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Ecological evaluation of restored former sewage channels in the urbanised Emscher catchment
No full textBackground
My thesis aimed at the ecological evaluation of restored former sewage channels located in the highly urbanised Emscher catchment in western Germany. Prior to restoration the study streams had been used as open sewers for decades and benthic invertebrate life was not possible except for some sewage tolerant Oligochaeta. Restoration measures included the construction of underground sewers for the wastewater, the near-natural remodeling of riparian areas and of the stream bed.
The unique situation in the streams of the Emscher catchment allowed to investigate the recolonisation of restored urban streams by benthic invertebrates and follow-up, the restoration success and additionally, the primary factors influencing the recolonisation.
According to literature the following factors predominantly influence recolonisation: the recolonisation potential (e.g. Sundermann et al. 2011a; Tonkin et al. 2014), the species dispersal capability (Cañedo-Argüelles et al. 2015), the environmental conditions and landscape context (Hughes et al. 2008; Reynolds et al. 2013) and the succession processes (McCook 1994). These influencing factors were mainly investigated in streams of the open landscape. Therefore, their influence on the urban streams of the Emscher catchment was analysed in this thesis. For this purpose, new indicators were developed and indicators of the Water Framework Directive (WFD) were used. The WFD aims at improving the chemical and biological quality of European waters. For heavily modified water bodies, like the streams of the Emscher system, the goal is to reach the “Good Ecological Potential” until 2015 (or under certain circumstances until 2021 or 2027) (European Commission 2000).
In summary, this thesis focussed on the ecological evaluation of the three main topics: First, the ecological assessment of the restored streams after restoration according to the WFD and environmental parameters influencing the Good Ecological Potential; second, the primary colonisation by benthic invertebrates after restoration and their recolonisation patterns; and third, the succession of benthic invertebrates communities and environmental parameters steering the succession process.
Ecological assessment
The thesis starts with an overview of the ecological status of restored sites in the whole Emscher catchment. Based on 248 taxa lists of benthic invertebrates sampled in restored sites by different sampling methods, the analysis focused on the Ecological Potential according to the requirements of the WFD. As possible explanatory parameters for the Ecological Potential, amongst others, riparian land use, stream habitats, and time since restoration were included into a PCA analysis.
Almost 40 % of the sites already achieve the Good Ecological Potential at the recent sampling. Environmental parameters enhancing the probability of meeting the Good Ecological Potential include: connection of restored sites to an unmodified stream section upstream, dead wood in the stream bed, good hydro-morphological structure, deciduous riparian vegetation and unsealed surface in the stream´s surrounding, while the occurrence of iron ochre and sewage overflows located upstream of the sampling sites hinder the achievement of the Good Ecological Potential.
This study also reveals that the Ecological Potential of the restored streams in the Emscher system is only indirectly determined by the factor time. Although the statistical analysis presented this factor as most influencing, in the minority of cases a parallel development of the Ecological Potential and time was found. Instead, the above mentioned environmental conditions of a restored site are of greater importance for the assessment and the achievement of the Good Ecological Potential. In conclusion, the factor “time since restoration” must be interpreted as a proxy for the overall development of the (aquatic and terrestrial) habitats in and at the restored sites.
Recolonisation
The recolonisation success and a good ecological assessment of the streams are amongst others dependent on recolonisation sources and the dispersal capabilities of taxa. Therefore, in a second step I analysed the recolonisation processes by benthic invertebrates. For this analysis, the case study catchment of the Boye, a 77 km² sub-catchment of the Emscher was chosen. This catchment has a high number of restored streams with almost the same ecological conditions as the whole Emscher catchment.
In the spring 2012, seven restored sites connected to near-natural upstream sections were sampled, which were never used as sewage channels and are in good status morphologically. Furthermore, six unconnected restored sites were sampled. Restoration measures had been conducted between one and 19 years before sampling. Additionally, 21 near-natural sites within the catchment and eleven near-natural sites in neighbouring catchments were sampled. Near-natural sites were considered to be potential source sites from which benthic invertebrates might colonise the restored sites. 128 taxa were recorded and were categorised into five dispersal classes reflecting dispersal capabilities and degree of ecological specialisation, according to a literature review. Assemblages at restored sites were characterised by lower numbers of taxa and/or high abundances of hololimnic taxa and poorly dispersing winged species and by higher species numbers and abundance of strongly dispersing generalists. A recolonisation sequence was derived from the observed patterns, in which winged, strongly dispersing generalists colonised most rapidly and were followed by hololimnic species, weakly dispersing generalists and habitat specialists. Restored sites connected to near-natural upstream sections were colonised more rapidly than unconnected restored sites, particularly by habitat specialists.
