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High Pressure Synthesis of Pr₂O₅ – A Unique Lanthanoid(IV) Oxide Peroxide
Full text linkReacting praseodymium(IV) oxide with oxygen at 27 GPa in a diamond anvil cell yielded the oxide peroxide Pr₂IV(O₂)O₃, which was characterized by single crystal X‐ray diffraction on multi‐grain samples, Raman spectroscopy and quantum theoretical calculations at various pressure points. The presence of tetravalent praseodymium ions is supported by electronic structure calculations, showing a band gap of ca. 1.2 eV, which is consistent with the anticipated chemical model of an ionic solid. Pr₂(O₂)O₃ thus far represents the most oxygen rich phase of any binary compound of a lanthanoid and oxygen and is the first example of a peroxide anion next to Pr⁴⁺. Additionally, these results demonstrate that instead of oxidizing the praseodymium ions past their +IV oxidation state, oxygen undergoes a comproportionation to form peroxide anions. Direct oxidation of the oxide anions by Pr⁴⁺‐ions was ruled out by a control experiment in argon instead of oxygen, where no oxidation of oxide ions was observed
Erfahrungsbasierte visuelle Lokalisierung für intelligente Fahrzeuge
Full text linkIntelligente Fahrzeuge wie ein autonom fahrendes Straßenfahrzeug benötigen für die Ausführung ihrer Bewegungsaufgabe eine Lokalisierung, d.h. sie müssen ihre eigene Position und Lage in der Umgebung ermitteln können. Eine erfahrungsbasierte visuelle Lokalisierung, die Erfahrungswissen aus vorherigen Befahrungen des Gebietes nutzt, ist ein vielversprechender Ansatz, um für diese Fahrzeuge eine Lokalisierung mit der erforderlichen Genauigkeit und Verfügbarkeit bereitzustellen. Der erfahrungsbasierte Ansatz erfordert die Verwendung von visuellen Langzeit-SLAM-Verfahren, die tausende Kameraposen und Landmarken verarbeiten, welche in Zeiträumen von Tagen bis Jahren erfasst wurden. In dieser Arbeit wird als konkrete Umsetzung eines solchen Verfahrens das LLama-SLAM-Verfahren entwickelt, das aus einer Reihe von Fahrtaufzeichnungen mit Stereokamera- und GNSS-Daten eine Karte mit generischen Langzeit-Landmarken aufbaut.
Das LLama-SLAM-Verfahren enthält drei wesentliche Bausteine. Der erste Baustein ist eine Methode zum Vergleich visueller Merkmalsfolgen, um bereits bekannte Landmarken wiederzuerkennen. Für denVergleich von Merkmalsfolgen wurden sieben Vergleichsmethoden entwickelt, die auf binären Deskriptorverfahren basieren. Eine Bewertung dieser Methoden hinsichtlich Güte und Recheneffizienz zeigt, dass die CoMa-Vergleichsmethode, die einen kombinierten Merkmalsfolgendeskriptor verwendet und unzuverlässige Deskriptorbits maskiert, am besten für den Einsatz in einem Langzeit-SLAM-Verfahren geeignet ist. Der zweite Baustein ist ein optimierungs- bzw. graphbasiertes Verfahren zum Lösen großer SLAM-Probleme. Es wird erläutert, wie ein solches optimierungsbasiertes SLAM-Problem formuliert und mit dem Levenberg-Marquardt-Verfahren gelöst wird. Außerdem werden konkrete Graph-SLAM-Elemente beschrieben, die verwendet werden, um Landmarkenbeobachtungen, GNSS-Positionsmessungen und 3D-Odometriemessungen einzubinden. Der dritte Baustein ist ein Verfahren zur Bewertung generischer Langzeit-Landmarken (LLamas), das steuert, welche Landmarken für die Lokalisierung verwendet werden. Hierfür wird ein probabilistisches Qualitätsmodell verwendet, das auch die Beobachtungsposition berücksichtigt und effizient iterativ berechnet werden kann. Durch die Qualitätsbewertung kann das LLama-SLAM-Verfahren beliebige Umgebungsstrukturen als Landmarken erlernen und ist nicht auf die Verwendung spezifischer Objektklassen beschränkt.
