. DLC-Beschichtungsprozess des Fraunhofer IWS Dresden 55
6.2. Elektronenemission von diamantartigem Kohlenstoff 56
6.3. Versuchsreihe 1 56
6.3.1. Verwendete Proben 57
6.3.2. Testumgebung 57
6.3.3. Aktivierung von DLC-Schichten 59
6.3.4. E-I-Kennlinien der DLC-Schichten der Versuchsreihe 1 61
6.3.5. Erosion der DLC-Schichten der Versuchsreihe 1 61
6.3.6. Fazit der Versuchsreihe 1 65
6.4. Versuchsreihe 2 66
6.4.1. Verwendete Proben 66
6.4.2. Testumgebung 67
6.4.3. Aktivierung der DLC-Schichten aus Versuchsreihe 2 68
6.4.4. E-I-Kennlinien der DLC-Schichten der Versuchsreihe 2 69
6.4.5. Erosion der DLC-Schichten der Versuchsreihe 2 70
6.4.6. Fazit der Versuchsreihe 2 71
6.5. Entwicklung eines Hochspannungslineartischs 72
6.6. Design des Hochspannungslineartischs 73
6.6.1. Kalibrierung 73
6.6.2. Thermische Einflüsse 75
6.6.3. Einstellen der Nullposition 76
6.6.4. Fazit Hochspannungslineartisch 76
6.7. Versuchsreihe 3 77
6.7.1. Verwendete Proben 77
6.7.2. Testumgebung 78
6.7.3. Aktivierung der DLC-Schichten aus Versuchsreihe 3 79
6.7.4. E-I-Kennlinien der DLC-Schichten der Versuchsreihe 3 80
6.7.5. Detaillierte Betrachtung der ta-C_50um-Probe 82
6.7.6. Degradation der DLC-Schichten der Versuchsreihe 3 84
6.7.7. Langzeitversuch an der Probe ta-C_11um 85
6.7.8. E-I-Kennlinien der Probe ta-C_12um bei umgekehrter Polarität 87
6.7.9. Fazit der Versuchsreihe 3 89
6.8. Zusammenfassung und Ausblick zu den Tests an DLC-Kathoden 90
6.8.1. Bewertung der Eignung von DLC-Kathoden für Raumfahrtanwendungen 91
7. Radiale CNT-Kaltkathoden 93
7.1. Kohlenstoffnanoröhrchen 93
7.2. Elektronenemission von Kohlenstoffnanoröhrchen 94
7.3. Das Konzept: Radialer Elektronenemitter 95
7.4. Auswahl des CNT-Materials 97
7.5. Prototyp-Design 98
7.6. Allgemeine Testumgebung 101
7.7. U-I-Kennlinien der SY100-Konfiguration 103
7.8. Langzeiteigenschaften der Prototyp-Konfigurationen 106
7.8.1. Prototyp-Konfiguration: SY100 108
7.8.2. Prototyp-Konfiguration: SY700 110
7.8.3. Prototyp-Konfiguration: WND 112
7.8.4. Diskussion der Langzeiteigenschaften 114
7.8.5. Modellierung des Degradationsverhaltens 115
7.9. Untersuchung des Einflusses von atomarem Sauerstoff 117
7.9.1. Testumgebung 117
7.9.2. Testergebnisse 118
7.9.3. Diskussion und Zusammenfassung 120
7.10. Fazit der Tests an den Prototypen und Demonstrator-Geometrieauswahl 121
7.11. Demonstrator-Design 123
7.11.1. Extraktionsgitterdesign: Iteration 1 125
7.11.2. Extraktionsgitterdesign: Iteration 2 126
7.11.3. Extraktionsgitterdesign: Iteration 3 128
7.11.4. Extraktionsgitterdesign: Iteration 4 130
7.12. Angepasste Testumgebung zur Charakterisierung der Demonstratoren 131
7.13. Charakterisierung der 13w700um-Konfiguration 131
7.13.1. U-I-Kennlinien der 13w700um-Konfiguration 132
7.13.2. Langzeiteigenschaften der 13w700um-Konfiguration 134
7.13.3. Diskussion der Tests der 13w700um-Konfiguration 137
7.14. Langzeiteigenschaften der 25w700um-Konfiguration 137
7.14.1. Diskussion der Tests der 25w700um-Konfiguration 139
7.15. Langzeiteigenschaften der 40w700um-Konfiguration 139
7.15.1. Diskussion der Tests der 40w700um-Konfiguration 141
7.16. Langzeiteigenschaften der 40w200um-Konfiguration 142
7.16.1. Konfiguration 40w200um mit Extraktionsgittern der Iteration 2 und 3 142
7.16.2. Konfiguration 40w200um mit Extraktionsgittern der Iteration 4 143
7.16.3. Diskussion der Tests der 40w200um-Konfiguration 145
7.17. Fazit der Tests an den Demonstratoren 146
7.18. Mögliche Verbesserungen der CNT-Kaltkathoden 147
7.18.1. Optimierung der Extraktionsgitter 147
7.18.2. Vergrößerung der Emissionsfläche 148
7.18.3. Optimierung des Kathodenmaterials 148
7.18.4. Reduktion des Elektrodenabstands 149
7.18.5. Nutzung großer Elektrodenabstände für kleine Emissionsströme 149
7.18.6. Umstellung auf planare CNT-Kaltkathoden 150
7.19. Zusammenfassung und Ausblick zu den Tests an radialen CNT-Kathoden 150
7.19.1. Bewertung der Eignung von CNT-Kathoden für Raumfahrtanwendung 151
8. Zusammenfassende Bewertung und Ausblick 153
Literaturverzeichnis 156
A. Anhang: Daten der Tests an CVD-Diamanten 171
B. Anhang: Daten der Tests an DLC-Schichten der Versuchsreihe 1 und 2 172
C. Anhang: Daten der Tests an DLC-Schichten der Versuchsreihe 3 174