Almost 90 % of the recolonisation events originated from sources within a distance of 5 km. A succession from pioneer assemblages to more mature communities, which resembles that of the surrounding near-natural sites, was observed. In summary, assemblages in connected, restored sites needed 9 to 19 years to reach maturation, while the settlement of assemblages in unconnected sites are expected to require more time.
Succession
While successional changes of assemblages in lakes or wetlands are well documented, these processes are poorly understood in streams. Following stream restoration and primary recolonisation the benthic invertebrate assemblage is also supposed to undergo a succession, as new habitats have been generated. These successional changes are important to predict the taxonomical development, thus indirectly the development of the ecological assessment, of restored sites. Therefore, the same 13 sites in the seven restored streams as of the Boye sub-catchment in chapter 3 were investigated again in the spring 2013. For each site environmental parameters expected to steer the succession process were collected. Their influence on the inter-annual taxonomical change was tested with correlation analyses (Spearman’s rho). The 21 near-natural sites within the Boye catchment and 11 near-natural sites in neighbouring catchments sampled in 2012 served again as source sites for the analysis.
Within 1 year time, the restored sites have undergone further succession, which lead to a higher resemblance of their assemblages to those of the source sites. These results were derived from similarity analyses, non-metric multidimensional scaling and therefrom developed change values, which show the taxonomical change of a site after 1 year dependent of the recolonisation sources. The assemblages of young restored sites changed more markedly than assemblages of old restored sites within the time span of 1 year. In the first years after restoration instable assemblages with high abundances of eurytopic pioneer taxa were found, while 5 years after restoration assemblages were increasingly similar to those of the source sites and mature assemblages were observed 9 to 10 years after restoration. Differences between young restored sites connected and unconnected to near-natural upstream sections were observed, suggesting a strong colonisation with organisms from upstream sections particularly in the first years.
The succession towards near-natural assemblages is further supported by recolonisation sources in the surroundings, the presence of gravel/stones at the stream bottom and a low share of urban land use in the surrounding. Especially urban land use is associated with several stressors (e.g. diffuse inputs, morphological degradation, hydraulic stress) leading to unstable, less predictable and less favourable conditions.
Conclusion and future prospects
From the results of the first study, suggestions, as the creation/enhancement of growth of deciduous woody riparian vegetation along buffer strips of the streams, the reduction and improvement of sewage overflows, the provisioning of a connection to the streams tributaries, and active addition of dead wood to the streams, for further optimisation of the restoration of urban streams were derived. They serve as recommendations to improve restoration measures in the future. Furthermore, the second study showed that the establishment of mature habitat conditions, in particular woody riparian vegetation, is a prerequisite for the recolonisation of habitat specialists, which indicate the maturation progress of a restored site. In the planning phase of a restoration this knowledge can be used to especially create habitats in order to promote the recolonisation of sensitive species. Several streams of the Emscher catchment are still isolated after restoration and not directly connected to colonisation sources. For these streams a possible approach might be an assisted migration of invertebrates, which would not reach these streams on their own. This can probably help to reach the target assemblage and the Good Ecological Potential in due course.
The results of the second and third study suggest that the invertebrate assemblages will reflect the restoration effects in sense of maturation at earliest 5 years, but more likely a decade, after restoration. Applying the “change value” used in the third study, timeframes for the monitoring of restored sites can be aligned for each river network, dependent of the recolonisation sources of the surrounding and the environmental conditions of the study streams´ catchment. My findings about succession help to set realistic goals in stream restoration. It can be detected at an early stage, whether the restoration target or the achievement of the Good Ecological Potential is realistic for a stream or not.
