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Amtliche Bekanntmachung. Bekanntmachungen. 2025,28: Sechste Satzung zur Änderung der Studien- und Prüfungsordnung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) für den Bachelorstudiengang Lebensmittelchemie vom 20.05.2025
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Planning for Automated Vehicles with respect to Uncertainties and Incomplete Knowledge
Get PDFDie technologische Reife vollautomatisierter Fahrzeuge hat in den letzten Jahren stetig zugenommen und sie stehen kurz vor der Markteinführung. Die wiederholte Verzögerung ihres Einsatzes im Straßenverkehr zeigt jedoch, dass es noch viele Herausforderungen zu lösen gibt. Dabei steht der großflächige Einsatz von automatisierten Fahrzeugen im öffentlichenRaum vor den gleichen Herausforderungenwie der Mensch im alltäglichen Verkehr. Menschlich Fahrer*innen sind Expert*innen darin Situationen schnell zu erfassen. Dennoch hätten viele Unfälle durch ein besseres Bewusstsein für die aktuelle Situation und durch ein vorausschauenderes Verhalten vermieden werden können. Auch für den Einsatz vollautomatisierter Fahrzeuge, die sich sicher in den alltäglichen Verkehr einfügen sollen, ist ein tiefes Verständnis der Situation und ein entsprechendes vorausschauendes und sicheres Verhalten erforderlich.
In dieser Dissertation wird eine Lösung für dieses Problem vorgeschlagen. Die Lösung ist in drei Teile unterteilt. Zunächst wird gezeigt, wie ein umfassendes Situationsbewusstsein erreicht werden kann. Dann wird erforscht, wie Wissenslücken geschlossen oder quantifiziert werden können, indem ein Belief des aktuellen Zustands der Umgebung aufgebaut wird. Schließlich werden Strategien für vorausschauendes und risikobewusstes Verhalten und die Trajektorienplanung auf Basis des zuvor aufgebauten Beliefs vorgestellt. Der Belief spiegelt wider, wie sicher man sich über die Genauigkeit der verfügbaren Informationen ist und, was noch wichtiger ist, über die Bereiche, für die keine Informationen bereitgestellt werden.
Ein umfassendes Situationsbewusstsein wird durch die Analyse der Komponenten der automatisierten
Fahrfunktionen und die Offenlegung von Unsicherheiten und potenziellen Wissenslücken erreicht. Anschließend wird ein Umgebungsmodell vorgestellt, das die Verkehrssituation vollständig abbildet, einschließlich sichtbarer und verdeckter Verkehrsteilnehmenden und der entsprechenden Unsicherheiten. Dabei wird der Fokus auf Unsicherheiten gelegt, die nicht direkt gemessen werden können. Ein hohes Maß an Szenenverständnis ist erforderlich, um hier Rückschlüsse zu ziehen. Als besonders relevant werden die unbekannten Intentionen der anderen Verkehrsteilnehmenden und verdeckte Verkehrsteilnehmende identifiziert.
Der Belief über den aktuellen Zustand der Umgebung wird dann erweitert und konkretisiert. Hierfür werden neuartige Methode zur Schätzung von Intentionen, ein zweigeteilter Ansatz für das Tracking verdeckter Bereiche, ein Ansatz zur Inferenz der Existenz von Verkehrsteilnehmenden in eben diesen verdeckten Bereichen sowie ein gelerntes Prädiktionsmodell, das für Verkehrsszenen mit verdeckten Bereichen geeignet ist, vorgestellt. Die vorgestellten Ansätze nutzen Kontextwissen, um die Situation genau einzuschätzen, wobei explizit Informationen über sichtbare und verdeckte Verkehrsteilnehmende einbezogen werden.
Der letzte Teil zeigt Strategien für eine sichere, risikobewusste und vorausschauende Planung von Manövern und Trajektorien auf der Grundlage des vertieften Beliefs. Dafür wird zunächst ein Manöverplaner auf der Basis von partiell beobachtbaren Markov-Entscheidungsprozessen (POMDP) präsentiert. Durch die Verwendung eines generischen Sichtfelds können vorausschauende Entscheidungen an Kreuzungen mit Verdeckungen getroffen werden, indem präzise Annahmen über zukünftige Beobachtungen gemacht werden können. Der anschließende Trajektorienplaner bestimmt risikobewusste Trajektorien. Das Risiko aus verschiedenen Quellen wie multimodalen Prädiktionen und verdeckten Bereichen wird über die Zeit zu sogenannten "risk maps over time" kombiniert. Diese quantifizieren die Risiken räumlich und zeitlich. Schließlich wird eine neuartige Methode für die sichere Anwendung von maschinellem Lernen in sicherheitskritischen Komponenten wie der Trajektorienplanung gezeigt, indem maschinelles Lernen zur Generierung von initialen Trajektorien (Samples) für einen Sampling-basierten Bewegungsplaner für dynamische Umgebungen eingesetzt wird.
