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Macht der kognitive Stil einen Unterschied?: Folgen verschiedener Visualisierungsarten und Modalitäten für den Lernerfolg in Bezug auf den visuellen und verbalen kognitiven Stil
No full textThis doctoral thesis is based on three quantitative studies conducted on 464 participants. The main goal was to investigate the role of visual-verbal cognitive style when learning with dynamic and non-dynamic learning materials.
The first study revealed important differences regarding the way in which visualizers and verbalizers observe static picture/text combinations in order to learn from them. That is to say that visualizers concentrated mostly on pictures while verbalizers on texts, exhibiting an active way of learning but mostly within textual (verbalizers) or pictorial (visualizers) areas of stimuli. Contradictory to expectations, visualizers did not directly show any supremacy in dealing with pictures, as they did not identify relevant areas sooner than verbalizers. Indirectly though, the results confirmed that verbalizers are less proficient in decoding pictorial information, as they switched to non-informative parts of it sooner than visualizers. Although the retention test did not show any differences on learning outcomes between both groups, visualizers achieved better results on a comprehension test.
The results of the second study confirmed that, when learning with system controlled multimedia environments, spoken explanatory narration brings better results than a written one does. Additionally, an influence of the visual cognitive style on learning with written explanatory text was found. That is, when using a combination of static pictures and written text, higher visual cognitive style comes along with better learning outcome. On the other hand, a combination of higher visual cognitive style, animation and written modality of explanations results in deterioration of learning outcome. The study did not provide any significant results regarding an influence of verbal cognitive style on learning.
In the third study the issues of learner/ system control were addressed, when learning with spoken modality of explanatory text. The results revealed that spoken modality design yielded better outcomes when learning in system-paced design rather than self-paced and with animation rather than static pictures. In the group of highly developed visualizers though, the combination of static pictures, self-pacing and spoken narration led to a decline of learning outcomes and to cognitive overload. Again, there were no significant results regarding the verbal cognitive style.
The results of the three studies support the assumption of an important role of cognitive style in learning. They indicate a moderating role of visual cognitive style when learning with dynamic and non-dynamic multimedia. This role depends on the design (self-controlled, system-controlled) and modality of explanations (spoken, written) though. Additionally, the differences in gaze patterns between visualizers and verbalizers shed more light on the way in which these two groups of learners retrieve information from multimedia materials. This doctoral research makes a contribution to theoretical research on multimedia learning and cognitive styles, as well as to practical implications on learning materials’ design and efficient education.Diese Dissertation umfasst drei quantitative Studien mit insgesamt 464 Teilnehmern. Dabei war das Hauptziel, die Rolle visueller und verbaler kognitiver Stile beim Lernen mit dynamischen und nicht-dynamischen Lernmaterialien zu untersuchen.
Die erste Studie enthüllte deutliche Unterschiede in Bezug auf die Art und Weise, in welcher Visualisierer und Verbalisierer statische Bild/Text-Kombinationen analysieren, um von diesen zu lernen. Konkret konzentrieren sich Visualisierer primär auf die Bilder, wohingegen Verbalisierer eher auf die Texte fokussieren. Lernende beider Typen weisen jedoch dabei eine aktive Art des Lernens innerhalb ihrer präferierten Stimuli auf. Entgegen der Erwartungen zeigten Visualisierer jedoch keine Überlegenheit im Umgang mit Bildern im Vergleich zu Verbalisierern, da sie keine schnellere und effektivere Identifikation relevanter Bereiche innerhalb der Bilder erzielten. Indirekt bestätigen jedoch die Ergebnisse, dass Verbalisierer weniger Kompetenzen im Umgang mit Bildinformationen aufwiesen, da sie schneller auf die nicht-informativen Bereiche der Bilder wechselten als die Visualisierer. Obwohl der Wissenstest in Bezug auf den Lernerfolg keine Unterschiede zwischen den beiden Gruppen zeigte, erreichten die Visualisierer bessere Resultate im Verständnistest.
Die Ergebnisse der zweiten Studie bestätigten, dass beim Lernen mit einer multimedialen, nichtinteraktiven Lernumgebung eine auditive Erklärung zu besseren Lernergebnissen führt als ein schriftlich dargebotener Text. Zudem konnte ein Einfluss des visuellen kognitiven Stils auf das Lernen mit Texten aufgezeigt werden. Dieser stellt sich durch die Tatsache dar, dass Personen mit einem ausgeprägteren visuellen kognitiven Stil einen besseren Lernerfolg erzielen, wenn eine Kombination aus statischen Bildern und geschriebenem Text verwendet wird. Andererseits kann jedoch eine Kombination aus einem ausgeprägten visuellen kognitiven Stil, Animationen und auditiven Erklärungen wiederum zu einer Verschlechterung des Lernerfolgs führen. Die Studie konnte jedoch keine signifikanten Ergebnisse in Bezug auf den Einfluss verbaler kognitiver Stile auf das Lernen nachweisen.
