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Surface selective hydrogel grafting of ultrafiltration membranes using macromolecular initiators and the application to increase fouling resistance
No full textFouling ist eines der Hauptprobleme bei der Anwendung von Ultrafiltration in der Wasseraufbereitung. Die chemische Modifizierung bestehender Membranen mittels „grafting from“ ist eine lange bekannte Methode um die Foulingresistenz von Membranen zu erhöhen. Andererseits sind entsprechende Methoden häufig nicht wirtschaftlich, da sie entweder schwierig aufzubringen sind, oder die Membraneigenschaften zu stark beeinflussen. Das Ziel dieser Arbeit war es, eine Methode zu entwickeln welche sehr oberflächenselektiv und einfach anzuwenden ist. Dazu wurden neuartige makromolekulare Initiatorsysteme entwickelt, welche in einem ersten Schritt auf der Membranoberfläche adsorbierten. In einem zweiten Schritt wurde der Initiator verwendet um ein polymeres Hydogelnetzwerk auf der Membran aufwachsen zu lassen. Ein thermischer Initiator wurde durch polymeranaloge Modifizierung eines polystyrol-co-maleinsäureanhydrid Copolymers mit Cumyl- und ter.Butyl hydroperoxid oder einer azo-funktionalen Gruppe hergestellt. Ein redox Co-initiator wurde durch Copolymerisation von N,N-Dimethylaminoethyl methacrylate und Butylmethacrylat hergestellt. Beide Systeme wurden bezüglich ihrer kolloidalen Eigenschaften wie kritischer Mizellbildungskonzentration und kritischem Wassergehalt untersucht. Das Adsorptionsverhalten auf Modelloberflächen aus dichten Polyethersulfon (PES) filmen wurde mittels Oberflächenplasmonenresonanz, Quarzkristallmikrowaage und Ellipsometrie untersucht. Geeignete Bedingungen, welche zur Bildung einer Fest adsorbiterten Monolage führen konnten für alle Initiatorsysteme gefunden werden. Mittels In Situ Rheologie, wurde die Initiatoraktivität unterucht. Die redox Co-initiatoren zeigten eine hohe Initiatoraktivität. Bei den thermischen Initiatoren, zeigte der Azo basierte Initiator keine Aktivität, wogegen die Peroxid basierten Initiatoren bei 65 °C eine gute Leistung zeigten. Das zwitterionische [3-(methacryloylamino) propyl] dimethyl (3-sulfopropyl) ammonium hydroxid (SPP) wurde als Monomer zur Membranfunktionalisierung verwendet. N,N´-methylenebis(acrylamid) (MBAA) wurde als Vernetzer genutzt. Es konnte gezeigt warden, dass beide Initiatorsysteme generell geeignet sind um Membranen zu modifizieren. Aufgrund der besseren Anwendbarkeit, wurde der redox Co-initiator für weitere Studien verwendet. Der Effekt der Modifizierung auf die Oberflächenchemie wurde mittels Kontaktwinkel, Zeta Potential, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und SIMS-mapping untersucht. Veränderungen in der elementaren Zusammensetzung der Oberfläche zeigten eine erfolgreiche Modifizierung.
Fouling tests wurden mit Inge Multibore® PES Kapillarmembranen und Flachmembranen mit ähnlichen Eigenschaften durchgeführt. Tests mit Rinderserum Albumin zeigten eine erhöhte Resistenz gegen Proteinfouling unter statischen und Filtrationsbedingungen. Tests mit Extrakten aus einem Membranbioreaktor (EPS und SMP) zeigten ebenfalls eine erhöhte Foulingresistenz. Filtrationsversuche mit einem Extrakt aus Blumenerde zeigten erhöhte Foulingresistenz sowie einen erhöhten TOC rückhalt. Darüberhinaus konnte in verschiedenen Versuchen gezeigt werden, dass die modifizierten Membranen eine hohe chemische und mechanische Stabilität aufweisen. Letztendlich wurde die Modifizierungsmethode in Moulen im Technikumsmaßstab angewendet. Insbesondere die leichte Anwendbarkeit auch in fertigen Membranmodulen, lassen eine Weiterentwicklung der gezeigten Methoden Sinnvoll erscheinen.Fouling is a major challenge when applying ultrafiltration in water treatment. Membrane grafting is a long known possibility to increase the inherent fouling resistance of polymeric ultrafiltration membranes. On the other hand, many available techniques are not widely established, because they either strongly influence the membrane performance or are not easy to apply and thus not feasible. The aim of the work presented here, was to establish a new grafting technique that is surface selective and easy to apply in ready to use membrane modules. This goal was to be achieved via a new macromolecular initiator that is adsorbed to the membrane selective layer in a first step. Due to its high molecular weight, the initiator is completely rejected by the membrane. In the second step, the initiator activity is used to graft a zwitterionic hydrogel on the membrane surface. A copolymer of butyl methacrylate as adhesive group and N,N-dimethylaminoethyl methacrylate as redox co-initiator was synthesized with varying ratios of both monomers. A thermal macroinitiator was synthesized by modifying a commercial polystyrene-co-maleic anhydride copolymer with a new azo functional group as well as the organic hydroperoxides cumyl- and tert. butylhydroperoxide. The initiator systems were characterized regarding their behaviour in solvent mixtures by measurements of critical water content and critical micelle concentration. The adsorptive behaviour to polyethersulfone (PES) model surfaces was surveyed via surface plasmon resonance, quartz crystal microbalance and ellipsometry. Suitable conditions leading to a strongly adsorbed monolayer were found for all systems. The initiator activity was surveyed by in situ rheology. A high activity was found for the redox co-initiator system. No activity was found for the azo modified copolymer, while the hydroperoxide based thermal initiators showed a good performance at 65 °C. Zwitterionic [3-(methacryloylamino) propyl] dimethyl (3-sulfopropyl) ammonium hydroxide (SPP) was used as the monomer for membrane modification and N,N´-methylenebis(acrylamide) (MBAA) was used as a cross-linker. It could be proven that both initiator systems are generally suitable for surface selective membrane modification. Since the redox co-initiator caused less unspecific polymerization in the membrane support, this system was used for further studies focusing on membrane performance. The effect of grafting on the membrane surface chemistry was surveyed on PES flat sheet membranes using contact angle, zeta potential, X-ray photospectroscopy and SIMS-mapping. It was found that the modification leads to a more neutral surface charge and higher hydrophilicity. Changes in the elemental composition of the surface indicated that these changes are correlated to successful surface modification.