Die Evaluierungen der Konzepte wurden mit mehreren Testfahrzeugen des FZI Forschungszentrum Informatik und Fahrzeugen von Projektpartnern oder der Simulation durchgeführt, um den Mehrwert der beschriebenen Methoden zu demonstrieren
Machine learning-based models for optical fiber channels
Get PDFThis paper presents a comprehensive review of machine learning (ML) in optical fiber communications, particularly in channel modeling. It discusses the evolution from conventional methods to ML-based approaches that aim to enhance predictive and computational efficiency. Specifically, the discussions categorize ML methodologies into data-driven and principle-driven approaches. The former treats channel modeling as a “black box” providing rapid modeling capabilities at the expense of transparency and substantial data requirements. In contrast, the latter integrate physical principles into the ML-based system, enhancing model interpretability and reducing data dependency. In addition, the emergence of hybrid models that combine the strengths of both approaches is explored. This classification provides a structured overview of how ML is reshaping channel modeling in optical fiber communications, underscoring its potential to improve system design and exploring advanced nonlinear dynamics in optical fiber communication systems
Fabrication of Organic Solar Cells from Surfactant‐Free Aqueous Nanoparticle Dispersions
Get PDFLight-harvesting layers in organic bulk-heterojunction solar cells are commonly
fabricated from aromatic or even chlorinated solvents, which are often toxic
or otherwise hazardous. In this work, nanoparticle dispersions of a blend of
poly(3-hexylthiophene) and [6,6]-phenyl C-butric acid methyl ester (P3HT:
PCBM) are synthesized in water, omitting any stabilizing surfactants which
would remain in the layer and hamper the device performance. To overcome
wetting issues and to master the deposition of thin films from aqueous dis-
persions, co-solvents are employed. The solar cells exhibit power conversion
efficiencies of 2.7% and show excellent long-term stability, paving a promising
way towards the all-eco-friendly production of organic solar cells in the future
Asynchronous Grid Connections Providing Fast-Frequency Response: System Integration Study
Get PDFThis paper presents an integration study for a power electronic-based fast-frequency response technology, an asynchronous grid connection operating as an aggregator for behindthe-meter resources and distributed generators. Both technical feasibility and techno-economic viability studies are presented. The dynamic performance of the fast-frequency response enabled by the asynchronous grid connection is validated with Power Hardware-in-the-Loop experiments and transferred to an IEEE 9-bus system in DigSilent PowerFactory for dynamic stability analysis. We demonstrate that droop-based control enhancements to the local distributed generators could allow their aggregation to provide grid-supporting functionalities and participate in the market for ancillary services. To this end, we performed a long-term simulation embedding the system within the ancillary service market framework of PJM. The fast-frequency response regulation is subsequently used to calculate the potential revenue and project the results on a 15-year investment horizon. Finally, the techno-economic analysis concludes with recommendations for enhancements to access the full potential of distributed generators on a technical and regulatory level
Synthesis of Low-Charged Smectites
Get PDFTonmaterialien, einschließlich Minerale der Smektitgruppe wie Montmorillonit und Saponit, weisen spezifische mineralogische, chemische und physikalische Eigenschaften auf, die sie in verschiedenen industriellen Anwendungen bedeutend machen. Diese Minerale besitzen nano-metrische Schichtstrukturen, hohe spezifische Oberflächen, Schichtladungen und Kationen-austauschkapazitäten, was zu ihrer Vielseitigkeit beiträgt. Sie werden in Industrien wie der Keramik-, Lebensmittel-, Chemie- und Medizinindustrie genutzt und spielen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Jüngste Fortschritte haben auch das Potenzial nanoskaliger Tonmaterialien in biomedizinischen Anwendungen und aufstrebenden Technologien hervorgehoben, insbesondere im Bereich der 2D-Schichtmaterialien und deren Anwendungen in Hochleistungs-Quantenlichtgeräten.