In der dritten Studie ging es um den Einfluss interaktiver Kontrollelemente (selbstgesteuert vs. systemgesteuert) beim Lernen mit auditiven Erklärungen oder schriftlichen Texten. Die Ergebnisse zeigen, dass auditive Erklärungen zu besseren Lernerfolgen führt, wenn systemgesteuert statt selbstgesteuert (also nicht-interaktiv) gelernt wird. Zudem zeigte in diesem Fall die Verwendung von Animationen bessere Resultate als die von statischen Bildern. In der Gruppe der „Visualisierer“ mit ausgeprägtem visuellen kognitiven Stil führte die Kombination von statischen Bildern, selbstgesteuertem Design und auditiv dargebotenen Informationen hingegen zu einer kognitiven Überlastung und einem Rückgang der Lernerfolge. Auch in dieser Studie gab es keine signifikanten Ergebnisse in Bezug auf den verbalen kognitiven Stil.
Die Ergebnisse der drei Studien unterstützen die Annahme, dass der kognitive Stil eine wichtige Rolle beim Lernen spielt. Insbesondere der visuelle kognitive Stil scheint einen moderierenden Einfluss beim Lernen mit dynamischen und nicht-dynamischen Medien auszuüben. Dieser Einfluss hängt dabei vom Design (selbstgesteuert vs. systemgesteuert) und der Modalität der Erklärungen (auditiv vs. textuell) ab. Zudem konnte durch die Analyse der Blickmuster zwischen Visualisierern und Verbalisierern ein erweitertes Verständnis darüber gewonnen werden, wie die beiden Gruppen unterschiedlich mit Informationen aus multimedialen Materialien umgehen.
Diese Doktorarbeit leistet damit einen Beitrag zur theoretischen Forschung im Bereich des multimedialen Lernens und kognitiver Stile sowie zu praktischen Konsequenzen des Designs von Lernmaterialien zu effektiver Bildung
Enhancement of Grid Dynamic Performance using VSC-based Multi-terminal HVDC Systems in Multilevel Modular Converter Topology
No full textModern power systems have expanded, both in size and complexity. More challenges will emerge with the integration of an increasing number of renewable generation sources to the existing power systems, which are driven to operate closer to their technical limits under pressure from economic objectives in deregulated markets and environment impacts. The transmission systems must be strengthened to transmit a larger amount of power from the remote renewable generation sources to load centers while ensuring a higher degree of flexibility and stability in operating the power systems. The Voltage-Source Converter (VSC) in Modular-Multilevel Converter (MMC) topology for High-Voltage Direct Current (HVDC) application has been recently developed and has become an attractive solution to address the new challenges to the existing power system.
This thesis deals with the utilizations of MMC-VSC-HVDC systems in Multi-Terminal Direct Current (MTDC) configuration to enhance the dynamic performance of AC power systems. In this framework, several supplementary controllers are integrated into the standard VSC station controller to exploit the distinct advantages in the areas of controllability and flexibility of the MMC-VSC-MTDC systems. The integrated supplementary controllers are developed to address most of the dynamic stability aspects in the power systems: small-signal stability (SSS), transient stability including frequency and voltage stabilities. The main contributions of this work include: the development of a generic RMS model of the MMC-VSC-MTDC system and its corresponding linearization; the development of a novel frequency controller which enables the MMC-VSC-MTDC system to effectively support the power flow in primary frequency control; the investigation of several major factors influencing the contribution of the VSC-MTDC system to the damping of system oscillations and the demonstration of the capability of supporting system voltage during symmetrical grid faults. The thesis also proposed the design as well as appropriate methodologies for selecting parameters of the supplementary controllers. The controllers are firstly investigated in individual studies under consideration of several influence factors to explore their main features. Furthermore, possible interactions between the investigated supplementary controllers which may influence their effectiveness’s are identified. Based on the investigation, proper counter-measures are proposed to mitigate the interactions
Potassium permeable barrier membrane for in vivo application
No full textKalium ist im menschlichen Körper ein wichtiger Blut- und Zellelektrolyt, welcher für viele Körperfunktionen, vor allem für die Muskel- und Nerventätigkeit, eine entscheidende Rolle spielt. Insbesondere bei Patienten mit chronischer Herz- oder Niereninsuffizienz ist die medizinische Erfassung der Blutkaliumkonzentration bei einer Behandlung mit Diuretika außerordentlich wichtig. Für eine bessere Überwachung wird im Zuge des Projektes die Entwicklung eines in vivo Sensors zur permanenten Registrierung der Blutkaliumkonzentration vorangetrieben.
Ziel dieser Dissertation war die Entwicklung einer kaliumpermeablen Barrieremembran, welche das Sensorinnere vom äußeren Blutkreislauf abgrenzt. Dazu wurden zunächst kommerziell erhältliche Ultrafiltrationsmembranen aus Polyethersulfon (PES) verschiedener Hersteller bezüglich ihrer Eigenschaften untersucht. Dabei zeigte sich eine starke Abhängigkeit des ermittelten Kaliumflusses von der Membrandicke. Bedingt durch die Tatsache, dass es keine kommerziell erhältliche PES Membran mit adäquater Membrandicke sowie Größenausschlussgrenze (Cut-Off) gab, wurde eine eigene 45 µm dünne PES Membran mit einem Cut-Off von ca. 5 kDa basierend auf einer Nichtlösungsmittel induzierten Phasenseparation (NIPS Prozess) erfolgreich hergestellt. Zusätzlich wurde eine PES Membran der Firma Sartorius Stedim Biotech GmbH mit einem Cut-Off von 5 kDa als Referenzmaterial für die nachfolgenden Experimente ausgewählt.