C.1. Langzeittestdaten der ta-C_11um-Probe 178
D. Anhang: Zur Vermessung der erodierten Fläche der DLC-Schichten 179
E. Anhang: Daten der CNT-Kathoden Langzeittests 181
F. Anhang: Vergleich wahre Degradation mit Degradationsmodell 18
Aligning Socio-economic Field Laboratories and Agent Based Models assessing local climate change adaptation measures of Andean farmers
No full textOriginal research:1 Introduction 8
2 Study Area 9
2.1 Location 9
2.2 Climate 9
3 Methodological Framework 10
3.1 Socio-economic Field Laboratories 10
3.2 Agend Based Modeling 12
4 Insights in local realities and regional upscaling 12
4.1 Extreme weather events 12
4.2 Agricultural droughts 12
4.3 Importance of trees for livelihood 13
4.4 Key aspects in model development 14
5 Conclusion and outlook 14
Acknowledgments 15
References 15The increase in extreme weather events is a major consequence of climate change in tropical mountain ranges like the Andes of Peru. The impact on farming households is of growing interest since adaptation and mitigation strategies are required to keep race with environmental conditions and to prevent people from increasing poverty.
In this regard it becomes more and more obvious that a bottom-up approach incorporating the local socioeconomic processes and their interplay is needed. Socioeconomic field laboratories are used to understand such processes on site. This integrates multi-disciplinary and participatory analyses of production and its relationship with biophysical and socio-economic determinants. Farmers react individually based on their experiences, financial situation, labor conditions, or attitude among others. In this regard socioeconomic field laboratories also serve to develop and test scenarios about development paths, which involve the combination of both, local and scientific knowledge. For a comprehensive understanding of the multitude of interactions the agent-based modeling framework MPMAS (Mathematical Programming-based Multi-Agent System) is applied. In combination
with continued ground-truthing, the model is used to gain insights into the functioning of the complex social system and to forecast its development in the near future. The assessment of the effect of humans’ behavior in changing environmental conditions including the comparison of different sites, transforms the model to a communication tool bridging the gap between adaptation policies and local realities.:1 Introduction 8
2 Study Area 9
2.1 Location 9
2.2 Climate 9
3 Methodological Framework 10
3.1 Socio-economic Field Laboratories 10
3.2 Agend Based Modeling 12
4 Insights in local realities and regional upscaling 12
4.1 Extreme weather events 12
4.2 Agricultural droughts 12
4.3 Importance of trees for livelihood 13
4.4 Key aspects in model development 14
5 Conclusion and outlook 14
Acknowledgments 15
References 1
Remote Sensing the Third Dimension of Forests with Active Sensors
No full textTo better understand the functions of forests in terrestrial ecosystems, it is crucial to quantify the vertical distribution of vegetation elements in forests, i.e., forest vertical structure, and monitor its change over time and at large scales. Laser detection and ranging (lidar) and synthetic aperture radar (SAR) are two active sensors that can collect information about the vertical structure of forests. NASA’s spaceborne full-waveform lidar, the Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI), measures forest vertical structure worldwide. ESA’s Sentinel-1 C-band SAR mission has been providing dense acquisitions over global forests since 2014. In preparation for the upcoming ESA’s BIOMASS P-band SAR satellite, launching in Spring 2025, a series of airborne SAR tomography (TomoSAR) experiments have been conducted in several tropical forests. GEDI, Sentinel-1 and TomoSAR campaigns provide an unprecedented opportunity for observing the World’s forests. Therefore, the objective of this thesis is to utilise GEDI, Sentinel-1 and TomoSAR to quantify forest vertical structure at regional scales. This thesis has three aims: (1) using multi-temporal GEDI acquisitions to detect the temporal dynamics of forest canopy cover profile, (2) investigating the association of seasonal dynamics in GEDI canopy cover profiles and Sentinel-1 backscatter, and (3) combining GEDI and TomoSAR to estimate above-ground biomass (AGB) and its vertical distribution.