Die Lokalisierungsfähigkeit des LLama-SLAM-Verfahrens und der Einfluss verschiedener Parameter wurden experimentell auf einem Langzeitdatensatz mit 24 Fahrtaufzeichnungen untersucht. Für die Versuchsdaten konnte gezeigt werden, dass durch die qualitätsgesteuerte Auswahl von Landmarken mit wenigen Landmarken hoher Qualität ähnliche oder bessere Lokalisierungsergebnisse erzielt werden können als mit vielen Landmarken geringerer Qualität. Bereits 10 bis 20 Landmarken pro Kamerapose führten bei den betrachteten Metriken zu geringen Lokalisierungsfehlern und die Hinzunahme weiterer Landmarken führte nur in einzelnen Fällen zu wesentlichen Verbesserungen. Die angestrebte Lokalisierungsgenauigkeit, die für autonomes Fahren im urbanen Bereich benötigt wird, konnte auf den Versuchsdaten nicht erreicht werden, was zumindest teilweise auf größere Fehler in den verwendeten GPS-Messungen zurückzuführen ist. Es konnte jedoch eine Verbesserung gegenüber einer reinen GPS-Lokalisierung festgestellt werden, insbesondere für den Gierwinkel des Fahrzeugs. In den Experimenten wurde außerdem gezeigt, dass bei Verwendung des LLama-SLAM-Verfahrens zunehmendes Erfahrungswissen in Form von mehr und mehr Fahrtaufzeichnungen zu einer deutlichen Verbesserung der absoluten Lokalisierungsgenauigkeit führt
Wavelet Enhanced LSTM for Accurate Streamflow Modeling Addressing Nonlinearity and Nonstationarity in Hydrological Data
Full text linkFlood prediction is challenging due to increasing climate variability and nonlinear, nonstationary hydrological data. We propose a novel hybrid model, Wavelet Long Short-Term Memory (WLSTM), combining wavelet transforms with LSTM networks. Wavelet decomposition allows separation of frequency components, enhancing LSTM’s ability to learn both short- and long-term dependencies. Applied to streamflow data from 16 stations in Hessen (2000–2017), WLSTM reduced RMSE by 66.43% and MAPE by 45.49%, while increasing R² by 2.06%. These improvements highlight its effectiveness in modeling complex hydrological dynamics. WLSTM offers a robust tool for adaptive flood risk management under climate change
Development of Sn/SnO₂ hard carbon composites via solvothermal synthesis as anode material for sodium-ion and lithium-ion batteries
Full text linkThis research focuses on the development of carbon sphere composites derived from glucose and fructose, encapsulating metallic tin (Sn) via conventional and microwave-assisted solvothermal/hydrothermal synthesis for sodium-ion battery (SIB) anodes. The rationale behind combining Sn with hard carbon lies in Sn's high theoretical capacity through Na alloying, although its major drawback—up to 420% volume expansion—necessitates encapsulation strategies to maintain structural stability. A range of synthesis parameters, including temperature, precursor types, and solvents, were explored. Materials were subjected to pyrolysis at 600 °C, 850 °C, and 1100 °C. Notably, SnCl₂-derived composites showed superior Sn distribution and electrochemical stability compared to those from SnO₂. The best-performing sample, C2_SnCl2_600_1100, achieved a stable sodiation capacity of 418 mAh g⁻¹ over 100 cycles with 59.1% retention. Traditional solvothermal routes revealed issues like incomplete carbonization and Sn agglomeration, while microwave-assisted synthesis offered faster processing and improved stability. Raman, XRD, and SEM analyses confirmed phase evolution, graphitization, and morphology. Although Sn-containing composites showed poor cycling in lithium-ion batteries, they performed well in SIBs. Overall, this study presents a promising route to engineer Sn–carbon composites for sodium storage and highlights the potential of microwave-assisted synthesis to lower energy use while enhancing performance. Further optimization is necessary to advance these materials for next-generation energy storage
Transaktive Betriebsführung vernetzter Wärme- und Kältesysteme an Produktionsstandorten
Full text linkDurch die forcierte Dekarbonisierung finden sich energieintensive Unternehmen mit hohen thermischen Energiebedarfen in einem Spannungsfeld ökonomischer und ökologischer Ziele wieder. Dabei erhöhen die erforderlichen Transformationsmaßnahmen die Komplexität industrieller Wärme- und Kältesysteme und folglich die Anzahl möglicher Betriebszustände. Hieraus resultieren Herausforderungen bei der Entwicklung energieoptimierter Betriebsführungskonzepte, welche gleichzeitig die Anforderungen an Skalierbarkeit und Adaptivität erfüllen. In elektrischen Energiesystemen wird diesen Herausforderungen zunehmend mit transaktiven Konzepten auf Basis lokaler Energiemärkte begegnet. Die vorliegende Arbeit transferiert diesen Ansatz durch die holistische Entwicklung eines auktionsbasierten Multiagentensystems auf die vernetzten, thermischen Energiesysteme eines Produktionsstandorts anhand folgender Forschungsclusterstruktur.