Bei der Herstellung eigener dünner Membranen aus PES zeigte sich eine sehr starke Abhängigkeit der Porengröße und der damit einhergehenden Wasserpermeabilität von der Zusammensetzung der Membrangießlösung. Das zunächst verwendete Polyethylenglykol (PEG) innerhalb der Gießlösung führte zu einer zu hydrophilen Protomembran und im Zuge dessen zu Membrandefekten. Die Substitution des verwendeten Polyethylenglykols durch Aceton führte zu deutlich homogeneren Membranen, deren Wasserpermeabilitäten immer näher an den Referenzwert der kommerziellen 5 kDa Membran von etwa 16 L/h m² bar heran reichten. Die Konzentrationsvariation von ebenfalls zugesetztem Lithiumbromid (LiBr) führte zu stark unterschiedlichen Membranstrukturen basierend auf der Komplexierung des Lösungsmittels N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und einhergehender unterschiedlicher Viskosität der Gießlösung und verlangsamter Koagulationsgeschwindigkeit. Entsprechend dieser Ergebnisse wurde auf den Einsatz von LiBr in der Gießlösung zur Herstellung eigener Membranen verzichtet.
Zur Verbesserung der Anti-Fouling Eigenschaften und zur Reduktion des Donnan-Effektes wurde eine nachträgliche Oberflächenmodifizierung der Membran vorgenommen. Dazu wurde ein Konzept verwendet, welches von einer schrittweisen UV-initiierten Oberflächenmodifizierung einer porösen PES Membran ausgeht. Dazu wurde in einem ersten Modifizierungsschritt eine amphotere Hydrogel-Ionenaustauscherschicht bestehend aus einem Copolymer von N,N-3-Dimethylaminopropylacrylamid (DMAPAA) und 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure (AMPS) auf der Membranoberfläche gepfropft (p(DMAPAA-co-AMPS)). Der isoelektrische Punkt (IEP) dieser Schicht wurde dabei auf den pH Wert des Blutes (pH 7,4) eingestellt. Die Einstellung erfolgte dabei durch das molare Mischungsverhältnis der beiden Monomere, die Gesamtkonzentration sowie die UV- Belichtungszeit. Dabei konnte die Reproduzierbarkeit des IEPs dieser Hydrogel- Ionenaustauscherschicht durch Zetapotentialmessungen (ZP) nachgewiesen werden. In anschließenden Diffusionsexperimenten mit einer 10 mM Kaliumchlorid- (KCl) Lösung konnte der positive Effekt dieser Modifizierung bei Variation des pH-Wertes nachgewiesen werden. Die modifizierten Membranen besaßen im Vergleich zur unmodifizierten Basismembran nicht nur bessere Eigenschaften bezüglich der Kaliumdiffusion, sondern darüber hinaus auch eine verbesserte Fouling-Beständigkeit (Rf) von 0,6 beim Kontakt mit fötalem Kälberserum (fetal bovine serum, FBS) im Vergleich zu 0,35 für unmodifizierte Membranen.
Um die Fouling-Resistenz der modifizierten Membran weiter zu steigern, wurde eine zusätzliche zwitterionische Schicht bestehend aus poly-3-Sulfopropyldimethyl-3-methacrylamidopropylammoniumhydroxid (pSPP) auf der bereits vorhanden ersten amphoteren Hydrogel-Ionenaustauscherschicht gepfropft. Dabei zeigte sich eine starke Abhängigkeit der Pfropfungsstärke (degree of grafting, DG) von der gewählten Photoinitiatorkonzentration sowie der UV-Belichtungszeit. Die Anti-Fouling Eigenschaften konnten erheblich verbessert werden und erreichten teils sogar Werte größer 1, was auf eine erhöhte Hydrophilie nach dem Fouling-Experiment zurückzuführen war. Gleichzeitig trat keine zusätzliche Verringerung der Kaliumdiffusion durch die zweite Modifizierungsschicht auf.
Während der Analyse des Pfropfungsverhaltens von einer 1/1 Mischung von DMAPAA/AMPS auf verschiedenen kommerziellen Membranen mit unterschiedlichen Cut-Off Werten zwischen 1 und 300 kDa zeigte sich erneut die Abhängigkeit des IEPs von der Belichtungszeit. So driftete der IEP mit steigender Belichtungszeit stets zu höheren pH Werten, was auf einen vermehrten Einbau von DMAPAA in der amphoteren Hydrogel- Ionenaustauscherschicht hindeutet. Des Weiteren hatte auch die Porengröße der verwendeten Membranen einen Einfluss auf das Pfropfungsverhalten, da die Abhängigkeit des IEPs von der Belichtungszeit mit steigender Porengröße permanent geringer wurde. So stieg der IEP bei einer 1 kDa PES Membran von 4,4 auf 6,2 bei einer Verlängerung der Belichtungszeit von 15 auf 30 min. Dem gegenüber erhöhte sich der IEP bei einer 300 kDa PES Membran von 6,6 auf nur 6,9 bei gleichen Belichtungszeiten.