Fouling tests were performed using Inge Multibore® PES capillary membranes as well as flat sheet samples produced by BASF with similar properties like the Multibore®. The capillaries were potted in filtration modules of different sizes. Fouling tests with bovine serum albumin revealed an increased resistance towards protein fouling in static adsorption tests and during filtration. Tests with extracts from membrane bioreactors (EPS and SMP) showed an increased fouling resistance for the modified membranes. Filtration tests with flower soil extract showed improved anti fouling properties and an increase in TOC rejection due to the modification. Furthermore a good chemical and mechanical stability of the grafting layer could be proven by multiple tests applying or simulating chemical enhanced back wash procedures. Finally the modification was applied in pilot scale modules which are currently surveyed in a long term test.
The developed macromolecular redox co-initiator is well applicable and can be optimized for other membrane types and materials in future work. Also it may be used to graft other polymers on membranes to further improve fouling resistance or other desired properties like MWCO or biocompatibility. Especially the good applicability in membrane modules and the high stability of the grafted layers are expected to make the presented method a versatile and feasible alternative for established techniques. Future work should focus on optimization of the grafting conditions and evaluation of other hydrogel systems to improve the benefits of the grafting
Molecular imprinting of polypyrrole for electrochemical sensing of clofibric acid
No full textMolecularly imprinted polymers (MIPs) are artificial biomimetic receptors with applications in separation ranging from small molecules to whole cells. The combination of the MIP principle with conducting polymers allows the fabrication of specific and selective layers for sensing purposes. Not only the robustness of MIPs against environmental conditions and their low cost compared with natural receptors are advantages of MIPs, but also the possibility to prepare them for compounds which have no natural receptors.
In this work, piezoelectric quartz crystals and analogous gold substrates were electrochemically coated with molecularly imprinted conducting polypyrrole films for pulsed amperometric detection (PAD) of clofibric acid, a metabolite of the blood lipid regulator clofibrate. Usually clofibric acid is detected by using reversed-phase HPLC with spectrophotometric detection. This requires large instrumentation, ultrapure solvents, and suitable sample preparation. An electrochemical sensing method would be advantageous due to the simple setup and low cost, and the use of organic solvents for the detection could be avoided.
The films were prepared by cyclic voltammetry of an aqueous solution containing pyrrole as monomer, clofibric acid or, for feasibility studies, caffeine as template, and potassium chloride, potassium nitrate, or phosphate buffer solution as conducting salt. Non-imprinted polymers (NIPs) were prepared without template under the same conditions. The electrodeposition was monitored by a quartz crystal microbalance combined with an electrochemical cell. The deposition was influenced by the number of cycles and the applied potential, by the monomer concentration and the type of conducting salt, and also by the presence of the template. Cyclic voltammetry data obtained during polymerization and deposited weight estimations revealed a decrease of the polymerization rate with increasing clofibric acid concentration. Template entrapment and template removal were studied with X-ray photoelectron spectroscopy. The results indicated that clofibric acid could be removed after imprinting with an aqueous ethanol solution. Binding of caffeine and clofibric acid was studied with PAD. The results showed that optimizations of the washing procedure were needed. Washing procedures under stirring with frequent solvent change were tested with methanol, ethanol, and variation of the washing time, and were compared with washing by PAD measurements. In binding experiments, the highest sensor response to clofibric acid was obtained with sensors treated by PAD washing although the sensor response decreased gradually with repeated washing/measurement cycles. MIP and NIP surfaces were studied with atomic force microscopy (AFM), ellipsometry, contact angle measurements, and zeta potential measurements. AFM measurements revealed smooth surfaces with roughnesses of 6–8 nm for imprinted and non-imprinted layers. Differences between MIP and NIP layers were revealed by contact angle and zeta potential measurements. The results showed that contact angles were higher for MIPs than for NIPs and that the isoelectric point was lower for MIPs than for NIPs.
Binding experiments with clofibric acid and other substances showed a pronounced selectivity of the MIP for clofibric acid vs. carbamazepine, but the response of MIP and NIP to the structurally related molecule 2,4-dichlorophenoxyacetic acid was higher than the response to clofibric acid. The smooth surface might be a reason for an excessively low density of specific binding sites for clofibric acid.
Additionally to cyclic voltammetry, the application of potential pulses during polymerization was tested. Compared with cyclic voltammetry, the use of potential pulses resulted in more adherent films, which allowed testing the application of a negative potential as washing method.
To introduce functional groups into the polymer, which could build more non-covalent bonds with the template during polymerization, pyrrole propionic acid and 2-(1H-pyrrole-1-yl)ethanamine were tested as monomers. Successful polymerization was obtained by copolymerization with pyrrole.
The feasibility of sensor fabrication with a combination of molecular imprinting and electrochemical deposition of polypyrrole for the detection of clofibric acid could be demonstrated, but the specificity (response for MIP vs. NIP) and selectivity were strongly dependent on preparation and washing conditions.Molekular geprägte Polymere (molecularly imprinted polymers, MIPs) sind künstliche biomimetische Rezeptoren, die zu Trennungszwecken für verschiedene Substanzen, von kleinen Molekülen bis hin zu ganzen Zellen, entwickelt werden können. Die Kombination des MIP-Prinzips mit leitfähigen Polymeren erlaubt die Entwicklung spezifischer und selektiver Schichten zu Messzwecken. Nicht nur die Widerstandsfähigkeit der MIPs gegen Umwelteinflüsse und ihre niedrigen Herstellungskosten im Vergleich zu natürlichen Rezeptoren gehören zu ihren Vorteilen, sondern auch die Möglichkeit, MIPs für Substanzen herzustellen, für die es keine natürlichen Rezeptoren gibt.
In dieser Arbeit wurden goldbeschichtete piezoelektrische Quarzkristalle und Glassubstrate elektrochemisch mit molekular geprägten leitfähigen Polypyrrolfilmen für die amperometrische Detektion von Clofibrinsäure, einem Metaboliten des Blutfettsenkers Clofibrat, beschichtet. Gewöhnlich wird Clofibrinsäure spektrophotometrisch mittels reversed-phase HPLC detektiert. Dies erfordert aufwändige Instrumentierung, hochreine Lösungsmittel und eine geeignete Probenvorbereitung. Der Vorteil einer elektrochemischen Methode wäre der mit niedrigen Kosten verbundene einfache Aufbau der Messanordnung und die Möglichkeit, den Einsatz organischer Lösungsmittel vermeiden zu können.