Forschungscluster 1 beschreibt die statische und dynamische Interaktion von Betriebsführungsmodul und Agentenumgebung. Forschungscluster 2 modelliert ein Multiagentensystem auf Basis lokaler Energiemärkte für die gekoppelten thermischen Netze eines Produktionsstandorts. Ein Energiemarkt besteht aus einem Marktagenten, der den algorithmischen Handel von Kurz- und Langfristkontrakten mit unterschiedlichen Handelsvorlaufzeiten ermöglicht, sowie einer beliebigen Anzahl an Handelsagenten. Die Handelsagenten repräsentieren technische Systeme wie thermische Wandler, Verbraucher, Speicher oder netzverknüpfende Elemente wie Wärmepumpen und -übertrager. Zur virtuellen Abbildung des Energiesystems durch ein dynamisches Simulationsmodell wird in Forschungscluster 3 eine objektorientierte Modellbibliothek unter Herleitung eines konsistenten Basisdatenmodells entwickelt. Gleiches gilt für äquivalente Automationsbibliotheken in Forschungscluster 4. Alle Modelle werden in unabhängigen Open-Source-Lösungen implementiert.
Schließlich wird das Betriebsführungskonzept anhand des thermischen Energiesystems der ETA-Fabrik der Technischen Universität Darmstadt validiert. Die simulative Anwendung erfolgt für sechs Agentensystemkonfigurationen und verschiedene Jahreszeiten. Hierbei reduzieren sich die Energiekosten unter Beibehaltung der Versorgungssicherheit für die performanteste Agentensystemkonfiguration um 21,5 % gegenüber einem regelbasierten Referenzkonzept. Im Anschluss wird diese Konfiguration zur Funktionalitätsdemonstration erfolgreich auf das Realsystem transferiert. Die Ergebnisse der virtuellen und realen Anwendung bestätigen die Potenziale lokaler Energiemärkte zur Implementierung eines skalierbaren und adaptiven Automationsansatzes, der die effiziente Ressourcenallokation unter Gewährleistung der Versorgungssicherheit in industriellen, thermischen Energiesystemen ermöglicht
Breitbandige Laserkühlung relativistischer Ionenstrahlen: Erste Experimente und Weiterentwicklung des UV-Lasers
Full text linkDie Kühlung von Ionenstrahlen in Beschleunigerringen auf geringe relative Impulsverteilungen ist essentiell für präzise Experimente, insbesondere in der Spektroskopie und bei Kollisionsexperimenten. Etablierte Methoden wie die Elektronen- und die stochastische Kühlung stoßen bei hochrelativistischen, intensiven Ionenstrahlen aufgrund der stark verlängerten Kühlzeiten an ihre Grenzen. Eine Alternative bietet die Laserkühlung gebündelter Ionenstrahlen, die als einzige Kühlmethode am Schwerionensynchrotron SIS100 der FAIR-Beschleunigeranlage geplant ist. Laserkühlung von Ionenstrahlen wurde bereits an mehreren Anlagen demonstriert, etwa 2012 an relativistischen C³⁺-Ionenstrahlen mit einem schmalbandigen UV-Dauerstrichlaser am Experimentierspeicherring ESR des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung.