Bei der Verwendung von amphoteren Hydrogel-Ionenaustauscherschichten mit einem IEP von pH = 6 auf einer kommerziellen PES 100 kDa Membran zur Separation von Albumin (bovine serum albumin, BSA) und Myoglobin (Myo) zeigte sich eine starke Abhängigkeit des Myoglobinrückhaltes vom eingestellten pH-Wert. Bei einem pH-Wert von 4,8 waren sowohl die Membran als auch das Myoglobin netto positiv geladen, wodurch der Rückhalt zwischen 60 - 80 % betrug. Bei einem pH-Wert von 7 (IEP von Myoglobin) dagegen war die Membran netto negativ geladen, dass Myoglobin hingegen netto neutral, sodass der Rückhalt nur noch 20 - 30 % betrug. Eine vergleichbare Tendenz bei dem Rückhalt von BSA konnte andererseits nicht ermittelt werden, da der BSA Rückhalt zum Großteil auf Größenausschluss beruhte und generell sehr hohe Rückhalte von 60 - 90 % ermittelt wurden.Potassium is an important blood and cell electrolyte and plays a crucial role in various body functions, especially for the metabolism of muscle and nerve cells. Particularly for patients with a chronic heart or kidney failure, the medical monitoring of the blood potassium concentration during a treatment with diuretics is extremely important. The aim of the project is the development of an artificial in vivo sensor for a continuous registration of the potassium blood concentration.
The aim of this study was to develop a potassium permeable barrier membrane that shields the interior sensor system from the external bloodstream. For this purpose, commercially available polyethersulfone (PES) ultrafiltration membranes from various manufacturers were analyzed. The results showed a strong dependence of the calculated potassium flux on the membrane thickness. Due to the fact that there was no adequate PES membrane with a low thickness as well as appropriate exclusion limit (Cut-Off) on the market, a 45 µm thin PES membrane with a Cut-Off of 5 kDa based on a non solvent induced phase separation (NIPS) process was successfully self-prepared. In addition, a PES membrane from Sartorius Stedim Biotech GmbH with a Cut-Off of 5 kDa has been selected as a reference material for the subsequent experiments.
The produced thin PES membranes showed a very strong dependence of the casting solution composition on the pore size and the resulting water permeability of the casted membranes. The primary used polyethylene glycol in the casting solution lead to a too hydrophilic proto membrane tending to membrane defects. The substitution of the used polyethylene glycol by acetone lead to significantly more homogeneous membranes whose water permeabilities were closer to the reference value of the commercial 5 kDa membrane of about 16 L/h m² bar. Variation of the LiBr content also lead to different membrane structures based on the complexation of the solvent N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and accompanying different viscosities of the casting solutions and hence slower coagulation speeds. According to these results, a casting solution without LiBr was used for the membrane preparation.
To increase the anti Fouling properties and to reduce the Donnan effect, a subsequent surface modification of the membrane was performed. For this purpose, a concept was used, which assumes a gradual UV-initiated surface modification of the PES membrane. In a first modifying step, an amphoteric hydrogel ion exchange layer consisting of a N,N-3- dimethyl amino propyl acryl amide (DMAPAA) and 2-acryl amido-2-methyl propane sulfonic acid (AMPS) copolymer was grafted to the membrane surface. The isoelectric point (IEP) of that layer was adjusted to the pH of blood (pH 7.4). The adjustment was carried out by variation of the molar ratio of the two monomers, the total monomer concentration and the UV exposure time. The reproducibility of the IEP of this amphoteric hydrogel ion exchange layer was proofed by zeta potential measurements (ZP). In subsequent diffusion experiments with a 10 mM KCl solution, the positive effect of this modification was detected when varying the pH value. In comparison to the unmodified base membrane, the modified membranes had not only improved properties in terms of potassium diffusion, they also showed an enhanced fouling resistance (Rf) of 0.6 in presence of fetal bovine serum (FBS) compared to 0.35 for unmodified membranes.
For further increase of the anti fouling properties of the modified membranes, an additional hybrid ionic layer consisting of poly-3-3-sulfopropyl dimethyl metharcryl amido propyl ammonium hydroxide (pSPP) was grafted on the already present first amphoteric hydrogel ion exchange layer. Here, the degree of grafting strongly depends on the selected photo initiator concentration and UV exposure time. The anti fouling properties could be greatly improved and some even reached values greater than 1, which was due to an increased hydrophilicity after fouling experiment. Simultaneously, no additional reduction of potassium diffusion through the second modification layer occurred.
The analysis of the grafting results from a 1/1 mixture of DMAPAA/AMPS on a variety of commercial PES membranes with different Cut-Off values between 1 and 300 kDa showed again the dependence of the IEP on the exposure time. Thus, the IEP drifted with increasing exposure time to higher pH values, suggesting an increased incorporation of DMAPAA in the amphoteric hydrogel ion exchange layer. Furthermore, the pore size of the membrane used had an influence on the grafting result. The influence of the exposure time on the IEP is continuously reduced with an increasing pore size. Thus, the IEP increased for a 1 kDa PES membrane from 4.4 to 6.2 with an increase in the exposure time from 15 to 30 min. In contrast, the IEP increased for a 300 kDa PES membrane only from 6.6 to 6.9 with the same extension of the exposure time of 15 to 30 min.