Die Filme wurden mittels Zyklovoltammetrie in wässriger Lösung bestehend aus Pyrrol als Monomer, Clofibrinsäure oder, für erste Machbarkeitsstudien, Koffein als Templat und Kaliumchlorid, Kaliumnitrat oder Phosphatpufferlösung als Leitsalz hergestellt. Nicht-geprägte Polymere (non-imprinted polymers, NIPs) wurden ohne Templatzusatz unter ansonsten gleichen Bedingungen hergestellt. Die elektrochemische Beschichtung der Sensoroberfläche wurde durch die Kombination der elektrochemischen Zelle mit einer Quarzkristallmikrowaage beobachtet. Die Abscheidung des Polymers wurde durch die Anzahl der Zyklen und das verwendete Potential, die Konzentration des Monomers und der Art des Leitsalzes sowie durch das Templat beeinflusst. Zyklovoltammetrische Messwerte, die während der Polymerisation erhalten wurden, und Abschätzungen der Polymermasse zeigten, dass mit steigender Konzentration an Clofibrinsäure die Polymerisationsrate sinkt. Der Einschluss und die Entfernung der Templatmoleküle wurden mit Röntgenphotonenspektroskopie untersucht. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass Clofibrinsäure mit ethanolischer Lösung aus dem Polymer entfernt werden konnte. Bindungsversuche mit Koffein und Clofibrinsäure wurden mit gepulster amperometrischer Detektion (pulsed amperometric detection, PAD) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Vorgehen zur Templatentfernung optimiert werden sollte. Waschmethoden unter Rühren mit regelmäßigem Wechsel des Lösungsmittels wurden mit Methanol, Ethanol und Veränderung der Waschzeit getestet und mit Waschen durch PAD verglichen. Die höchste Sensorantwort auf Clofibrinsäure in Bindungsversuchen wurde mit Sensoren, die mittels PAD gewaschen worden waren, erreicht, doch die Sensorantwort nahm mit zunehmender Zahl an Wasch- und Bindungsversuchen ab.
Die Oberflächen der MIPs und NIPs wurden mit Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM), Ellipsometrie, Kontaktwinkelmessungen und Zeta-Potentialmessungen untersucht. AMF-Messungen ergaben mit 6–8 nm eine geringe Rauigkeit der Oberflächen von MIPs und NIPs. Unterschiede zwischen MIPs und NIPs zeigten sich bei Kontaktwinkel- und Zeta-Potentialmessungen. Für MIPs wurden höhere Kontaktwinkel als für NIPs festgestellt. Weiterhin lag der isoelektrische Punkt von MIPs niedriger als der von NIPs.
Bindungsversuche mit Clofibrinsäure und anderen Substanzen zeigten eine höhere Selektivität der MIPs für Clofibrinsäure im Vergleich zu Carbamazepin, aber die Sensorantwort von MIPs und NIPs auf das strukturell ähnliche Molekül 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure war höher als die Sensorantwort auf Clofibrinsäure.
Zusätzlich zur Zyklovoltammetrie wurde die Verwendung von Potentialpulsen als Polymerisationsmethode getestet. Im Vergleich zur Zyklovoltammetrie ergab die Verwendung von Potentialpulsen Filme, die stärker an der Goldoberfläche der Sensoren hafteten, was die Verwendung eines negativen Potentials als Waschmethode zur Entfernung des Templats erlaubte.
Zur Einführung funktioneller Gruppen in das Polymer, welche die Anzahl nicht-kovalenter Bindungen zwischen Templat und Polymer erhöhen könnten, wurden Pyrrolpropionsäure und 2-(1H-Pyrrol-1-yl)ethanamin als Monomere getestet. Eine Polymerisation wurde durch Copolymerisation mit Pyrrol erreicht.
Die Machbarkeit der Sensorherstellung mit einer Kombination aus molekularer Prägung und elektrochemischer Polymerisation von Polypyrrol zur Detektion von Clofibrinsäure konnte gezeigt werden, aber Spezifität und Selektivität hingen stark von den Herstellungs- und Waschbedingungen ab
Fundamental investigastions considering energy efficiency and EMC of electric vehicle by using a scaled Power-HiL-Setup
No full textDie Elektromobilität ist als ein Teil der Energiewende eines der aktuellen Themen in der technischen Forschung. Die Idee dabei ist der Einsatz von elektrischen Antrieben in Fahrzeugen zur Reduzierung des CO2-Ausstroßes im Individualverkehr. Trotz der hohen Wirkungsgrade der eingesetzten Elektro-antriebe ist die Reichweite aktueller Elektrofahrzeuge aufgrund der begrenzten Batteriekapazität auf etwa 100-200km begrenzt. Zudem werden energieintensive Nebenverbraucher, wie die Heizung und der Klimakompressor an der Antriebsbatterie betrieben, was die Reichweite weiter reduziert. Die begrenzte Reichweite in Kombination mit den langen Ladezeiten zeigt, dass eine optimale Nutzung der verfügbaren Energie bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen berücksichtigt werden muss.
Zudem ergeben sich durch die Integration von leistungselektronisch geregelten Antriebssystemen in die bestehenden Fahrzeugarchitekturen (12V-Bordnetz) enorme Herausforderungen bzgl. der EMV Anforderungen, die einen Anpassungsprozess der relevanten EMV-Standards im Fahrzeugbereich bedingt haben. Um einen störungsfreien Parallelbetrieb der beiden Bordnetze zu gewährleisten, wird das Antriebsbordnetz isoliert vom 12V-Bordnetz realisiert und zudem vollständig geschirmt. Aufgrund von Kostenfaktoren und dem geringen Platzangebot im Fahrzeug ist die Anzahl der zusätzlich realisierbaren Gegenmaßnahmen begrenzt.
Um sowohl die Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen als auch die im Antriebsbordnetz auftretenden Störaussendungen basierend auf realen Komponenten zu untersuchen, wird eine Power-HiL Umgeb-ung des Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs realisiert. Zur Untersuchung der Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen, wird das Antriebsbordnetz aus energietechnischer Sicht als Netzwerk mit Erzeugern und Verbrauchern betrachtet. Um sowohl unterschiedliche Fahrzeuge als auch unterschiedliche Antriebsysteme zu untersuchen, wird eine Skalierungsmethode vorgestellt, welche auch auf andere Prüfstände adaptierbar ist. Mit dem Aufbau wird der Einfluss unterschiedlicher Fahr-zyklen, Antriebssysteme, Rekuperationsleistungen und Hochvolt-Nebenverbraucher auf die Reich-weite der Fahrzeuge umfassend untersucht.