Novel methods were developed in this thesis to monitor the vertical structure of forests using lidar and SAR. In the first study, a time series analysis was implemented to quantify the change of GEDI canopy cover in overstorey and understorey from 2019 and 2023 in protected Central European forests, where there are dense GEDI observations and severe forest disturbances since 2018. The second study investigated the temporal dynamics of GEDI canopy cover profiles in four temperate forests in Germany. The time series of canopy cover profiles were then compared with the corresponding time series of Sentinel-1 backscatter to quantify the association between them. In the third study, the sensitivity of airborne P-band TomoSAR profiles to forest height and AGB was analysed in two tropical forests in Gabon. Random Forest regression was applied to estimate AGB with TomoSAR features as predictors and GEDI AGB as a response variable. An empirical model was also applied to estimate the vertical distribution of AGB, validated by AGB profiles modelled based on field measurements and allometric models.
The results show that GEDI, Sentinel-1 and TomoSAR can provide new perspectives on the vertical structure of forests. In the protected forests in Central Europe, the overstorey canopy cover decreases since 2019 while the understorey canopy cover increases. For coniferous forests, the faster the overstorey canopy cover decreases, the faster the understorey canopy cover increases. Sentinel-1 backscatter is temporally related with GEDI canopy cover at mid-storey in broadleaved forests whereas there is no significant correlation between Sentinel-1 backscatter and GEDI canopy cover profile in coniferous forests. The combination of GEDI products and airborne P-band TomoSAR reflectivity can achieve moderate performance in estimating forest height and AGB in tropical forests. The TomoSAR-derived vertical distribution of AGB shows consistency with the reference biomass profiles. This thesis demonstrates the capability of using lidar and SAR to quantify forest vertical structure and track its temporal dynamics, providing valuable information for understanding forest ecosystem changes in the context of climate change.Um die Funktionen der Wälder im terrestrischen Ökosystem besser zu verstehen, ist es von entscheidender Bedeutung, die vertikale Verteilung der Vegetationselemente im Wald, d. h. die vertikale Struktur des Waldes, zu quantifizieren und ihre Veränderung im Laufe der Zeit in großem Maßstab zu überwachen. Laser Detection and Ranging (Lidar) und Synthetic Aperture Radar (SAR) sind zwei aktive Fernerkundungsmethoden, mit denen Informationen über die vertikale Struktur des Waldes gesammelt werden können. Das weltraumgestützte Full-Waveform Lidar der NASA, die Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) Mission, misst die vertikale Struktur der Wälder weltweit. Die C-Band-SAR-Mission Sentinel-1 der ESA liefert seit 2014 dichte Aufnahmen der globalen Wälder. In Vorbereitung auf den kommenden P-Band-SAR-Satelliten BIOMASS der ESA wurde eine Reihe von luftgestützten SAR-Tomographie-Experimenten (TomoSAR) zur Rekonstruktion der vertikalen Waldstruktur in mehreren tropischen Wäldern durchgeführt. Die GEDI-, Sentinel-1- und TomoSAR-Kampagnen bieten eine beispiellose Möglichkeit, die vertikale Struktur des Waldes in großem Maßstab zu untersuchen. Ziel dieser Dissertation ist es daher, GEDI, Sentinel-1 und TomoSAR zu nutzen, um die vertikale Struktur von Wäldern in großem Maßstab zu überwachen. Die Arbeit verfolgt drei Ziele: (1) die Verwendung von multitemporalen GEDI-Aufnahmen zur Überwachung der Veränderung der vertikalen Struktur des Waldes im Laufe der Zeit, (2) der Vergleich von Zeitreihen der GEDI-Baumkronenbedeckung mit Sentinel-1-Rückstreuzeitreihen und (3) die Kombination von GEDI und TomoSAR zur Abschätzung der oberirdischen Biomasse (above-ground biomass, AGB) und ihrer vertikalen Verteilung.