When using an amphoteric hydrogel ion exchange layer with an IEP of pH = 6 on a commercial 100 kDa PES membrane for separation of bovine serum albumin (BSA) and myoglobin (myo), the myoglobin rejection showed a strong dependence on the pH value. At a pH of 4.8, both the membrane and the myoglobin were net positively charged, whereby the rejection value was between 60 - 80 %, respectively. At a pH value of 7 (IEP of myoglobin), however, the membrane was net negatively charged and myoglobin was net neutral, so that the rejection value was only between 20 - 30 %. A comparable trend of the rejection of BSA could not be determined because the BSA retention was based largely on size exclusion and generally very high rejection values between 60 - 90% were determined
Über die äquivariante motivische Spektralsequenzen
No full textDie Arbeit widmet sich dem Studium motivischer Spektralsequenzen mit endlicher Gruppenwirkung. So gibt es eine Atiyah-Hirzebruch-Spekralsequenz, die die äquivariante motivische Kohomologie und Thomasons äquivariante K-Theorie verbindet. Im ersten Teil nutzen wir eine Methode von Grayson, um die Grayson-Spektralsequenz zu erhalten und studieren ihre Eigenschaften. Im zweiten Teil vergleichen wir diese Konstruktion mit der von Levine-Serp\'e. Wir zeigen, dass sie in vielen Fällen übereinstimmen, im Allgemeinen aber verschieden sind. Im Falle der trivialen Gruppe erhalten wir die Äquivalenz
deralgebraischen K-Theorien die durch Bloch-Lichtenbaum, Friedlander-Suslin, Levine, Grayson und Voevodsky konstruiert wurden.This thesis is dedicated to study the motivic spectral sequences with action of a finite group. This is an "Atyah-Hirzebruch" spectral sequence relating equivariant motivic cohomology and Thomason's equivariant K-theory. In the first part, we use the method of Grayson to produce the so-called equivariant Grayson spectral sequence and study its properties. In the second part, we compare the Grayson's construction with the one constructed by Levine-Serp\'e. We show that the two spectral sequences are the same in many cases but do not need to be the same in general. When the group is trivial, our result implies that the motivic spectral sequences for algebraic K-theory constructed by Bloch-Lichtenbaum, Friedlander-Suslin, Levine, Grayson, Voevodsky are equivalent
Complex dynamics and performance of inhomogeneous thermoelectrics
No full textThis thesis aims to illuminate complex dynamics and performance of inhomogeneous thermoelectrics by means of a theoretical approach. For our investigations, we develop a versatile network model, which is based on the phenomenological On\-sager-de Groot-Callen theory. This model allows us to study three setups related to the fabrication of a new type of thermoelectric generator.
The first setup is related to the production of the generator's raw
material. Therefore, the current-activated pressure-assisted densification technique is applied to create nanostructured bulk material. The network model is designed to account for the complex dynamics caused by the particle motion during the densification. In particular, we investigate the influence of elongated pores parallel to the electrodes, which lower the conductivity. Moreover, we investigate a self-organized assembly of particles in binary particle mixtures.
With the second setup, we scrutinize the application of the Harman
method to inhomogeneous material. The Harman method is often used to determine the thermoelectric transport properties. It turns out that this method employed on inhomogeneous material, systematically overestimates the absolute value of the Seebeck coefficient. It is demonstrated that the error is caused by the temperature distribution, which memorizes the influence of the priorly applied electrical current. Related to this, we show that the electrical power of double segmented generators is usually less than expected from the electrical conductivity and the true open circuit Seebeck coefficient. Nonetheless, we prove that by choosing transport parameters from a small range, a power enhancement can be obtained.
Finally, we investigate the usage of a pn junction as a generator, where the temperature gradient is parallel to the pn interface and electrodes are attached on the cold side. The dismissal of hot side contacts facilitates the application in high temperature regimes. In a first step, the diode character of the interface is neglected. We investigate the reduction of the electrical power compared to a conventional device. Thereby, we determine a relation between power and current. Furthermore, geometrical optimizations are discussed. In a second step, diode characteristics are included into the model, which leads to a qualitative agreement to experimental results
Kohärente Elektronenspindynamik in nichtmagnetischen Halbleitern - die Rolle von Kernspins
No full textWährend in der konventionalen Elektronik die Elektronenladungen als Informationsträger genutzt werden, verfolgt der Spintronik den Ansatz, den Eigendrehimpuls des Elektrons- den Spin zu kontrollieren. Die Nutzung des Spin-Freiheitsgrads soll gegenüber Ladungbasierter Bautelemente nicht nur die Vorteile wie weniger Energiedissipation oder nichtflüchtige Speicher besitzen, sondern auch neue Funktionalitäten ermöchlichen (z. B. Realisieren von Qubits für das Quantencomputing).
Zielsetzung dieser Arbeit war es, mittels zeit- und ortsaufgelöster optischer Spektroskopie die kohärente Spindynamik in nichtmagnetischen Halbleitern zu untersuchen und damit grundliegende Mechanismen der Spintronik, insbesondere den Einfluss von Kernspins zu erforschen. Mittels zeitaufgelöster Faraday-Rotations-Messungen (engl.: Time Resolved Faraday Rotation, TRFR) wurde die Spindynamik in ZnO Multi-Quanten-Filmen untersucht. Die Untersuchung der kohärenten Spindynamik und des Transportverhaltens in n-GaAs erfolgten über zeit- und ortsaufgelöste Kerr-Rotations-Messungen (engl.: Time Resolved Kerr Rotation, TRKR).
