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Development and Assessment of Simplified Conductance Models for the Particle Exhaust in Wendelstein 7-X
Get PDFThe particle exhaust system plays a pivotal role in fusion reactors and is essential for ensuring both the feasibility and sustained operation of the fusion reaction. For the successful development of such a system, density control is of great importance and some key design parameters include the neutral gas pressure and the resulting particle fluxes. This study presents a simplified conductance-based model for estimating neutral gas pressure distributions in the particle exhaust system of fusion reactors, focusing specifically on the sub-divertor region. In the proposed model, the pumping region is represented as an interconnected set of reservoirs and channels. Mass conservation and conductance relations, appropriate for all flow regimes, are applied. The model was benchmarked against complex 3D DIVGAS simulations across representative operating scenarios of the Wendelstein 7-X (W7-X) stellarator. Despite geometric simplifications, the model is capable of predicting pressure values at several key locations inside the particle exhaust area of W7-X, as well as various types of particle fluxes. The developed model is computationally efficient for large-scale parametric studies, exhibiting an average deviation of approximately 20%, which indicates reasonable predictive accuracy considering the model simplifications and the flow problem complexity. Its application may assist early-stage engineering design, pumping performance improvement, and operational planning for W7-X and other future fusion reactors
Influence of the backbone chemistry and side-chain spacer flexibility in sodium single-ion conducting polymer electrolyte for sodium-batteries
Get PDFBranching ratios for Higgs-mixed scalars at the GeV scale from hadronisation models with conservation laws
Get PDFWe investigate the decay modes of a CP-even scalar boson that mixes with the Standard Model Higgs boson, focusing on the mass range between 2 GeV and . Starting from a higher-order perturbative calculation of the inclusive decays and , we employ a hadronisation model to obtain predictions for individual hadronic final states. Our hadronisation model is based on the Herwig cluster model, but incorporates various conservation laws to determine the allowed final states and their respective weights. The model includes two tunable parameters, which we determine using dispersion relation results at GeV, enabling extrapolation to higher masses. Our predictions show that two-particle hadronic final states like and dominate over for near 2 GeV, suggesting promising targets for future experimental searches
Efficient and Correct Persistent Memory File Systems
Get PDFPersistent memory (PM) is a novel storage technology that enables byte-granular direct access from the CPU with low latency.
Compared to traditional asynchronous block storage, this access paradigm allows file systems to offer stronger persistence guarantees at lower latency.
However, it also introduces new challenges for performance, efficiency, and correctness.
PM\u27s small atomic write size requires careful use of PM primitives to prevent data loss in the event of a crash.
Overloading PM with parallel accesses results in expensive CPU stalls.
This thesis investigates the efficiency and correctness of PM file systems.
First, we introduce efficiency metrics that quantify CPU time and energy cost per unit of storage access.
We show that many existing PM file systems perform poorly under parallel load.
To address PM overload, we design mitigation mechanisms that integrate with existing file systems and a monitoring technique to attribute direct-access PM traffic to processes.
Second, to improve correctness, we present Suvi, an approach to black-box crash consistency testing for PM file systems.
Suvi traces a file system\u27s PM and NVMe SSD accesses in a virtual machine and replays the trace with an accurate simulation of x86 store-order semantics.
Suvi generates crash images using two heuristics to avoid combinatorial explosion, and then automatically analyzes the crash images to detect atomicity bugs.
Together, these contributions provide measurement tools, mitigation strategies, and testing infrastructure to make PM file systems more efficient and more reliable
Modellierung und Simulation flüssiger und fester Schäume
Get PDFPoröse Materialien und Schäume spielen in verschiedenen Bereichen eine entscheidende Rolle, von Leichtbaumaterialien in der Luft- und Raumfahrt bis hin zu biomedizinischen Implantaten. Bei traditionellen Fertigungsverfahren ist es jedoch oft schwierig, die gewünschten physikalischen Eigenschaften zu erreichen. Schaumtemplatierung ist ein neuer Ansatz zur Entwicklung von Werkstoffen mit maßgeschneiderten Strukturen und vorhersagbaren Eigenschaften. Computergestützte Methoden bieten eine vielversprechende Lösung für die Prozessoptimierung, indem sie Einblicke in die Bildung der Schaummikrostruktur geben und diese mit den resultierenden physikalischen Eigenschaften verknüpfen. Diese Arbeit bietet einen umfassenden Ansatz zur Optimierung von Schaumtemplatierungsprozessen durch die Verknüpfung numerischer Simulationen der Mikrostrukturbildung flüssiger Schäume mit Berechnungen der mechanischen Eigenschaften fester Schäume.
