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Revision and extension of a COSMO-RS based model for electrolyte systems: from infinite dilution to the fused salt state
No full textThe COSMO-RS-ES model is a predictive electrolyte model capable of describing phase equilibria in a wide range of aqueous and mixed aqueous systems. The performance of the model for non-aqueous electrolyte systems is enhanced by means of a thermodynamically consistent extension of the Pitzer-Debye-Hückel term. This extension considers the compositional derivatives of the mixture and corrections for systems with a low relative permittivity. Finally, the COSMO-RS based term is revised and a new COSMO-RS-ES+ model is introduced, which provides a superior overall performance for non-aqueous electrolytes including the pure ionic liquid state.Das COSMO-RS-ES-Modell ist ein prädiktives Elektrolytmodell, das Phasengleichgewichte in einem breiten Spektrum von wässrigen und gemischten wässrigen Systemen beschreiben kann. Die Leistung des Modells für nichtwässrige Elektrolytsysteme wird durch eine konsistente Erweiterung des Pitzer-Debye-Hückel-Terms verbessert. Diese Erweiterung berücksichtigt die Zusammensetzung der Mischung und Korrekturen für die niedrige relative Permittivität. Schließlich wird der auf COSMO-RS basierende Term überarbeitet und ein neues COSMO-RS-ES+ Modell eingeführt, das eine bessere Gesamtleistung für nichtwässrige Elektrolyte bis zur reinen ionischen Flüssigkeit bietet
Family structures, power relations, and entrepreneurial practices – the role of monogamy and polygamy among rural entrepreneurs in Tanzania
No full textLarge social phenomena can be understood as Grand Challenges, such as climate change, digitalization, global health crises and societal inequality, which have far-reaching effects on societies worldwide and are prominent in academic and political debates (Jarzabkowski et al., 2019; Lauche et al., 2024). These large-scale societal issues disrupt existing structures and create new demands for coordinated action across institutional, organizational, and individual levels (George et al., 2016; Ferraro et al., 2015). Grand Challenges are characterized as complex problems that transcend national and sectoral boundaries (Ferraro et al., 2015). Unlike well-defined technical problems, Grand Challenges are dynamic, emergent, and deeply embedded in social systems, often involving conflicting stakeholder interests and power asymmetries (George et al., 2016). Although significant research has been devoted to tackling those challenges, social inequality – defined as the unequal distribution of resources, opportunities, and power across social groups – remains underexplored. More precisely, inequality issues – although widely acknowledged – have largely been treated as a backdrop for other Grand Challenges, rather than as a Grand Challenge in its own right, particularly with regard to its micro-level manifestations in everyday practices
A first order methodology for the sizing and siting of utility-scale biogas plants processing Egypt’s lignocellulosic biomass
No full textBiochemical conversion of agricultural residual biomass has demonstrated its economic viability, despite lignin’s slow and incomplete biodegradability. While it is abundantly evident that successful commercial implementation of the anaerobic digestion technology is reliant on large/utility scale settings. The success remains crucially dependent on correct determination of a realistic biogas yield from available biomass. In this paper, we report on Egypt’s abundant agricultural residues and present a planning methodology for sizing and siting anaerobic digestion plants at utility-level, while providing guidance on the minimum cost of exploitable biomethane taking Egypt’s northern Governorate of Behera as a case study. We begin by a detailed characterisation of Egypt’s agriresidue capacity, followed by a classification of key target crops. We then identify biomethane potential under anaerobic co-digestion processes, allowing for feedstock flexibility. An empirical modelling framework is developed for optimizing biogas plant size and operational conditions tailored to residue availability and crop types. Furthermore, a GIS-based siting procedure is proposed where favourable sites are studied. Depending on the mode of agri-waste exploitation, we show that Behera can produce between 0.72 and 0.13 Bm³ yr⁻¹ of biomethane. Under the assumed market structure, biomethane reaches a levelized production cost of $7.72 MMBTU-1. Overall, this research provides a comprehensive and scalable methodology for exploiting renewable energy potential and improving waste management in agricultural regions
Automatic Rule Checking for Microservices: Supporting Security Analysis with Explainability
No full textSoftware security analysis is often done manually, raising performance and correctness issues. Introducing automation is challenging because human verification of the outcomes is often required, especially for security assessment and certification. The distributed nature of microservice applications further increases these concerns.