Often, the success of a restoration measure initially does not result in the Good Ecological Potential. Nevertheless, it is important to know, whether a site has reached a “small success”, in terms of a taxonomic improvement, after a restoration measure. For this purpose, the dispersal classes of the second study can be used. The dispersal classification is transferable to other catchments and additional taxa could be classified following the described rules. As the number of taxa representing different dispersal classes is more constant than species richness or similarity patterns, dispersal classes could be used as a generic trait to analyse assemblage maturation. Small successes like the recolonisation of demanding taxa can get apparent. To better understand the processes of recolonisation and succession, long term studies, ideally also addressing population genetics, are advisable in the future
„Determinants of Political Behavior – (Un)conventional Participation and Attitudes that Affect Behavior”
No full textDie Doktorarbeit mit dem Titel „Determinanten politischen Verhaltens – (Un)konventionelle Partizi-pation und verhaltensprägende Einstellungen“ befasst sich mit der Entwicklung des politischen Partizipationsverhaltens in sieben westlichen Industriestaaten (Großbritannien, Niederlande, Deutschland, Italien, Finnland, Österreich und Vereinigte Staaten). Basierend auf einer Längsschnittanalyse werden unter Verwendung von Individualdaten Typen politischer Partizipation gebildet. Dabei werden sowohl konventionelle als auch unkonventionelle Partizipationsformen berücksichtigt. Aufbauend auf den Annahmen des sozioökonomischen Standardmodells, des Civic-Voluntarism-Modells, den Indikatoren der Political Efficacy und der politischen Kulturforschung sowie modernisierungstheoretischen Werteeinstellungen wird ein Analyseraster erstellt. Mittels einer logistischen Regressionsanalyse werden die Effekte der theoretischen Erklärungsfaktoren für die Nutzungswahrscheinlichkeit einzelner Partizipationstypen für die Untersuchungsjahre 1979, 1980/81, 1990, 1999 und 2008 getestet. Es zeigt sich, dass sich das politische Partizipationsverhalten im Laufe der Zeit von einem primär staatsbürgerlichen (vorwiegend wählend) zu einem stärker themenspezifisch orientierten Beteiligungsmuster wandelt. Einen maßgeblichen Effekt für diese Entwicklung üben das politische Interesse und die individuelle Ressourcenausstattung der Bürger aus.The present doctoral thesis with the title „Determinants of Political Behavior – (Un)conventional Participation and Attitudes that Affect Behavior” deals with the development of political action in seven industrialised nations, namely Great Britain, the Netherlands, Germany, Italy, Finland, Austria and the United States. On the basis of individual survey data, a longitudinal analysis is conducted with the aim to generate types of political participation. Conventional as well as unconventional forms of participation are considered. The theoretical assumptions of the socioeconomic standard model, the civic voluntarism model, the political efficacy and the political culture concept as well as value orientations rooted in the modernisation theory are used to design an analytical framework. A logistic regression analysis is performed in order to detect the effects of the theoretical assumptions on the sufficient likelihood for the use of different political participation patterns for the years 1979, 1980/81, 1990, 1999, and 2008. It is shown that a change in the political action takes place: The primarily conformist behaviour (mainly vote) turns to a more issue orientated political action. The most significant effects are attributed to the political interest and the individual resources
Novel Aspects of Interference Alignment in Wireless Communications
No full textInterference alignment (IA) is a promising joint-transmission technology that essentially enables the maximum achievable degrees-of-freedom (DoF) in K-user interference channels. Fundamentally, wireless networks are interference-limited since the spectral efficiency of each user in the network is degraded with the increase of users. IA breaks through this barrier, that is caused by the traditional interference management techniques, and promises large gains in spectral efficiency and DoF, notably in interference limited environments.
This dissertation concentrates on overcoming the challenges as well as exploiting the opportunities of IA in K-user multiple-input multiple-output (MIMO) interference channels. In particular, we consider IA in K-user MIMO interference channels in three novel aspects.
In the first aspect, we develop a new IA solution by designing transmit precoding and interference suppression matrices through a novel iterative algorithm based on Min-Maxing strategy. Min-Maxing IA optimization problem is formulated such that each receiver maximizes the power of the desired signal, whereas it preserves the minimum leakage interference as a constraint. This optimization problem is solved by relaxing it into a standard semidefinite programming form, and additionally its convergence is proved. Furthermore, we propose a simplified Min-Maxing IA algorithm for rank-deficient interference channels to achieve the targeted performance with less complexity. Our numerical results show that Min-Maxing IA algorithm proffers significant sum-rate improvement in K-user MIMO interference channels compared to the existing algorithms in the literature at high signal-to-noise ratio (SNR) regime. Moreover, the simplified algorithm matches the optimal performance in the systems of rank-deficient channels.
In the second aspect, we deal with the practical challenges of IA under realistic channels, where IA is highly affected by the spatial correlation. Data sum-rate and symbol error-rate of IA are dramatically degraded in real-world scenarios since the correlation between channels decreases the SNR of the received signal after alignment. For this reason, an acceptable sum-rate of IA in MIMO orthogonal frequency-division-multiplexing (MIMO-OFDM) interference channels was obtained in the literature by modifying the locations of network nodes and the separation between the antennas within each node in order to minimize the correlation between channels. In this regard, we apply transmit antenna selection to MIMO-OFDM IA systems either through bulk or per-subcarrier selection aiming at improving the sum-rate and/or error-rate performance under real-world channel circumstances while keeping the minimum spatial antenna separation of half-wavelengths. A constrained per-subcarrier antenna selection is performed to avoid subcarrier imbalance across the antennas of each user that is caused by per-subcarrier selection. Furthermore, we propose a sub-optimal antenna selection algorithm to reduce the computational complexity of the exhaustive search. An experimental testbed of MIMO-OFDM IA with antenna selection in indoor wireless network scenarios is implemented to collect measured channels. The performance of antenna selection in MIMO IA systems is evaluated using measured and deterministic channels, where antenna selection achieves considerable improvements in sum-rate and error-rate under real-world channels.