Die Smektitgruppe gehört zu den 2:1-Schichtsilikaten, die nach der Schichtladung (ξ = x/n = y+z) pro Formeleinheit (p.f.u.) M+x/n(Si4-yAly)[(Al,Fe3+)2-z(Mg,Fe2+)z]O10(OH)2 (Guggenheim et al., 2006) klassifiziert werden. Es besteht jedoch eine Definitionslücke zwischen dem ungeladenen, nicht quellfähigen Pyrophyllit (ξ = 0) und der geladenen Gruppe der quellfähigen Smektite mit 0.2 ≤ ξ ≤ 0.6. Darüber hinaus gibt es keine experimentellen Beweise für die Existenz von Smektiten mit niedriger Ladung im Bereich von 0 < ξ < 0.2. Daher ist die Gewinnung von dioctaedrischen und trioctaedrischen Smektiten mit ξ < 0.2 entscheidend, um ihre Eigenschaften und Natur zu erforschen. Diese Forschung zielt darauf ab, die Synthese von Smektiten mit niedriger Ladung bei ξ = 0.1, 0.125, 0.18 mit der Simulation von Montmorillonit-Modellen mit niedriger Ladung mittels Density Functional Theory (DFT)-Berechnungen zu kombinieren. Durch die Ergebnisse der Synthese und theoretischen Berechnungen ihrer Quellfähigkeit und Hydratationsverhalten soll diese Studie eine Grundlage für die Untersuchung der potenziellen Anwendungen von Smektiten mit niedriger Ladung in verschiedenen Bereichen bieten.
Die Syntheseforschung konzentriert sich auf niedrig geladene trioctaedrische und dioctaedrische Smektite mit Schichtladungen von ξ = 0,18, 0,125 und 0,1. Die erfolgreiche Synthese von einphasigem trioctaedrischem Smektit mit interstitiellen Mg2+-Ionen wurde erreicht, während SEM-Bilder eine lamellare Struktur ähnlich wie bei natürlichem Saponit und Laponite® RD zeigten. Die gemessenen Kationenaustauschkapazitätswerte (CEC) übertrafen die berechneten Werte, was auf Beiträge von höheren Randladungsdichten hinweist, die durch die Analyse der spezifischen Randfläche unterstützt wurden. Die aus der chemischen Zusammensetzungsanalyse berechnete Strukturformel zeigte einen möglichen Bereich niedriger Ladung von ξ = 0.17 - 0.21. Mehrere indirekte Hinweise, wie die Bildung einer Monoschichtstruktur durch Alkylammoniumionen mit längeren Kettenlängen in allen synthetischen Proben, bestätigen, dass die synthetischen Proben eine Schichtladung unterhalb der messbaren Grenze der Alkylammoniummethode aufweisen, was die Möglichkeit unterstützt, dass der synthetische trioctaedrische Smektit eine niedrige Schichtladung besitzt. Die Synthese von Montmorillonit mit niedriger Ladung erwies sich jedoch als herausfordernd und ergab Proben mit Verunreinigungen wie Kaolinit, Böhmit und Sellaite. Eine Verlängerung der Synthesedauer verbesserte die Kristallinität von Montmorillonit, beseitigte jedoch nicht die Verunreinigungen und amorphen Phasen. Die SEM-Bilder zeigten eine charakteristische Flockenstruktur, die der Morphologie von Montmorillonit ähnlich ist, mit staubartigen kleinen Partikelaggregaten, die in qualitativen EDS-Analysen als nicht umgesetztes SiO2 oder amorphe Phasen identifiziert wurden. Ergebnisse der 27Al und 19F MAS-NMR-Spektroskopie zeigten, dass Al3+ sowohl in den tetraedrischen als auch in den oktaedrischen Schichten des synthetischen Montmorillonits lokalisiert ist, und deuteten außerdem auf den Austausch von F gegen Hydroxylgruppen in den tetraedrischen Schichten hin, wobei die Menge an Sellaite durch Verlängerung der Synthesedauer verringert werden kann. Basierend auf der quantitativen Phasenanalyse beginnen sich bei verlängerter Synthesedauer die Mineralphasen der synthetischen Proben von mehrfachen Verunreinigungen zu reinem Montmorillonit und Kaolinit zu verändern, wobei der Anteil an synthetischem Montmorillonit bei etwa 56 - 62% liegt. Die Analyse des synthetischen Montmorillonits zeigt mehrere Herausforderungen bei der genauen Bestimmung oder Vorhersage seiner tatsächlichen chemischen Zusammensetzung, Strukturformel und Schichtladungsbereich aufgrund von Verunreinigungen, dem Vorhandensein amorpher Phasen und Variabilität in der chemischen Zusammensetzungsanalyse. Künftige Syntheseversuche für Montmorillonit mit niedriger Ladung sollten sich darauf konzentrieren, experimentelle Parameter mithilfe der Versuchsplanung zu optimieren, um den Anteil und die Kristallinität der Montmorillonit-Phase zu erhöhen und gleichzeitig die amorphen Phasen zu reduzieren. Die Anpassung von Syntheseparametern wie Temperatur, Dauer, Druck und Hydrogelkonzentration sowie die Untersuchung unterschiedlicher Syntheseausrüstungen könnten die Syntheseergebnisse verbessern. Darüber hinaus sind die Steuerung der Füllrate und des Drucks im Synthesebehälter, die Einbeziehung verschiedener Fluoridionen und die Optimierung der Reihenfolge der Zugabe von Ausgangsmaterialien entscheidende Faktoren für eine erfolgreiche Synthese. Durch die systematische Optimierung dieser Variablen ist es möglich, Montmorillonit mit niedriger Ladung und weniger Verunreinigungen sowie amorphen Phasen in höherer Qualität zu erreichen.