In dieser Arbeit werden die Spindynamik verschiedener Spinträger und ihre Wechselwirkungen präsentiert. Insbesondere steht dabei die Wechselwirkung zwischen Elektronspin- und Kernspinsystemen im Vordergrund. Auf Basis detailierter Analyse der Messdaten kann die Spindynamik verschiedener Spinträger separiert werden und damit ihre individuellen Beiträge zur Kernspinpolarisation (engl.: Dynamic Nuclear Polarisation, DNP) zu untersuchen. Dadurch wird ein komplettes Modell des DNP-Prozesses dargestellt
Investigation of Flow Conditions on Heat Transfer in Stirred Vessels with Helical Coils by PIV and LIF
No full textIm Rahmen der Arbeit wurden die Strömungsverhältnisse, Mischzeit- und Wärmeübergangscharakteristiken in einem Rührreaktor mit helikalen Rohrschlangeneinbauten untersucht. Dazu wurde im Vorfeld in Anlehnung an gängige Auslegungsvorschriften ein Labor-Reaktormodell entwickelt und als brechungs-indexangepasstes System konstruiert. Für die Untersuchung wurden fünf Standard-Rührertypen eingesetzt sowie die Drehfrequenz im Bereich für Re = 5.000 bis 20.000 variiert.
Bei den Strömungsfelduntersuchungen wurden die gemittelten Strömungsgeschwindigkeiten, die turbulente kinetische Energie und die lokale Energiedissipation ε im Vertikalschnitt des Reaktors experimentell mit Particle Image Velocimetry Messungen sowie durch Computational Fluid Dynamics Simulationen bestimmt und miteinander verglichen. Durch die Normierung der Geschwindigkeitsdaten über die Rührerumfangsgeschwindigkeit konnte eine hohe Übereinstimmung der örtlichen Profile, unabhängig von der Drehfrequenz, erreicht werden. Weiterhin zeigt sich beim 6 Blattscheibenrührer eine deutliche Änderung des Strömungsbildes am Punkt Re = 10.000, wo eine bessere Durchströmung der Rohrschlangen eintrat.
Die Mischzeituntersuchungen mittels Laser Induced Fluorescence zeigen allgemein höhere Mischzeiten (+10 %) gegenüber Behältern ohne Rohrschlangeneinbauten bei zentrischer Zugabe. Bei exzentrischer Zugabe im Ringspalt nehmen die Mischzeiten um bis zu 40 % zu, wobei axial-fördernde Rührer am stärksten betroffen sind. Wärmeübergangsmessungen von den Rohrschlangen zeigten, dass der gesamte Wärmestrom bereits nach einem kurzen Anteil der Gesamtrohrlänge vollständig übertragen wird. Durch Auswertung des örtlichen Temperaturverlaufes wurde die relevante Wärmeaustauschzone (RWAZ) eingeführt, mit der die Wärmeübergangscharakteristiken für die jeweiligen Rührer bestimmt werden konnten. Für das Erreichen eines optimalen Wärmeüberganges haben sich Blatt- und Impellerrührer als am besten geeignet herausgestellt. Im Hinblick auf komplexere Rühraufgaben sind jedoch 6 Blattscheiben- oder Schrägblattrührer vorzuziehen. Die Rohrschlangeneinbauten stellen generell ein merkliches Hindernis für das Strömungsbild dar, insbesondere das obere Drittel des Reaktors wird deutlicher schlechter durchmischt.In this thesis, the flow conditions, mixing times and heat transfer characteristics in stirred vessels equipped with helical coils were investigated. For this purpose a laboratory vessel model following common design rules was developed and constructed as a refractive index matched system. For the investigation five basic stirrers were used as well as the rotational frequency varied in the range of Re = 5,000 to 20,000.
For the flow field investigations, the average velocity, the turbulent kinetic energy and the local energy dissipation in the vertical plane of the reactor was determined experimentally by Particle Image Velocimetry measurements and compared with Computational Fluid Dynamics simulations. By normalizing the velocity field data with the stirrer tip velocity a high correlation of local profiles, independent of the rotational frequency, was achieved. It was also found that the Rushton Turbine Impeller shows a significant change in the flow pattern at Re = 10,000 where a better flow through the coils occurred.
The mixing time studies by Laser Induced Fluorescence generally show higher mixing times (+10%) compared to vessels without helical coils at centric addition nearby the stirrer shaft. For eccentric addition in the annular gap, the mixing times increased by up to 40% for axial pumping stirrers. Heat transfer measurements from the coils showed that the complete amount of heat is fully transferred after a short part of the total tube length. Therefore, a relevant heat exchange zone was introduced by evaluating the local temperature profile, with that the heat transfer characteristics could be determined for different stirrers.
To achieve an optimal heat transfer the flat blade impeller and retreat curves impeller have been found to be most effective. Inserts of helical coils generally represent a considerable disturbance to the flow pattern, in particular to the upper third of the reactor which is significantly less mixed
Development of novel peptide based gene delivery vector and supramolecular assembly
No full textIn this thesis, we have shown that functionalization of short peptides with GCP moiety resulted in novel peptide analogues that demonstrated remarkable cellular uptake ability. One of these newly developed peptide analogues, with only two amino acid residues, is the smallest cell penetrating peptide which has been reported. Moreover, we showed that with more GCP modification, the binding process of these peptides with DNA became more enthalpy favored. This might provide a unique strategy to shift the thermodynamic profiles of peptide/DNA binding. Such supramolecular binding motifs not only allow for more specific interactions with the DNA but also with the cell membrane. This enormously enhances the cellular uptake of corresponding peptide/DNA polyplexes relative to peptides with only natural amino acids.