Unter Verwendung des Konzepts der digitalen Zwillinge zielt die Studie darauf ab, Korrelationen zwischen mikrostrukturellen Parametern und den resultierenden physikalischen Eigenschaften des Schaums aufzustellen. Sie verbessert das Verständnis des Materialverhaltens und trägt zur Entwicklung maßgeschneiderter Schäume für spezifische Anwendungen bei, indem sie starke StrukturEigenschafts-Beziehungen entlang der gesamten Prozesskette der Schaumherstellung etabliert. Der in dieser Arbeit verwendete numerische Ansatz nutzt die Phasenfeldmethode, um einen mehrskaligen Modellierungsrahmen zu schaffen. Dieses Framework wurde auf numerische Simulationen von Schäumen angewandt und ermöglicht die Vorhersage ihrer Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften.
Die Algorithmen, die die Schaumalterung abbilden, umfassen Beschreibungen des spontanen Reißens von Schaumfilmen und der Koaleszenz von Blasen. Darüber hinaus berücksichtigen sie den druckbedingten diffusiven Gastransfer zwischen Blasen (Ostwald-Reifung). Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Simulationsstudien alternder Schäume, die diese Mechanismen berücksichtigen, die Entwicklung der Mikrostruktur in flüssigem Schaum mit sehr geringem Flüssigkeitsanteil im Grenzfall sehr trockener Schäume (engl. dry foam limit) vorhersagen. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Dynamik der Schaumalterung abgebildet wird. Darüber hinaus eignet sich die Methode gut für großskalige Mikrostruktursimulationen.
Dies ermöglicht es, statistische Eigenschaften von Schäumen zu untersuchen, die auf den Charakteristika der Strukturen auf der Blasenskala basieren.
Verschiedene geometrische Parameter beeinflussen das Materialverhalten fester Schäume unter mechanischer Last. Die vorgestellte Methode umfasst zwei Schritte. Im ersten Schritt werden offenporige Schaumstrukturen digital generiert und ausgelegt mithilfe eines Algorithmus, der eine präzise Regulierung der Geometrie erlaubt. Im zweiten Schritt werden die effektiven mechanischen Eigenschaften aus numerischen Simulationen von Druckversuchen im elastischen Bereich abgeleitet. Das numerische Modell ermöglicht eine genaue Vorhersage der mechanischen Eigenschaften fester Schäume. Simulationsstudien an den erzeugten Schaumstrukturen zeigen signifikante Unterschiede bezüglich des effektiven Elastizitätsmoduls, was den entscheidenden Einfluss der Schaumgeometrie unterstreicht.
Das in dieser Dissertation vorgestellte digitale Framework bietet ein leistungsfähiges Werkzeug, um den Prozess der Schaumtemplatierung zu verstehen und zu optimieren. Die Methode gibt Einblicke in die Auswirkungen grundlegender Faktoren, die die Entwicklung und Dynamik des zerfallenden Flüssigschaums bestimmen. Sie ermöglicht die Optimierung von Schaumstrukturen hinsichtlich gewünschter mikrostruktureller Eigenschaften. Zusätzlich ermöglicht sie eine eingehende Untersuchung der Auswirkungen der Geometrie auf die mechanischen Eigenschaften. Der vollständig digitale Workflow bietet einen Ansatz für den Entwurf und die Optimierung von maßgeschneiderten Schäumen mit präziser mechanischer Leistungsfähigkeit, indem die Schaumgeometrie reguliert und die effektiven mechanischen Eigenschaften aus Simulationsdaten extrahiert werden
Lehrkräftegesundheit - Was Schulleitungen tun (können)
No full textWie erleben Schulleitungen ihre Rolle für die Gesundheit des Kollegiums? Die Masterarbeit der Lehramtsstudentin Sofie Wirth am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gibt Einblick in Perspektiven aus Baden-Württemberg – mit klaren Impulsen für die Praxis
Comparison of environmental impacts in the production of graphene from biomass waste and the Hummers\u27 method
No full textNMR-basierte Metabolomstudien an Medaka sowie humanen Immunzellen
No full textIn dieser Arbeit werden NMR-spektroskopische Untersuchungen des Metaboloms zweier biologischer Systeme vorgestellt. Hierbei handelt es sich um den japanischen Reisfisch Medaka sowie humane Immunzellen.