Zur Untersuchung der EMV des elektrischen Antriebsstrangs wird die Power-HiL Umgebung ver-wendet, um die Störaussendung des Antriebssystems von Elektrofahrzeugen und deren Ausbreitung im Fahrzeug zu untersuchen. In den aktuellen EMV-Standards werden die leitungsgeführten Störaus-sendungen an den Antriebs- und Traktionsleitungen des Umrichters in konstanten Betriebspunkten gemessen. Diese Störungen breiten sich zudem über die Antriebswelle, die eine Schwachstelle im aktuellen Schirmkonzept darstellt, im Fahrzeug aus. Da diese Wellenströme in der aktuellen Normung nicht berücksichtigt sind, werden sie mit der Power-HiL Umgebung erstmalig untersucht. Zudem wird ein Messaufbau vorgestellt, mit dem die Störaussendung im Frequenzbereich über der Zeit während eines dynamischen Fahrzyklus untersucht werden kann.Electro mobility is part of the energy turnaround in Germany and thus one of the actual topics in technical research. The main idea is the reduction of CO2 emissions of public and individual traffic by using electric drives for vehicle propulsion. Despite the high efficiency of the electric traction systems electric vehicles have a limited driving range of 100-200 km. This limitation is caused by the capacity of the propulsion batteries used. In addition energy-intensive loads like the electric air conditioning compressor and the interior heating are supplied by this battery further reducing the vehicle’s driving range. Compared to vehicles with internal combustion engine electric vehicles can recuperate energy into the battery during the braking process. Especially in inner city traffic this causes an increase of the overall driving range. However, the combination of the limited driving range and the long duration of the recharge process indicates, that the optimal usage of this energy is one of the main topics during the development process of electric vehicles.
Furthermore, integrating electric traction systems in the existing vehicle electric architectures causes enormous challenges with respect to the EMC requirements. Due to this process all affected automotive EMC standards are actually adapted. Inside the power electronic components fast switching power semiconductors are used. In order to further increase the efficiency of the components the switching frequency of power semiconductors and the system’s operational voltage is increased. Beside the better efficiency of the components the electromagnetic interference (EMI) generated by the drive system increases. In order to provide an undisturbed operation of the 12V- and the traction system the traction system is built up isolated and completely shielded from the vehicle’s chassis. Due to costs factors and the limited space inside the vehicle the amount realizable further countermeasures is limited. Thus the disturbances generated by and the coupling passes inside the traction system has to be considered in an early stage in the component development process.
To investigate the impact of e.g. different usage scenarios on the energy efficiency and the EMI of an electric vehicle traction system a Power-HiL setup including the complete electric vehicle drive is used. Focussing on the energy efficiency investigations, the traction system is considered as an energy supply network consisting of energy sources and sinks. In order to simulate different electric vehicles and drives the Power-HiL setup is scaled, using method which can be adapted to other test setups. Using the scaled Power-HiL setup the impact of different electric drives, regenerative braking limitations, usage scenarios and the usage of energy intensive loads on the driving range of electric vehicles is comprehensively investigated.
On the other hand the Power-HiL setup is used to investigate the EMI generated and the coupling paths inside an electric vehicle traction system. In the actual EMC standards the conducted emissions of a drive inverter are measured at the motor and the battery cables while the drive is operated in constant operation. However, inside the motor these conducted emissions are coupling via the bearings onto the drive’s shaft. The shaft is not shielded and represents a weak point of the actual shielding concept. As these shaft currents are not considered in the actual standard, they are comprehensively analyzed using the Power-HiL setup. Furthermore, a realistic drive scenario of an electric vehicle represents a dynamic operation of the traction system, which is not considered in the actual standards. In order to investigate the impact of a dynamic operation of the drive on the conducted emissions the Power-HiL setup is used. For analysing the emissions in dynamic operation a setup measuring the EMI in frequency domain in discrete time steps is used
Lifting grains from a dust bed by interaction with optical radiation and gas at low ambient pressure
No full textExperimente haben gezeigt dass die Beleuchtung von Staubbetten in einer gasarmen Umgebung zu einer effektiven Erosion von Staubpartikeln führt. Weitere Experimente
unter Schwerelosigkeit zeigten dass ausgeworfene Staubartikel einem konvektiven Gasfluss folgten. Da thermische Konvektion bei der Abwesenheit von Gravitation ausgeschlossen werden kann, bleibt als Erklärung ein durch Licht induzierter Gasstrom der nicht nur oberhalb, sondern auch durch das Staubbett geht.
Die Kräfte welche auf ein Partikel an der Oberfläche eines beleuchteten Staubbetts wirken sind Gravitation, Kohäsion, Photophorese, Thermophorese und Luftreibung. Desweiteren
präsentiert diese Arbeit eine Kraft die auf einem Druckaufbau innerhalb des Staubbetts basiert.
Die Größe der wirkenden Kräfte auf ein Oberflächenpartikel werden mit Hilfe von Experimenten abgeschätzt. Jedes der Experimente lieferte dabei neue Informationen von den wirkenden Kräften und die Ergebnisse zeigen deutlich dass die treibende Kraft bei der Erosion durch einen Überdruck innerhalb des Staubbettes und Luftreibung gegeben ist.
Poröse Körper in protoplanetaren Scheiben können effektiv durch licht-induzierten Gasfluss erodiert werden, was eine Erklärung für den mikrometer-großen Staub sein kann, der
über die gesamte Lebenszeit einer protoplanetaren Scheibe beobachtet wird. Eine weitere Anwendung findet sich auf dem Mars, bei welchem die Sonneneinstrahlung zu einer
plantengroßen Gaspumpe führt. Das Gas aus der Atmosphäre wird in schattigen Orten in das Regolith gesogen, innerhalb des Regoliths weiter transportiert und in beleuchteten
Orten wieder an die Oberfläche gepumpt. Das Pumpen des Gases durch den Marsboden kann das Abheben von Staub von der Oberfläche begünstigen.Earlier experiments have shown that dust beds efficiently eject particles under illumination at low ambient pressure. Recent experiments performed in microgravity have shown
a convective flow pattern, traced by eroded particles. As thermal convection can be ruled out without residual gravity, the explanation is a gas flow not only above but also through
the dust bed.