We present an approach for automatically checking architectural security rules on models of microservice applications. It provides explainability for verdicts of rules that are expressed as model queries in our rule specification language. This comprehensible, step-by-step evidence leverages traceability information from the input models to link to artifacts in code. Hence, the complete analysis process from source code via model to rule verdict can be traced and verified. Custom rules can be formulated in addition to a library of 25 best-practice architectural security rules.
We evaluated the approach’s correctness by checking the 25 rules on 16 dataflow diagrams of microservice applications with a prototype (called MicroCertiSec) and observed promising results (precision=0.98; recall=1). Additionally, we performed an evaluation with industry experts and academics to gain initial insights into the approach’s usefulness for real-world security analysis. The nine participants gave highly positive feedback on usefulness and usability and stated they would use such an approach in their daily work
Functional partitioning through competitive learning
No full textDatasets often incorporate various functional patterns related to different aspects or regimes, which are typically not equally present throughout the dataset. We propose a novel partitioning algorithm that utilizes competition between models to detect and separate these functional patterns. This competition is induced by multiple models iteratively submitting their predictions for the dataset, with the best prediction for each data point being rewarded with training on that data point. This reward mechanism amplifies each model's strengths and encourages specialization in different patterns. The specializations can then be translated into a partitioning scheme. We validate our concept with datasets with clearly distinct functional patterns, such as mechanical stress and strain data in a porous structure. Our partitioning algorithm produces valuable insights into the datasets' structure, which can serve various further applications. As a demonstration of one exemplary usage, we set up modular models consisting of multiple expert models, each learning a single partition, and compare their performance on more than twenty popular regression problems with single models learning all partitions simultaneously. Our results show significant improvements, with up to 56% loss reduction, confirming our algorithm's utility
Integrierte Wärmeplanung am Beispiel Hamburg Süd
No full textDie Wärmeversorgung in Deutschland muss in den nächsten Jahren dekarbonisiert werden. Dafür kommen verschiedene Technologien in Frage. Insbesondere Wärmenetze und Wärmepumpen werden immer wieder als Technologien genannt. Der Ausbau dieser Technologien ist jedoch mit erheblichen Investitionen verbunden. Das gleiche gilt für den Ausbau anderer Technologien wie Wasserstoff. Aus Sicht einer Kommune oder eines Energienetzbetreibers ist es daher sinnvoll, den Ausbau der verschiedenen Technologien zu koordinieren und gegeneinander abzuwägen.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein Gebiet in Zonen einzuteilen und für jede Zone zu entscheiden, mit welcher Tech-nologie diese Zone optimal versorgt werden sollte. Die Zonen inklusive der aggregierten elektrischen Leis-tung aller Gebäude in der jeweiligen Zone sind in Abb. 1 dargestellt. Dabei wird auch untersucht, ob es sinn-voll sein kann, eine Zone mit mehreren Technologien zu versorgen. Durch eine Sensitivitätsanalyse wird auch der Einfluss externer Faktoren wie Investitions- und Brennstoffpreise auf das Ergebnis der Optimierung un-tersucht.
Als Fallbeispiel wurde aufgrund der guten Datenlage ein Gebiet im Süden Hamburgs mit mehr als 40.000 Gebäuden ausgewählt. Ein Wärmekataster liefert die notwendigen Daten für den Wärmebedarf. Da eine Netzplanung für bestehende Quartiere nur auf Basis der bestehenden Netze erfolgen kann, werden für das Gebiet automatisiert Wärme- und Stromnetze erstellt. Darauf aufbauend wird der Ausbau des Stromnetzes für ver-schiedene Wärmepumpenausbauszenarien mittels Simulationen ermittelt. Alle bestehenden und potenziell neu gebauten Netze werden dann für ein Jahr simuliert. Aus dieser Jahressimulation ergeben sich die notwendi-gen Investitionskosten und Brennstoffkosten. Anhand dieser Kosten ist es möglich, die optimale Technologie oder die optimalen Technologien für die jeweilige Zone zu bestimmen.