Der erste Teil umfasst die Analyse des Stoffwechselprofils unterschiedlicher Inzucht-Stämme des Modellorganismus Medaka. Diese bieten ideale Voraussetzungen, um zu erforschen, wie das Genom sowie äußere Faktoren den Phänotyp beeinflussen und welche Rolle der Stoffwechsel in diesem Zusammenhang spielt. Während die Auswirkungen von Umweltfaktoren auf den Stoffwechsel und damit das Metabolom von Medaka bereits in zahlreichen Forschungsarbeiten betrachtet wurden, ist der Einfluss des Genoms noch weitgehend unbekannt.
Im Rahmen dieser Dissertation wurde zunächst evaluiert, inwieweit sich der genetische Hintergrund verschiedener Medaka Inzucht-Stämme im Leber-Metabolom widerspiegelt. Hierzu wurden 1H-NMR-Spektren von Leberextrakten männlicher und weiblicher Fische der beiden Stämme HO5 und iCab aufgenommen und mittels uni- sowie multivariater statistischer Methoden verglichen. Dabei konnten zahlreiche Metaboliten identifiziert werden, deren relative Konzentration sich zwischen den Inzucht-Stämmen unterscheidet. Diese weisen auf eine unterschiedliche Aktivität diverser Stoffwechselwege hin, wie etwa den Harnstoffzyklus, das Malat-Aspartat-Shuttle, den Cori-Zyklus sowie die Melanin- und Taurinsynthese. Auch zwischen männlichen und weiblichen Fischen waren Unterschiede im Metabolom erkennbar, die zwar geringer ausgeprägt, aber dennoch signifikant waren. Die vorliegenden Ergebnisse belegen zum einen, dass das Leber-Metabolom von Medaka abhängig vom genetischen Hintergrund variiert. Zum anderen konnte gezeigt werden, dass die hier verwendete NMR basierte Methode geeignet ist, um diese subtilen Abweichungen zu erfassen. Folglich könnten NMR-basierte metabolische Untersuchungen zukünftig genomweite Assoziationsstudien an Medaka ergänzen.
Anschließend wurde das Metabolom von Medaka-Embryonen untersucht. Aus embryonalen Stammzellen der beiden Inzucht-Stämme iCab und QuiH werden, statt wie bisher üblich aus Säugetierzellen, in der Arbeitsgruppe von Prof. Joachim Wittbrodt an der Universität Heidelberg Netzhaut-Organoide entwickelt. Dies gelang allerdings bisher nur mit Stammzellen des iCab-Stammes. Somit stellt sich die Frage welchen Einfluss der genetische Hintergrund auf das Differenzierungspotenzial hat. Da im Rahmen dieser Arbeit zuvor bereits Unterschiede im Leber-Metabolom zweier Inzucht-Stämme identifiziert wurden, kann die Untersuchung des Metaboloms einen Ansatzpunkt bieten, um das unterschiedliche Differenzierungspotenzial der Zellen besser zu verstehen. Analog zu den Leberproben wurden 1H-NMR-Spektren von Embryonen des iCab- und QuiH-Stammes aufgenommen und das metabolische Profil mittels uni- und multivariater statistischer Methoden verglichen. Hierdurch konnten diverse Metaboliten identifiziert werden, deren Konzentration sich zwischen den Inzucht-Stämmen unterscheidet und die mit der Differenzierung der Zellen in Richtung retinalen Gewebes in Verbindung stehen könnten. Besonders interessant ist die Beobachtung einer höheren Konzentration von Taurin, Betain und Methionin bei iCab-Embryonen. Taurin wird nachweislich in hohen Mengen in der Netzhaut produziert und ist für die Entwicklung und den Erhalt der selbigen notwendig. Betain und Methionin sind entscheidend für epigenetische Veränderungen, welche wiederum die Zelldifferenzierung beeinflussen können. Der tatsächliche Effekt dieser Substanzen auf die Entwicklung von Netzhaut-Organoiden aus embryonalen Stammzellen von Medaka wird zum aktuellen Zeitpunkt in der Arbeitsgruppe von Prof. Wittbrodt untersucht.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde anhand einer Analyse des Zellkulturmediums der Einfluss unterschiedlicher Konzentrationen des bakteriellen Endotoxins Lipopolysaccharid (LPS) auf die Entzündungsreaktion sowie den Metabolismus kultivierter humaner peripherer mononuklearer Blutzellen (PBMCs) ermittelt. LPS ist nicht nur ein bedeutender Auslöser akuter Entzündungsreaktionen nach einer bakteriellen Infektion, sondern auch niederschwelliger, nicht-infektiöser Entzündungen, deren Untersuchung Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist.