The forces acting on a surface particle of an illuminated dust bed are gravity, cohesion, photophoresis, thermophoresis and gas drag. In addition, another force based upon a pressure build-up within the dust bed is presented.
Experiments were performed to determine the magnitude of each force. Each experiment revealed new information about the acting forces and the results clearly show that the
main lifting force for light-induced erosion is based on the overpressure within the dust bed and gas drag.
Porous bodies in protoplanetary disks can be efficiently eroded by the light-induced gas flow, which might be one explanation for the micron-sized dust observed over the entire lifetime of a protoplanetary disk. Another application is on Mars, where the solar insolation induces a planet wide gas pump in the regolith of the planet. Atmospheric gas is pumped into the soil at shadowed places, traverses underground and is pumped up again in illuminated regions. This also eases dust lifting
X-ray absorption spectroscopy of molecular-based spin-hybrid systems
No full textIm Rahmen dieser Arbeit werden molekulare Spin-Hybrid Systeme auf ihre strukturellen,
elektronischen und magnetischen Eigenschaften untersucht. Die Resultate
sind entsprechend der verwendeten Molekülklassen in zwei Kapitel unterteilt. Im
ersten Teil werden Systeme mit (quasi-)planaren paramagnetischen Molekülen mit
einem 3d-Übergangsmetallion im Zentrum des Moleküls untersucht. Mit Hilfe von
XMCD-Messungen wird gezeigt, dass sich die magnetischen Momente von FePc-
Molekülen auf ferromagnetischen Co-Filmen ausrichten. Bei direktem Kontakt existiert
eine ferromagnetische Kopplung bei Raumtemperatur. Durch eine Zwischenlage
Sauerstoff, die die Moleküle von der Co-Oberfläche trennt, wird die Kopplung
zwischen Molekül und Substrat antiferromagnetisch. Hingegen wird die Kopplung
durch eine Graphen-Zwischenlage auf einem Ni(111)-Substrat lediglich geschwächt,
aber die parallele Spinausrichtung von Co-Substrat und Fe-Ionen des FePc-Moleküls
bleibt erhalten. Anders stellt sich die Situation bei CoOEP-Molekülen dar. Auf dem
gleichen Substrat Graphen/Ni(111) koppeln die Co-Ionen antiferromagnetisch durch
die Graphenschicht an das Ni-Substrat. Die magnetische Kopplung kann jedoch
nur für die erste Moleküllage gezeigt werden, weitere Lagen sind entkoppelt. Durch
die zwei verschieden gekoppelten Moleküllagen kann die Netto-Magnetisierung der
CoOEP-Moleküle in der Multilage durch Veränderung des äußeren Magnetfeldes
umgeschaltet werden.
Die zweite Molekülklasse sind sogenannte Einzelmolekülmagneten des Typs LnPc2.
Mit feldabhängigen XMCD-Messungen wird eine magnetische Remanenz der Moleküle
bei Submonolagenbedeckung auf einem HOPG-Substrat nachgewiesen. Desweiteren
kann eine magnetische Remanenz auch durch die antiferromagnetische
Kopplung zu ferromagnetischen Filmen erzielt werden. Auf einem Ni-Film mit senkrechter
Anisotropie ist die Kopplung stärker als auf dem Co-Film mit paralleler
Anisotropie bezüglich der Oberfläche. Eine systematische Studie von XMCD Messungen
und DFT-Rechnungen an den drei Molekülen TbPc2, DyPc2 und ErPc2
auf einem Ni(111)-Einkristall zeigt eine antiferromagnetische Kopplung zwischen
dem Ni-Substrat und jedem der drei Moleküle. TbPc2 und DyPc2 weisen dabei eine
senkrechte Anisotropie auf, wohingegen ErPc2 die leichte magnetische Richtung in
der Pc-Ebene besitzt. Die Kopplung ist stark anisotrop und ist im Falle von TbPc2
stabil bis zu einer Tempe-ratur von 120 K. Mit Hilfe von DFT-Rechnungen werden
die Kommunikationskanäle im Ln-Ion und dem Liganden bestimmt, die für die
magnetische Wechselwirkung wichtig sind. Die antiferromagnetische Kopplung wird
durch Graphen zwischen dem Substrat und den TbPc2 Molekülen übertragen, ist
jedoch deutlich schwächer als bei direktem Kontakt zwischen Ni und TbPc2.Within the framework of this thesis, molecular spin-hybrid systems are studied for
their structural, electronic and magnetic properties. The results are divided into two
chapters with respect to the investigated classes of molecules. In the first part, systems
including (quasi-)planar paramagnetic molecules having a 3d transition metal
ion in the molecules’ center have been investigated. By means of XMCD measurements
it is shown that the magnetic moments of the FePc molecules align on a
ferromagnetic Co film. In direct contact, a ferromagnetic coupling exists at room
temperature. Due to an interlayer of oxygen separating the molecules from the Co
surface, the coupling becomes antiferromagnetic. However, a graphene interlayer on
a Ni(111) single crystal solely reduces the coupling strength, but the parallel spin
alignment of the Co substrate and the Fe ions of the FePc molecules is maintained.
The situation is different in the case of CoOEP molecules. On the same substrate
graphene/Ni(111), the Co ions couple antiferromagnetically via the graphene layer
to the Ni substrate. The magnetic coupling can be shown for the first layer only,
additional layers are decoupled. Due to the two different coupled molecular layers,
the net magnetization of the CoOEP molecules in a multilayer can be switched by
variation of the external magnetic field.
The second molecular class are so-called single molecule magnets of the type LnPc2.
By field-dependent XMCD measurements, a magnetic remanence of the molecules
is proven at submonolayer coverage on HOPG substrate. Furthermore, a magnetic
remanence can be achieved by antiferromagnetic coupling to ferromagnetic films.