In dieser Arbeit wurden neue Methoden entwickelt, um die vertikale Struktur von Wäldern mit Lidar und SAR zu überwachen. In der ersten Studie wurde eine Zeitreihenanalyse durchgeführt, um die Veränderung der GEDI-Baumkronenbedeckung im Ober- und Unterholz zwischen 2019 und 2023 in geschützten mitteleuropäischen Wäldern zu quantifizieren, in denen es dichte GEDI-Beobachtungen und schwere Waldschäden seit dem Jahr 2018 gibt. Die zweite Studie untersuchte die zeitliche Dynamik von GEDI-Kronendachprofilen in vier gemäßigten Wäldern in Deutschland. Die Zeitreihen der Kronendachprofile wurden dann mit den entsprechenden Zeitreihen der Sentinel-1-Rückstreuung verglichen, um den Zusammenhang zwischen ihnen zu quantifizieren. In der dritten Studie wurde die Empfindlichkeit von luftgestützten P-Band-TomoSAR-Profilen auf Waldhöhe und AGB in zwei tropischen Wäldern in Gabun analysiert. Zur Schätzung der AGB wurde eine Random-Forest-Regression mit TomoSAR-Merkmalen als Prädiktoren und GEDI-AGB als Antwortvariable eingesetzt. Anhand von TomoSAR abgeleiteten AGB-Werten und TomoSAR-Profilen wurde ein empirisches Modell zur Schätzung der vertikalen Verteilung der AGB verwendet, validiert durch AGB-Profile, die anhand von Feldmessungen und Allometriemodellen modelliert wurden.
Die Ergebnisse zeigen, dass GEDI, Sentinel-1 und TomoSAR neue Perspektiven für die vertikale Struktur der Wälder bieten können. In den geschützten Wäldern in Mitteleuropa nimmt der Baumkronenbedeckungsgrad im Oberholz seit 2019 ab, der Bedeckungsgrad im Unterholz jedoch zu. Für Nadelwälder gilt: Je schneller die Kronenbedeckung im Oberholz abnimmt, desto schneller nimmt die Kronenbedeckung im Unterholz zu. Die Sentinel-1-Rückstreuung steht in Laubwäldern zeitlich mit der GEDI-Kronenbedeckung im mittleren Kronenbereich in Zusammenhang, während es in Nadelwäldern keine signifikante Korrelation zwischen der Sentinel-1-Rückstreuung und dem GEDI-Kronendachprofil gibt. Durch die Kombination von GEDI-Produkten und der luftgestützten P-Band-TomoSAR-Reflektivität kann eine moderate Leistung bei der Abschätzung der Waldhöhe und der AGB in tropischen Wäldern erzielt werden. Die von TomoSAR abgeleitete vertikale Verteilung der AGB stimmt mit den Referenz-Biomasseprofilen überein. Diese Arbeit zeigt, dass GEDI und SAR zur Quantifizierung der vertikalen Waldstruktur und zur Überwachung ihrer zeitlichen Dynamik eingesetzt werden können, was wertvolle Informationen für das Verständnis der Waldökosysteme im Zusammenhang mit dem Klimawandel liefert