Als Erstes wurde analysiert, wie genau die Bedingungen in vitro die physiologische Umgebung der Zellen im Blut abbilden. Obwohl unphysiologische Bedingungen den zellulären Metabolismus maßgeblich beeinflussen können, wird dieser Aspekt in vielen Untersuchungen vernachlässigt. Mittels NMR-Spektroskopie wurde die Zusammensetzung des Zellkulturmediums sowie die Konzentration der einzelnen Komponenten bestimmt und mit der Menge im Blut verglichen. Dabei stellte sich heraus, dass die Bestandteile des Zellkulturmediums zwar im Wesentlichen denen von Blutserum entsprechen, die Konzentration einiger Substanzen jedoch deutlich abweicht. Diese Beobachtungen können zukünftig genutzt werden, um ein zellspezifisches Kulturmedium zu entwickeln.
Um zu evaluieren, ab welcher LPS-Konzentration ein inflammatorischer Zustand der Zellen induziert wird, wurden PBMCs durch die Arbeitsgruppe von Dr. Manuel Rodriguez Gomez am Max Rubner-Institut in Karlsruhe durch LPS in einem Konzentrationsbereich zwischen 0.001 und 0.1 ng/ml stimuliert und über mehrere Tage kultiviert. Dieser LPS-Spiegel, der weit geringer ist als bisher in einschlägigen Studien üblich, soll die Bedingungen eines niederschwelligen Entzündungszustandes möglichst realitätsgetreu abbilden. Um das Vorliegen eines pro-inflammatorischen zellulären Phänotyps beurteilen zu können, wurde die extrazelluläre Konzentration der Zytokine Interleukin-6 (IL-6) und IL-8 bestimmt. Zugleich wurde im Rahmen dieser Dissertation der Verlauf verbrauchter und neu gebildeter Substanzen im Zellkulturmedium mittels 1H-NMR-Spektroskopie und anschließender statistischer Datenauswertung analysiert. Dadurch sollte ermittelt werden, ob diese Methode ebenso wie die gängigere aber deutlich aufwendigere Untersuchung intrazellulärer Metaboliten geeignet ist, um metabolische Veränderungen nach Stimulation mit LPS zu erfassen. Bereits bei Stimulation mit der zweitniedrigsten LPS-Konzentration von 0.005 ng/ml wies die Zunahme der Konzentration an IL 6 und IL 8 auf einen pro-inflammatorischen Zustand der Zellen hin. Gleichermaßen konnte ab dieser LPS-Konzentration eine Veränderung in der extrazellulären Konzentration diverser Substanzen beobachtet werden. Besonders auffällig war die hohe Umsetzungsrate von Glucose zu Lactat. Verantwortlich hierfür dürfte die Verschiebung des Stoffwechsels vom Citratzyklus zur sogenannten aeroben Glykolyse sein, ein charakteristisches Merkmal pro-inflammatorischer Immunzellen. Eine weitere Auffälligkeit war die Sekretion von Glutamat, welches eine wichtige Rolle als Immunmodulator spielt.
Diese Beobachtungen zeigen, dass bereits extrem niedrige LPS-Konzentrationen im Bereich von Pikogramm pro Milliliter zu einer Entzündungsreaktion in humanen Immunzellen führen können. Die NMR-spektroskopische Analyse des Zellkulturmediums bietet hierbei eine einfache und schnelle Möglichkeit, die damit einhergehende Umstellung des Stoffwechsels anhand einer Vielzahl von Metaboliten zu verfolgen. Basierend auf diesen Ergebnissen kann nun begonnen werden, den Einfluss verschiedener weiterer Faktoren auf die Entstehung niederschwelliger, chronischer Entzündungen in vitro zu untersuchen