On a Ni film with perpendicular anisotropy the coupling is stronger than on the
Co film with parallel anisotropy with respect to the surface. A systematic study of
XMCD measurements and DFT calculations on the three molecules TbPc2, DyPc2
and ErPc2 on a Ni(111) single crstal shows antiferromagnetic coupling between the
Ni substrate and each of the molecules. TbPc2 and DyPc2 feature a perpendicular
anisotropy, while ErPc2 has an easy axis of magnetization in the Pc plane. The
coupling is highly anisotropic and in case of TbPc2 stable up to 120 K. By means
of DFT calculations the communication channels in the Ln ion and the ligands
which are responsible for the magnetic interaction are determined. The antiferromagnetic
character of the coupling is also mediated via a graphene layer between the
substrate and the TbPc2 molecules, but is significantly weaker than for the direct
contact between Ni and TbPc2
Anisotropic cobalt-based nanostructures: synthesis and characterization
No full textVerschiedene Arten Kobalt-basierter magnetischer Nanostrukturen wurden gezielt hergestellt, um ihre Eigenschaften in modernen Anwendungen zu verbessern. Zum Beispiel werden magnetische Nanodrähte bestehend aus 3d-Übergangsmetallen derzeit als potentiel-le Kandidaten für Permanentmagnete ohne seltene Erden und für Anwendungen in der Ka-talyse untersucht. Die vorliegende Dissertation schlägt mögliche Ansätze für das magneti-sche Härten vor, die eine Kombination aus Form-, magneto-kristalliner und Austauschaniso-tropie der 3d-Metalle ausnutzen. Zunächst ist eine neuartige Methode für das magnetische Härten von Fe30Co70 Nanodrähten untersucht worden. Der Durchmesser der in anodisierten Aluminiumoxid Templaten elektrochemisch gewachsenen Nanodrähte beträgt dabei 20 nm und 40 nm bei einer von Länge 6 µm und 7,5 µm. Detaillierte strukturelle und magnetische Untersuchungen ergaben dabei eine 3-4 nm dicke, natürlich gebildete ferrimagnetische FeCo Oxidschicht an den Enden der Nanodrähte. Diese erhöhen die Koerzitivfeldstärke um 20% bei T = 10 K. Diese Zunahme der Koerzitiv¬feldstärke wird erreicht durch magnetisches Pin-nen, welches die Vortexbildung an den beiden Enden unterdrückt.
Andererseits sind Co80Ni20 Nanostäbchen mit einem mittleren Durchmesser von 7 nm und einer mittleren Länge von 53 nm kolloidal-chemisch mit einem Polyolprozess syntheti-siert worden. Die Strukturanalyse zeigt kristalline Stäbchen mit einer kristallographischen Orientierung der c-Achse der hexagonalen dicht gepackten (hcp) Phase parallel zur langen Achse der Co80Ni20 Legierungsstäbchen. Weiterhin sind die Stäbchen mit einer dünnen, Co-reichen Oxidhülle mit kubisch-flächenzentrierten (fcc) Struktur ummantelt. Diese Hülle för-dert ein größeres Energieprodukt der magnetischen Hysterese aufgrund des Auftretens der Austauschanisotropie zwischen der antiferromagnetischen Oxidhülle und dem ferromagneti-schen Kern.
In einer dritten Studie wurden Kobaltoxid-Nanopartikel untersucht, die gleichzeitig gu-te katalytische und magnetische Eigenschaften zeigen. Ein neues Syntheseverfahren ist ent-wickelt worden, um die magnetischen Eigenschaften der Kobalt-Nanokristalle zu kontrollie-ren. CoO-Co3O4 Kern-Hülle-Oktaeder mit 20 nm, 40 nm und 85 nm Kantenlänge wurden erfolgreich durch ein thermisches Zersetzungsverfahren hergestellt. Die Partikel weisen scharfe Kanten sowie fast atomar glatte {111}–Facetten auf. Sie bestehen aus einen CoO-Kern und einer 2-4 nm dicken Co3O4 Hülle. Die Grenzschicht zwischen diesen beiden Oxi-den ist stark verspannt, was zu ferromagnetischer Ordnung bis mindestens 400 K führt, die weit oberhalb der antiferromagnetischen Ordnungstemperatur der beiden Materialien liegt.
Darüber hinaus wurden weitere Untersuchungen an verschiedenen Arten von Nano-partikeln für andere Anwendungen (z.B. Hyperthermie, Abfallbehandlung, Kontrastmittel) im Rahmen dieser Dissertation durchgeführt. Diese sind in den Anhängen II-IV zusammen-gefasst.Different types of cobalt-based magnetic nanoparticles have been designed to im-prove their performances in modern applications. For example, 3d transition metal-based magnetic nanowires are currently considered as potential candidates for rare-earth-free permanent magnets and for applications in catalysis. This thesis describes possible ap-proaches for the design of optimized architectures on the nanoscale exploiting the combi-nation of shape, magnetocrystalline and exchange anisotropy in 3d-metals. First, in a novel approach for the magnetic hardening, electroplated Fe30Co70 nanowires in anodic alumi-num oxide templates with diameters of 20 nm and 40 nm (length 6 μm and 7.5 μm, re-spectively) are synthesized and thoroughly characterized by structural and magnetic tech-niques. A 3–4 nm thick, naturally formed ferrimagnetic FeCo oxide layer covering the tip of the FeCo nanowire increases the coercive field by 20% at T = 10 K. The increase of the coercive field is achieved by means of magnetic pinning by an antiferromagnet which suppresses vortex formation at the tips of the nanowires as suggested by micromagnetic simulations.
Second, Co80Ni20 nanorods with a mean diameter of 7 nm and a mean length of 53 nm have been synthesized by colloidal chemistry using the polyol process. Structural anal-ysis shows crystalline rods with the crystallographic c-axis of the hexagonal close-packed (hcp) phase, i.e. the magneto-crystalline easy axis, parallel to the long axis of the Co80Ni20 alloy rods. Moreover, these are covered by a thin Co-rich oxidized face-centered cubic (fcc) shell. This shell promotes a larger hysteretic energy product by exchange anisotropy between the antiferromagnetic oxide shell and the ferromagnetic metallic core.
In a third study, cobalt oxide nanoparticles have been examined having a good cata-lytic response and additional magnetic properties. A new synthetic procedure has been developed to master the magnetic properties of cobalt oxide nanocrystals. 20 nm, 40 nm, and 85 nm edge length CoO-Co3O4 core-shell octahedra have been successfully synthe-sized by a thermal decomposition method. The particles exhibit sharp edges as well as almost atomically flat {111} facets. They consist of a CoO core and 2-4 nm thick Co3O4 shell. The interface between these two oxides is heavily strained and gives rise to ferro-magnetism to at least 400 K, well above the antiferromagnetic ordering temperatures of both oxides.