Zur Kühlung mehrerer Ionengeschwindigkeitsklassen und zur Verringerung interner Aufheizprozesse wie des Intrabeam Scatterings ist bei schmalbandigen Dauerstrichlasern eine ständige Verstimmung der Laserfrequenz notwendig. Alternativ ermöglicht die für Kurzpulslaser typische große Frequenzbreite eine simultane Adressierung mehrerer Geschwindigkeitsklassen, wodurch breitbandige Laserkühlung realisiert werden kann. Dieses Prinzip wurde 2021 erstmals an hochenergetischen gebündelten C³⁺-Ionenstrahlen am ESR demonstriert. Zur Adressierung der Ionen wurde ein leistungsstarkes Lasersystem mit flexiblen Pulsdauern zwischen 50 ps und 735 ps und hohen Repetitionsraten von 1 MHz bis 10 MHz verwendet. Während gepulste Lasersysteme durch ihre breite Laserkraft mehrere Geschwindigkeitsklassen adressieren können, bleibt die finale Strahltemperatur höher als bei Dauerstrichlasern. Am SIS100 ist eine Kombination aus Dauerstrich- und zwei Kurzpulslasern mit unterschiedlichen Frequenzbreiten geplant, um die Vorteile aller Systeme zu vereinen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der weiterführenden Analyse des Strahlexperiments zur breitbandigen Laserkühlung von gebündelten C³⁺-Ionenstrahlen. Der Fokus liegt auf der Auswirkung unterschiedlicher Frequenzbreiten des Pulslasers auf kontinuierliche Ionenstrahlen und der erstmaligen Demonstration der Laserkühlung gebündelter C³⁺-Ionenstrahlen mit kurzen Laserpulsdauern von 285 ps und 166 ps bei einer hohen Repetitionsrate von über 9 MHz. Zudem wird die Weiterentwicklung des gepulsten Lasersystems beschrieben, das hohe Durchschnittsleistungen und große Frequenzverstimmungen bietet, um den Anforderungen hochrelativistischer Ionenspezies am SIS100 gerecht zu werden. Durchschnittsleistungen von 5,3 W bei 257,25 nm und ein Verstimmbereich von 3,39 THz im UV-Bereich werden demonstriert, wobei eine Regelung mit aktiver Rückkopplung zur Optimierung der kritischen Phasenanpassung eingesetzt wird
Liquid Fuel Atomization and Evaporation in Complex Geometries Using High-Fidelity Multi-Scale Simulation Methods
Full text linkModern combustion systems used in applications like automotive, ship and aerospace engines are increasingly focused on advanced technologies that may enable to reduce pollutant emissions and incorporate carbon neutral fuels. In such systems mainly fired with liquid fuel, the process of liquid injection is essentially realized under non-isothermal conditions making the whole liquid injection a very complex phenomenon featuring a wide range of length and time scales. Thereby, complex interaction processes take especially place between flow dynamics, atomization, evaporation, turbulent mixing and combustion, which critically influence fuel-air mixture formation and pollutant generation. Understanding these processes is vital not only for advancing nozzle design, but also for optimizing fuel-air mixing, and improving combustion efficiency. High fidelity numerical simulation techniques are able to support such a challenge.
That is why, in the present work, a novel multiscale approach is developed which saves computational costs and is able to capture correctly the whole spray formation and dispersion while including the in-nozzle flow, the liquid fuel atomization and the phase change throughout the spray regions. The suggested approach consists in a seamless coupling of the Volume of Fluid (VOF) method and the Lagrangian Particle Tracking (LPT) within a high-fidelity framework based on Large Eddy Simulation (LES) techniques. Adaptive Mesh Refinement (AMR) is incorporated into the simulation setting to dynamically enhance the resolution of the liquid-gas interface, effectively lowering computational costs while ensuring accuracy. The coupling algorithm is implemented into the open source CFD code OpenFOAM.
First, the model is developed and validated to deal with isothermal applications of liquid jet injection, and then applied to three practical configurations, namely the liquid jet injection in cross-flow (LJICF), the spray atomization from a pressure swirl atomizer, and the spray atomization with co-flow effects from a spray burner. The results successfully reproduce the key atomization processes, including the in-nozzle flow, the jet penetration, the breakup and the droplet dispersion, while highlighting the significant influence of turbulent co-flow on the spray cone angle, sheet thickness, breakup length and droplet distribution.