We also synthesized a cyclic peptide with GCP group modification on the side chain of lysine which resulted in a novel cationic peptide nanotube. As far as we know, this is the first example that a positively charged cyclic peptide forms nanotubes under physiological conditions. Moreover, we demonstrated that it can be applied as gene delivery vector. DNA was successfully attached on the surface of nanotubes. The resulted nanotube showed an astonishing ability in gene transfection through non-endocytic cellular uptake pathway.
On the other hand, the first example of artificial peptide forming β-helix structure was described in this thesis. The alternative D and L alanine construction designed to mimic the structure of gramicidin A endowed the helical property. However, in sharp contrast to typical β-helix structures which have been reported so far, the β-helix formation required no involvement of membrane mimics. Characteristic CD signals for β-helix were observed in pure water. Similar structural property can be found in native insect antifreeze proteins (AFP) in which the individual β-sheets were connected with loops to stabilize the β-helix conformation. While in our case, the individual β-sheets were connected by supramolecular recognition motif (GCP+-COO-). In overall, the self-assembly of peptide with GCP modification not only demonstrated the first supramolecular β-helix mimic in water but also highlighted the application of supramolecular recognition motif in constructing secondary structures.
In the last part of thesis, GCP group was introduced into Fmoc-containing dipeptide. Due to its low pKa value, GCP groups facilitated the assembly of peptide into helical fibers in water. In comparison, peptide without GCP modifications did not show any assembling propert
Social entrepreneurship as an instrument of civic engagement in higher adult age: a grounded theory study
No full textDie vorliegende Grounded Theory Studie fokussiert das sozial-entrepreneuriale Handeln von bürgerschaftlich engagierten Akteuren im höheren Erwachsenenalter. Auf der Basis von insbesondere 20 einstündigen qualitativen Interviews will sie einen tiefergehenden Einblick in die Entscheidungsprozesse dieser bürgerschaftlichen Social Entrepreneurs ermöglichen. Die Arbeit beleuchtet dabei sowohl entscheidende Einflussfaktoren als auch Motive, Absichten, Herausforderungen und Handlungsstrategien im Zusammenhang mit der sozial-entrepreneurialen Gründung im Feld des bürgerschaftlichen Engagements. Zudem wird das Selbstverständnis der Akteure dargestellt, die sich vielfach nicht als Social Entrepreneurs verstehen, sondern als wirtschaftliche Akteure wahr- und ernstgenommen werden wollen.This grounded theory study focuses the social entrepreneurial acting of civic engagement participants in higher adult age. Based on particularly 20 one hour qualitative interviews the study wants to provide a deeper insight into the decision-making processes of these social entrepreneurs in the field of civic engagement. The study illuminates the crucial factors influencing the decision-making processes as well as motives, intentions, challenges and strategies related to the social-entrepreneurial foundation. In addition, the self-perception of the actors shows that they often do not see themselves as social entrepreneurs at all, they prefer their economic perspective
District-Energy-Management
No full textEine der größten Herausforderungen für die Deutsche Bundesregierung ist seit vielen Jahren die beschlossene Energiewende. Dabei wird auch immer häufiger von der Bedeutung der Wärmewende gesprochen, sodass erstens die Energiebedarfssenkung durch Dämmung der Gebäude und zweitens der Austausch der Heizungssysteme in den Fokus der Betrachtung gerückt werden müssen. In diesem Kontext spielen Wärmenetze eine immer bedeutendere Rolle. Denn mit zentralisierten Heizungssystemen ist bedingt eine höhere Energieeffizienz möglich als durch das gebäudeweise Ersetzen der bisherigen Anlagen. Doch die Umsetzung solcher Nahwärmenetz-Projekte ist insbesondere in Bestandsquartieren mit heterogener Akteurs- und Eigentümerstruktur mit hohen Hemmnissen und vielschichtigen Problemstellungen verbunden, die primär nicht rein technischen Ursprungs sind.
Für die Realisierung solcher Projekte sind zahlreiche Investitionsentscheidungen zum selben Zeitpunkt von Immobilien-Eigentümern mit heterogenen Interessen und Erwartungen erforderlich, die gleichzeitig eine räumliche Nähe zueinander aufweisen müssen. Das deutsche Recht bietet die Möglichkeit einen Anschluss- und Benutzungszwang für netzgebundene Wärmeversorgungssysteme auszusprechen. Doch ein solcher rechtlicher Zwang ist gegenwärtig politisch kaum durchsetzbar.
Mit den bisherigen Top-Down- und Bottom-Up-Ansätzen der Projektentwicklung, auf Handlungsebene der Gesamtstadt sowie der Quartiere, konnten bisher allerdings keine systemrelevanten Veränderungen hinsichtlich der Wärmewende erreicht werden, was sich auch in der Entwicklung der Beheizungsstruktur niederschlägt.