Additional studies of different types of nanoparticles for innovative applications (e.g. hyperthermia, waste treatment, contrast agents) have been performed in the course of this thesis and summarized in the appendices II-IV
Gas-phase kinetic study of soot precursors with variable hydrogen contents using a shock tube with high-repetition-rate time-of-flight mass spectrometry
No full textKohlenstoff-Nanopartikel entstehen nicht nur als unerwünschte Nebenprodukte von Verbrennungsprozessen, sie werden auch gezielt im Industriemaßstab hergestellt und gehören zu den Schlüsselmaterialen des 21. Jahrhunderts. Daher ist ein detailliertes Verständnis der Kohlenstoff-Partikelbildung nicht nur für Herstellung maßgeschneiderter Nanomaterialien von hohem Interesse, sondern auch bei der Verringerung der Rußemission bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Die Bildung von Ruß bei der Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe und dessen Eigenschaften werden zu einem erheblichen Maße vom anwesenden Wasserstoff beeinflusst. Dies lässt sich besonders gut beim Vergleich der konventionellen Verbrennung mit Wasserstoff und bei der wasserstofffreien Verbrennung beobachten. Trotz des enormen Einflusses von Wasserstoff auf die Rußbildung sind bisher nur wenige quantitative Daten verfügbar.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Pyrolyse von Tetrachlorkohlenstoff (CCl4), Kohlenstoffsuboxid (C3O2) und Ethin (C2H2) in der Gasphase, vor der Entstehung der Rußpartikel, untersucht. Frühere Studien konzentrierten sich vor allem auf die Untersuchung des entstehenden Rußes, daher liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Kinetik der Zwischenprodukte, mit dem Ziel die dominierenden chemischen Reaktionskanäle zu bestimmen. Die Experimente wurden an einem Stoßwellenrohr, das mit einem hoch repetitiven Flugzeitmassenspektrometer (HRR-TOF-MS) gekoppelt ist, durchgeführt und mit Simulationen auf Basis von detaillierten Reaktionsmechanismen verglichen. Das HRR-TOF-MS ermöglicht die simultane, zeitaufgelöste Konzentrationsmessung mehrerer Spezies nach Beginn der Reaktion, die durch die Stoßwelle initiiert wird. Somit ist es ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der Gasphasenchemie komplexer kohlenwasserstoffhaltiger Systeme.
Die experimentell gewonnen Daten wurden mit den Simulationen ausgewählter Reaktionsmechanismen verglichen. Bei der CCl4-Pyrolyse wurde festgestellt, dass die Reaktionsfolge CCl4 CCl2 C2Cl2 chlorierte Polyine Cn der bedeutendste Reaktionspfad bei der Bildung kohlenstoffhaltiger Materialien ist. Während der Pyrolyse von Kohlensuboxid konnte eine Erhöhung des C/C2-Konzentrationsverhältnisses in Abhängigkeit von der Temperatur beobachtet werden. Diese Beobachtung beweist die Bedeutung des C2-Dimers für das Wachstum größerer Kohlenstoff-Cluster. Beim thermischen Zerfall von C2H2, wurden neben C2H2 selbst auch höhere Polyacetylene (C2nH2, n = 2–4) als Produkte nachgewiesen. Die Konzentrations-Zeit-Profile wurden mit Simulationen für C2H2, C4H2, C6H2 und C8H2 verglichen. Die Zugabe von H2 führte zu einer Verarmung an Prekursoren für das Partikelwachstum.Carbon nanoparticles play an important role both as combustion-generated pollutants and important industrial products. The detailed understanding of carbon particle formation is of high interest for both, the suppression of unwanted soot emissions and the generation of tailored highly-specific nanomaterials. Soot formation in hydrocarbon combustion is to a large extent determined by the effect of hydrogen and also, the properties of soot are strongly influenced by the presence of hydrogen, most obviously seen by comparing “conventional” soot with soot formed in hydrogen-free systems. Quantitative knowledge about the influence of hydrogen, however, is missing despite its crucial impact on soot formation pathways.
In the present study, pyrolysis of carbon tetrachloride (CCl4), carbon suboxide (C3O2), and acetylene (C2H2) was investigated in the gas phase before the inception of the soot particles. Previous studies were focused on the final soot product but in the current study the kinetics of pre-soot species was studied to determine the underlying chemical reaction channels that are relevant for soot formation. This study was based on experiments in a shock tube coupled to a high-repetition rate time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS) and supported with detailed kinetics modeling. The TOF-MS enables simultaneous time-resolved concentration measurements of multiple species after initiation of the reaction through the shock wave and therefore is a powerful tool to unravel the gas-phase chemistry of complex hydrocarbons systems.
The experimental data were compared to simulations using selected reaction mechanisms. In CCl4 pyrolysis, it was identified that the reaction sequence CCl4 CCl2 C2Cl2 chlorinated polyynes Cn is the main route towards the formation of carbonaceous material. During the pyrolysis of carbon suboxide (C3O2) an increase in the C/C2 concentration ratio with temperature was observed which provides evidence for the importance of the C2 dimer for the growth of larger carbon clusters. In the thermal decomposition of acetylene, besides C2H2, higher polyacetylenes (C2nH2, n = 2–4) were detected as products. Measured concentration-time profiles were compared with simulated ones and reasonable agreement was found between the experiments and the model predictions for C2H2, C4H2, C6H2, and C8H2. Addition of H2 led to a depletion of the important precursors for particle formation
Ionic liquids for synthesis of function-nanomaterials
No full textAbstract:
For the first time, ionic liquids were applied for the size-selective synthesis of thermoelectric antimony telluride (Sb2Te3) nanoplates by thermal decomposition of the single-source precursor bis(diethylstibino)telluride (Et2Sb)2Te. Herein, we report on the synthesis of Sb2Te3 nanoparticles with record-high thermoelectric figure of merit values of up to 1.5. For synthesis, Sb2Te3 nanoplates with a good thermoelectric figure of merit are prepared by using ionic liquids and the microwave technique. The three substantially important thermoelectric parameters, namely electrical conductivity, thermal conductivity and the Seebeck coefficient, were independently addressed to improve the overall performance of the material by making use of a tailor-made metal organic precursor and a specific ionic liquid as the reaction medium and particle stabilizer. The critical influence of porosity for the fabrication of highly efficient thermoelectric materials was demonstrated for the first time. Unequivocal trends could be observed for synthesis of optimal thermoelectric materials in ionic liquids is required. This knowledge simplifies the work in this area for other projects in the near future
Market and Counterparty Credit Risk: Selected Computational and Managerial Aspects
No full textThe thesis can be placed within the literature on market and counterparty credit risk, contributing along the following three dimensions:
1. Interest rate risk (IRR) management:
The thesis starts with an overview on asset liability management (ALM) in general and IRR management in particular. It then gives a novel procedure for structuring swap overlays for pensions funds, allowing for optimal hedging of IRR without affecting the strategic asset allocation (SAA). The thesis also offers an extension of the analysis of the Cairns (2004) stochastic interest rate model
Deriving respective model-based sensitivity measures (Cairns deltas). It finally applies the model to a practical application, analyzing it when it comes to long-term contracts.