Encouraged by these impressive achievements, the approach could be then extended by consistently integrating the phase change into the overall modeling. This makes it possible to investigate practical configurations under non-isothermal conditions. Two cases are selected for this purpose. The first allows to analyze and quantify the influence of evaporation on the entire spray evolution in LJICF. The second brings to the fore the effects of different crossflow temperatures on atomization, evaporation, spray dispersion, interaction between turbulence and evaporation, as well as on turbulent mixing in LJICF. Overall, the extended methodology effectively captures the influence of phase change on spray dynamics in the near-nozzle region, including instabilities, breakup through appropriate breakup diagram, and penetration length of the liquid jet. In addition, it allows to quantify the influence of crossflow temperature on evaporation rates, droplet sizes, turbulence-evaporation interaction thanks to a targeted evaporation Damköhler number, and turbulent mixing through specific selected measures in the dilute spray region far from the nozzle. Comparisons with experimentally available data demonstrate the predictive accuracy and reliability of the developed approaches. In summary, these accomplishments ensure significant progress both in the development of the methodology and in the analysis of the phenomena. The established method provides a solid basis for future extensions, including combustion and other complex processes
Crystal structure of dilithium (nitridolithiate/manganate(I)), Li₂[(Li₁₋ₓMnₓ)N], x = 0.73
Full text linkLi₂.₂₇Mn₀.₇₃N, hexagonal, P6/mmm (No. 191), a = 3.7263(4) Å, c = 3.8281(4) Å, V= 46.0 ų, Z= 1, Rgt(F) = 0.025, wR(F²) = 0.063, Τ = 293 Κ
High‐speed drive‐by monitoring: field testing with an intercity express train (ICE)
Full text linkThe structural condition of bridges in Germany is often affected by aging and increased traffic loads. However, retrofitting or renewing all bridges is not always feasible due to limited resources. Indirect or drive‐by monitoring of bridges with sensors on passing vehicles has been explored as a cost‐effective and scalable alternative to direct monitoring. In this study, we propose a novel High‐Speed Monitoring (HSM) method for determining natural frequencies, based on accelerometers mounted on train axles, developed for speeds under normal operating conditions. In combination with Bayesian optimisation, a resonance curve can be generated using only a few bridge passages, from which the dominant bending natural frequency of a bridge can be determined with an accuracy comparable to direct monitoring. Measurements on an ICE‐TD passaging bridges travelling at high speeds of up to 200 km/h have shown that the natural frequencies can be determined with the same accuracy as direct measurements. Thus, in this study we were able to show that the method is not only accurate, cost‐effective and scalable, but can also be applied at high speeds without affecting operations
Investigations on the execution and evaluation of the Pummel test for polyvinyl butyral based interlayers
Full text linkLaminated safety glass (LSG) is increasingly used as structural element in buildings. Of central importance for safety are the adhesion and the residual load-bearing capacity in the post fractured state. In literature a large number of tests to assess adhesion is mentioned. These include, e.g. peel tests, through-cracked-tensile/-bending tests, VW-pull tests and compressive shear tests. However, especially in industry, the Pummel test is widespread for determining the quality of adhesion in LSG with polyvinyl butyral based interlayers. This test method proves to be simple and quick to carry out: The laminate is stored at − 18 °C and then completely destroyed at room temperature with hammer blows. The adhesion level (0–10) is determined by visually comparing the adhering glass fragments with reference pictures or with the help of diagrams and tables which indicate the Pummel value as a function of the free film surface. Pummel value 0 is to be interpreted as no adhesion and Pummel value 10 as very high adhesion. Due to the lack of standardization, the execution and evaluation is very much dependent on the test institution and executive person. This paper shows different Pummel classifications that can currently be found on the market. Subsequently, approaches to the automatization and standardization of the execution and especially the evaluation of the Pummel test are shown. Three image evaluation methods in Matlab are presented, discussed and compared: (1) analysis of binary images, (2) statistical evaluation of the greyscale images and (3) texture analysis using co-occurrence matrices