Das Hydratationsverhalten und die Quellfähigkeit von Montmorillonit-Modellen mit niedriger Ladung (ξ = 0.125) und trans- sowie zwei cis-vakanten Strukturen wurden mittels DFT-Berechnungen unter Verwendung der DFT-D3-Methode untersucht. Der Basalabstand der wasserfreien trans-vakanten und cis-vakanten Montmorillonit-Modelle stimmte eng mit experimentellen Werten überein. Während der Hydratation, mit zunehmender Anzahl von H2O/Na+, erweiterte sich der Basalabstand auf etwa 12 Å für alle drei hydratisierten Montmorillonit-Modelle. Die Wechselwirkung zwischen Na+ Ionen und den Sauerstoffatomen der tetraedrischen Schicht spielte eine bedeutende Rolle im Hydratationsprozess. Zudem wurde die Schwächung der Wechselwirkung zwischen Na+-Ionen und der Oberfläche durch die Berechnung der Enthalpieänderung zwischen der Bindung des Na+-Ions und dem nächsten Sauerstoffatom an der Oberfläche der tetraedrischen Schichten verglichen, was weitere Einblicke in den Hydratationsmechanismus lieferte. Darüber hinaus wurde in der Diskussion die Tendenz der Standard-DFT-Methoden, wie PBE- und PW91-Funktionale, betont, den Basalabstand in verschiedenen Forschungsstudien aufgrund des Fehlens einer expliziten Behandlung der Dispersionskräfte zu überschätzen. Diese Überschätzung scheint durch die Verwendung der DFT-D3-Methode verbessert zu werden, was die in den Simulationen beobachtete niedrigere Basalabstandsvorhersage erklärt. Die Analyse von p,T-Phasendiagrammen zeigte, dass der Hydratationszustand der Montmorillonit-Modelle bei 0H bis 1H für alle Modelle mit 1 bis 9 H2O/Na+ bis zu einer relativen Luftfeuchtigkeit (rH) von 100% blieb. Schließlich erreichte das trans-vakante Montmorillonit-Modell mit 21 H2O/Na+ den 1H-Hydratationszustand bei 273 - 293 K und rH von 50 - 100%, was auf ein Quellverhalten unter Umgebungsbedingungen hinweist. Bei der Optimierung zukünftiger Simulationen des Hydratationszustands von Montmorillonit-Modellen mit niedriger Ladung ist es entscheidend, zusätzliche experimentelle Parameter zu berücksichtigen, um die Genauigkeit der Berechnungen zu verbessern. Dies umfasst die Erhöhung der Anzahl von H2O/Na+ in Abhängigkeit vom äquivalenten Bereich (a0b0) des Montmorillonit-Modells mit niedriger Ladung, die Optimierung der Anfangskonfiguration der Wassermoleküle im Zwischenschichtbereich und die Analyse der Kräfte und Wechselwirkungen an der Schnittstelle zwischen Na-gesättigtem Montmorillonit und Wassermolekülen. Molekulardynamik (MD)-Berechnungen liefern im Vergleich zu DFT-Berechnungen der Smektit-Hydratation ergänzende Einblicke in das Verhalten des Systems