2. Pricing and managing counterparty credit risk
A compact overview on counterparty credit risk (CCR) and credit valuation adjustment (CVA) is given. This is followed by a unique analyses around valuation, relevant accounting and regulatory requirements as well as pricing and mitigation, esp. Illustration of how CVA capital charge shows the tautology behind the discussions around regulatory requirements. The thesis contributes also to the discourse on debt valuation adjustment (DVA), e.g. showing that some aspects are not that unintuitive as presumed (e.g. DVA is being priced).
3. CVA modeling and wrong way risk.
The thesis gives an overview on credit risk modeling in general and credit spreads in particular. It especially revisits the CVA for CDS model introduced by Brigo and Capponi (2010), giving e.g.
A) a step-by-step implementation guide, esp. w.r.t to parts Brigo and Capponi (2010) left open;
B) a computational tune-up, incl. a demonstration of its robustness across a variety of scenarios, and a realistic case study;
C) a novel analysis of the Brigo & Capponi (2010) model in particular and CVA modeling in genera
A reference model for Server Based Computing infrastructures and its application for the capacity management
No full textDer weltweit rasant steigende Bedarf an Unterstützung von Anwendern durch leistungsfähige IT-Systeme führt zu einer gleichermaßen steigenden Nachfrage nach Technologien, die es Unternehmen ermöglichen, ihren Endanwendern Desktop-Umgebungen und Applikationen in effizienter und effektiver Weise bereitzustellen. Daraus leitet sich sowohl unter ökologischen als auch unter ökonomischen Aspekten die Anforderung ab, vorhandene Hardware- und Software-Plattformen möglichst passend zum heutigen und zukünftigen Bedarf zu dimensionieren und die Systeme optimal auszulasten.
Protokolle zum Zugriff auf Server-Ressourcen unter Microsoft Windows Betriebssystemen nach dem Prinzip der entfernten Präsentation wurden erstmals ca. 1995 implementiert. Seither hat das damit auch unter Windows mögliche Server Based Computing (SBC) mit Terminal Servern und im Nachgang auch virtuellen Desktops eine technische Reife erlangt, die dem Betriebsmodell der verteilten Ausführung und Datenhaltung mittels konventioneller Personal Computer nicht nachsteht. Energie- und ressourcensparende Thin Clients haben sich entsprechend als Alternative zu herkömmlichen Arbeitsplatz-Computern und ihrer lokalen Datenverarbeitung etabliert. Die Leistungsfähigkeit der Thin Clients hängt jedoch maßgeblich von der Kapazität der Server-Infrastruktur im Rechenzentrum ab.
Die vorliegende Dissertation greift dieses Thema auf und entwirft ein Referenzmodell für das Kapazitätsmanagement von Server Based Computing Infrastrukturen mit dem Ziel, vorhandene wie auch neu zu konzipierende Systeme zu planen und in einem iterativen Prozess weiterzuentwickeln. Der zu Grunde liegende Ansatz baut auf Methoden und Sprachen der Referenzmodellierung auf. Zunächst wird die aus fünf Schichten bestehende Gesamtsicht einer Server Based Computing Infrastruktur entworfen. Aus diesem Referenzmodell werden nach einem methodischen Vorgehen konkretere Informationsmodelle abgeleitet und in der Sprache der Fundamental Modeling Concepts (FMC) notiert. Ein solches Modell kann anschließend im Rahmen einer Simulation oder einer analytischen Herangehensweise dazu verwendet werden, bereits bei der Konzeption verschiedene Handlungsalternativen zu untersuchen und bezüglich der Kapazität der Ressourcen zu bewerten.
Das Referenzmodell und seine Methodik werden anhand eines exemplarischen Szenarios mit verschiedenen Gruppen von Anwendern und Arbeitsplatzgeräten auf der Client-Seite sowie mehreren Profilen von Anwendungen auf der Server-Seite erprobt. Hierbei wird deutlich, dass die modellbasierte Herangehensweise einen wertvollen Beitrag zum Kapazitätsmanagement leisten kann, ohne dass vorab der tatsächliche Aufbau einer neuen IT-Infrastruktur durch die Installation eines physischen Prototypen und die Simulation von Arbeitslasten darauf notwendig wäre.A worldwide rapidly increasing need for assistance of staff by powerful IT-systems leads to an equally ever growing demand for technologies that enable organizations to provide desktop environments and applications to their end users in an efficient and effective way. In terms of both ecologic and economic aspects, the deduced requirement is to size existing hardware and software platforms as suitable as possible for present and future needs, and to allow for an optimum utilization of the system capacities.
Access protocols on server resources based on Microsoft Windows operating systems within the scope of remote presentation were implemented for the first time around 1995. Since then, Server Based Computing (SBC), with terminal servers and virtual desktops later on, has reached a technical maturity which is not inferior to the distributed issue of the operating modeland data storage as used in conventional personal computers. Accordingly, energy and resource saving thin clients have established themselves as an alternative to conventional desktop computers and local data processing. Their performance, however, depends significantly on the capacity of the server infrastructure located in the data center.
The present thesis takes up this subject and outlines a reference model for the capacity management of Server Based Computing infrastructures with the intention to plan novel designed systems and, further, to develop both these as well as exsisting ones by means of an iterative process.
The underlying approach bases upon methods for reference modeling and languages. Initially, a global view of a Server Based Computing infrastructure consisting of five layers is developed. From this reference model, more precise information models are derived following a methodological approach and are stated according to language elements of the Fundamental Modeling Concepts (FMC).
Such model can be used subsequently within the scope of a simulation or an analytical approach, hereby aiming to investigate and evaluate various alternative courses of action regarding the capacity of resources already during the conception phase.
The reference model and its methodology are evaluated using an exemplary scenario with different groups of users and workstation devices on the client side and several profiles of applications on the server side. This shows clearly that the model-based approach can make a valuable contribution to the capacity management, without requiring the actual implementation of a new IT infrastructure by building a physical prototype and simulating workloads within this prototype