Das Ergebnis dieser Methode ist eine Karte, die für jede Zone die optimale Technologie einschließlich der erforderlichen Investitionskosten zeigt. Zusätzlich liefert die Sensitivitätsanalyse Grenzpreise, ab denen die Technologien wirtschaftlich sind
Molkenprotein‐basierte Aerogele als funktionelle Trägersysteme für Zink ‐Struktur, Bindung und Bioverfügbarkeit in Caco‐2‐Enterozyten
No full textAerogele aus Molkenproteinisolat (Whey Protein Isolate, WPI) besitzen eine hohe Porosität und große spezifische Oberfläche, was sie zu vielversprechenden Trägersystemen für essenzielle Mikronährstoffe wie Zink macht. Bisher ist jedoch wenig darüber bekannt, wie Zink-Ionen die Materialeigenschaften beeinflussen, wie viel Zink bei der Aerogelherstellung tatsächlich im Aerogel verbleibt und wie bioverfügbar es im gebundenen Zustand ist.
Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von Zink-Ionen auf die Struktur und Morphologie WPI-basierter Aerogele sowie deren Fähigkeit zur Zinkfreisetzung und zellulären Aufnahme in Caco-2-Enterozyten systematisch zu untersuchen. Hydrogele aus WPI und Zinkchlorid wurden bei pH 1 und pH 3 hergestellt und mit den Kontrollen Calcium- und Natriumchlorid verglichen. Durch Lösungsmittelaustausch und überkritische Trocknung wurden die Hydrogele in Aerogele überführt. Die analytische Charakterisierung umfasste die Metallretention mittels Flammen-AAS, die Proteinstruktur mittels FTIR-Spektroskopie, die spezifische Oberfläche mittels BRUNAUER-EMMETT-TELLER-Analyse sowie die Morphologie mittels Rasterelektronenmikroskopie. Tryptisch verdaute und unverdaute Aerogele wurden mittels SDS-PAGE untersucht und die zelluläre Zinkaufnahme mittels Zinpyr-1-Fluoreszenz in einem Caco-2-Zellmodell bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass lonentyp und pH-Wert die Struktur, Porosität und Oberflächentextur signifikant beeinflussen. Aerogele mit Zink- oder Calcium-Ionen bildeten dabei mehr intermolekulare β-Faltblatt-Strukturen und damit auch mehr Wasserstoffbrücken aus als solche mit Natrium-Ionen. Bei pH 1 führte die ausgeprägte Porosität der Aerogele zu einer geringen Oberfläche, was sowohl eine geringere Metallionenretention als auch eine hohe enzymatische Verdaubarkeit begünstigte. Im Gegensatz dazu, wiesen Aerogele bei pH 3 eine dichtere, weniger großporige Struktur auf, die zu einer höheren Zinkretention und gleichzeitig zu einer geringen Verdaubarkeit führte. Die zellbiologischen Versuche zeigten, dass Zink aus unverdauten Aerogelen nur begrenzt verfügbar war. Nach enzymatischem Verdau der Aerogele konnte jedoch eine erhöhte Zinkaufnahme in Caco-2-Zellen festgestellt werden - diese war jedoch vergleichbar mit der von anorganischem Zinkchlorid ohne Aerogel. Diese Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial von WPI-Aerogelen als gezielt strukturierbare Trägersysteme für Mikronährstoffe und tragen zum Verständnis und zur Entwicklung funktioneller Lebensmittel mit kontrollierter Nährstofffreisetzung bei
Systematic design, modeling and simulation of a biped robot
No full textThe bipedal walking robot, CENTAUROB, is designed to perform the walking over random terrains. It features two symmetrically assigned 6-DOF parallel kinematic mechanisms as legs. This work represents the development phases from structure synthesis, kinematic and dynamic modelling to walking stability. Different formations of 6-DOF legs were analysed through dissection of basic kinematic chains, and the design adopting double Cardan joints was demonstrated. The passive rotation problem was identified and solved through complete kinematic modelling. The inverse dynamic model was built, and the semi-dynamic walking stability was ensured by analysing foot rotation indicator with the load-split algorithm.Der zweibeinige Roboter CENTAUROB, entwickelt für das Gehen auf unebenem Terrain, besitzt zwei 6 DOF Parallelschwenkmechanismen als Beine. Diese Arbeit umfasst die Entwicklungsphasen von Struktursynthese, kinematischer und dynamischer Modellierung bis zur Gangstabilität. Verschiedene Formationen von 6 DOF Beinen wurden durch Analyse kinematischer Grundketten untersucht und das Design mit Doppel Kardangelenken vorgestellt. Das Problem der Passivrotation wurde durch vollständige kinematische Modellierung gelöst. Das inverse Dynamikmodell wurde entwickelt und die halbdynamische Gangstabilität durch die Analyse des Fußrotationsindikators mittels Lastverteilungsalgorithmus sichergestellt