Dieser Umstand lässt auf die Notwendigkeit eines weiteren Ansatzes für die Projektentwicklung schließen, um die Potenziale im Bereich der Wärmeversorgung des Immobilienbestandes im Kontext von Quartieren mit heterogener Akteurs- und Eigentümerstruktur mobilisieren zu können. Dabei steht insbesondere die Initiierungsphase im Mittelpunkt der Betrachtung. Dieser festgestellten Notwendigkeit eines weiteren Ansatzes wird mit der Entwicklung des Quartiers-Energie-Managements (QEM) begegnet. Im Zusammenhang der Entwicklung wird primär die Initiierungsphase von Nahwärmenetz-Projekten untersucht. Während die bisherigen Projektentwicklungs-Ansätze die Initiierung von den drei Faktoren Standort, Kapital und Projektidee abhängig machen, wird im QEM-Ansatz der vierte Faktor Bedarf der Immobilien-Eigentümer hinzugezogen. Dies ist, neben der vorangehend beschriebenen Bedeutung der Investitionsentscheidung der einzelnen Immobilien-Eigentümer, mit dem gegenwärtig in der öffentlichen Verwaltung immer bedeutender werdenden Leitbild der Bürgerorientierung zu begründen. Das QEM wird durch mehrere Leitbilder, passende Ziele, ein digitales Ökosystem und einen Use-Case beschrieben.
Das digitale Ökosystem des QEM basiert auf der partiellen Adaption insbesondere der vom Online-Handel angewendeten Elemente des Customer-Relationship-Managements. Die partielle Adaption der CRM-Elemente und der Grundzüge der digitalen Ökosysteme der Online-Händler für die Projektentwicklung von Nahwärmenetzen wird dadurch möglich, dass das für die Online-Händler mit der CRM-Theorie verbundene Leitbild der Kundenorientierung entscheidende Parallelen zum für die öffentliche Verwaltung immer bedeutender werdenden Leitbild der Bürgerorientierung aufweist. Denn in beiden Leitbildern werden die eigenen Prozesse an den Bedürfnissen der Menschen im Quartier ausgerichtet. Diese Adaption der CRM-Elemente führt zu einer Professionalisierung der Entwicklung von Nahwärmenetz-Projekten in Bestandsquartieren mit heterogener Akteurs- und Eigentümerstruktur.
Das QEM soll einen Beitrag zur Diskussion um die Initiierung und Umsetzung von Nahwärmenetzen in Bestandsquartieren mit heterogener Akteurs- und Eigentümerstruktur im speziellen und einen weiteren Lösungsansatz für die Initiierung energetischer Quartiers-Sanierungen im Allgemeinen, darstellen.
Neben der Steigerung der Energieeffizienz im Bereich der Wärmeversorgung bietet dieser Bereich ein großes Potenzial durch die Verwendung der Wärmenetze für bspw. das Power-To-Heat-Prinzip, um negative Regelleistung für die volatile Energieerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen bereitstellen zu können.The energy turnaround poses one of the greatest challenges for the current federal government of Germany. In this context the relevance of heating is progressively being rated higher and higher. As a result focus must be put firstly on the insulation of buildings and secondly on the replacement of heating systems.
With regards to this situation the importance of district heating networks is continuously rising due to generally higher energy efficiency rates of centralized heating systems compared to individually replaced heating systems in single buildings. However the realization of such district heating networks is connected to diverse constraints and problems which do not have a solely technical background, especially in districts with a heterogeneous stakeholder- and ownership-structure.
For the realization of such projects several investment decisions of many different building-owners are necessary who concurrently have to be within proximity of each other. The German law offers the possibility to establish compulsory connection and usage regarding a grid-tied heat supply system in a defined district. However, such a legal compulsion is currently hardly realizable due to political circumstances.
So far no systematic changes have been achieved with project development´s established Top-Down- and Bottom-Up-approaches on the action level of entire towns and single districts. This is also distinguishable in the present heating structure in Germany.
This circumstance suggests the demand of a further approach for project development in order to mobilize the potentials in the field of heat supply of the property portfolio in the context of existing districts with heterogeneous stakeholder- and ownership structure. In the analysis the focus lies especially on the initiation phase.
The adequate response to this detected demand of a further approach is the development of the “Quartiers-Energie-Management” (QEM). In the context of this development the initiation phase of district-heating-projects is primarily interesting. The established approaches develop such projects depending on the following three parameters: location, capital and project-idea. In contrast, the new developed QEM widens this established procedure in the form of an additional parameter: the need of the building owners. This expansion in the form of this additional parameter is firstly based on the current vision for the public administration, Bürgerorientierung, and secondly on the importance of the individual investment decision of single building owners. The QEM-approach is described by several visions, appropriate aims, a digital ecosystem and a use-case.
The digital ecosystem is based on the partial adaption of elements of the customer-relationship-management-theory (CRM-Theory), which is primarily used by e-commercial companies. The partial adaption of CRM-elements and main features of their digital-ecosystems for the project-development of district-heating-networks is possible because of the parallels between the current vision of the public administration on the one hand, and the vision of the e-commercial companies, Kundenorientierung, on the other hand. Because of these visions, in both sectors the respective processes are aligned in dependence on the needs of people living in the district. As a consequence, especially of the adaption of the CRM-elements, the project-development of district-heating-networks becomes more professional.
The QEM-approach should especially deliver an innovative input for the discussion about the initiation and realization of district-heating-networks in existing districts with a heterogeneous stakeholder- and ownership-structure. Furthermore it should deliver an input for the general discussion about energetic refurbishment of whole districts.
Additionally to the aspired increase of the energy efficiency in the context of heat supply, this area offers a remarkable potential for providing negative regulation power to compensate volatile generation from renewable energy sources by implementing the power-to-heat-principle within district-heating-systems