Nonlocal Nernst-Planck-Poisson System for Modeling Electrochemical Corrosion in Biodegradable Magnesium Implants
No full textThis paper provides a comprehensive derivation and application of the nonlocal Nernst-Planck-Poisson (NNPP) system for accurate modeling of electrochemical corrosion with a focus on the biodegradation of magnesium-based implant materials under physiological conditions. The NNPP system extends and generalizes the peridynamic bi-material corrosion model by considering the transport of multiple ionic species due to electromigration. As in the peridynamic corrosion model, the NNPP system naturally accounts for moving boundaries due to the electrochemical dissolution of solid metallic materials in a liquid electrolyte as part of the dissolution process. In addition, we use the concept of a diffusive corrosion layer, which serves as an interface for constitutive corrosion modeling and provides an accurate representation of the kinetics with respect to the corrosion system under consideration. Through the NNPP model, we propose a corrosion modeling approach that incorporates diffusion, electromigration and reaction conditions in a single nonlocal framework. The validity of the NNPP-based corrosion model is illustrated by numerical simulations, including a one-dimensional example of pencil electrode corrosion and a three-dimensional simulation of a Mg-10Gd alloy bone implant screw decomposing in simulated body fluid. The numerical simulations correctly reproduce the corrosion patterns in agreement with macroscopic experimental corrosion data. Using numerical models of corrosion based on the NNPP system, a nonlocal approach to corrosion analysis is proposed, which reduces the gap between experimental observations and computational predictions, particularly in the development of biodegradable implant materials
DEALA — A novel economic life cycle impact assessment method for differentiated economic assessments in the context of life cycle sustainability assessments
No full textLegislation and market competition make it necessary to assess systems regarding their environmental, social, and economic impacts. The life cycle sustainability assessment (LCSA) approach can be used for this purpose. However, the literature shows limitations of this approach. This article focuses on the often encountered inconsistency and reduced transparency within the economic dimension due to the lack of harmonized impact assessment methods. Therefore, we propose a novel economic life cycle impact assessment (eLCIA) method called DEALA (Differentiated Economic Assessment in a Life Cycle‐Oriented Analysis), which allows economic assessments at three levels of aggregation. Overall, DEALA is based on economic principles and provides a structured approach to conduct environmental life cycle costing studies, resulting in greater transparency, comparability, and flexibility, as illustrated by an initial comparison with an existing case study. DEALA also facilitates a differentiated and detailed analysis of the results so that hotspots and improvement potentials can be identified, making DEALA a suitable economic LCIA method that should be considered in future studies. These benefits are confirmed through a LCSA of a battery supply chain. The assessment provides detailed and specific insights that can be used to design more sustainable battery supply chains