Third aspect of this work is exploiting the opportunity of IA in resource management problem in OFDM based MIMO cognitive radio systems that coexist with primary systems. We propose to perform IA based resource allocation to improve the spectral efficiency of cognitive systems without affecting the quality of service (QoS) of the primary system. IA plays a vital role in the proposed algorithm enabling the secondary users (SUs) to cooperate and share the available spectrum aiming at increasing the DoF of the cognitive system. Nevertheless, the number of SUs that can share a given subcarrier is restricted to the IA feasibility conditions, where this limitation is considered in problem formulation. As the optimal solution for resource allocation problem is mixed-integer, we propose a two-phases efficient sub-optimal algorithm to handle this problem. In the first phase, frequency-clustering with throughput fairness consideration among SUs is performed to tackle the IA feasibility conditions, where each subcarrier is assigned to a feasible number of SUs. In the second phase, the power is allocated among subcarriers and SUs without violating the interference constraint to the primary system. Simulation results show that IA with frequency-clustering achieves a significant sum-rate increase compared to cognitive radio systems with orthogonal multiple access transmission techniques.
The considered aspects with the corresponding achievements bring IA to have a powerful role in the future wireless communication systems. The contributions lead to significant improvements in the spectral efficiency of IA based wireless systems and the reliability of IA under real-world channels.Interference Alignment (IA) ist eine vielversprechende kooperative Übertragungstechnik, die die meisten Freiheitsgrade (engl. degrees-of-freedom, DoF) in Bezug auf Zeit, Frequenz und Ort in einem Mehrnutzer Überlagerungskanal bietet. Im Grunde sind Funksysteme Interferenz begrenzt, da die Spektraleffizienz jedes einzelnen Nutzers mit zunehmender Nutzerzahl sinkt. IA durchbricht die Schranke, die herkömmliches Interferenzmanagement errichtet und verspricht große Steigerungen der Spektraleffizienz und der Freiheitsgrade, besonders in Interferenzbegrenzter Umgebung.
Die vorliegende Dissertation betrachtet bisher noch unerforschte Möglichkeiten von IA in Mehrnutzerszenarien für Mehrantennen- (MIMO) Kanäle sowie deren Anwendung in einem kognitiven Kommunikationssystem.
Als erstes werden mit Hilfe eines effizienten iterativen Algorithmus, basierend auf der Min-Maxing Strategie, senderseitige Vorkodierungs- und Interferenzunterdrückungs Matrizen entwickelt. Das Min-Maxing Optimierungsproblem ist dadurch beschreiben, dass jeder Empfänger seine gewünschte Signalleistung maximiert, während das Minimum der Leck-Interferenz als Randbedingung beibehalten wird. Zur Lösung des Problems wird es in eine semidefinite Form überführt, zusätzlich wird deren Konvergenz nachgewiesen. Des Weiteren wird ein vereinfachter Algorithmus für nicht vollrangige Kanalmatrizen vorgeschlagen, um die Rechenkomplexität zu verringern. Wie numerische Ergebnisse belegen, bedeutet die Min-Maxing Strategie eine wesentliche Verbesserung des Systemdurchsatzes gegenüber den bisher in der Literatur beschriebenen Algorithmen für Mehrnutzer MIMO Szenarien im hohen Signal-Rausch-Verhältnis (engl. signal-to-noise ratio, SNR). Mehr noch, der vereinfachte Algorithmus zeigt das optimale Verhalten in einem System mit nicht vollrangigen Kanalmatrizen.
Als zweites werden die IA Herausforderungen an Hand von realistischen/realen Kanälen in der Praxis untersucht. Hierbei wird das System stark durch räumliche Korrelation beeinträchtigt. Der Datendurchsatz sinkt und die Symbolfehlerrate steigt dramatisch unter diesen Bedingungen, da korrelierte Kanäle den SNR des empfangenen Signals nach dem Alignment verschlechtern. Aus diesem Grund wurde in der Literatur für IA in MIMO-OFDM Überlagerungskanälen sowohl die Position der einzelnen Netzwerkknoten als auch die Trennung zwischen den Antennen eines Knotens variiert, um so die Korrelierung der verschiedenen Kanäle zu minimieren. Das vorgeschlagene MIMO-OFDM IA System wählt unter mehreren Sendeantennen, entweder pro Unterträger oder für das komplette Signal, um so die Symbolfehlerrate und/oder die gesamt Datenrate zu verbessern, während die räumliche Trennung der Antennen auf die halbe Wellenlänge beschränkt bleiben soll. Bei der Auswahl pro Unterträger ist darauf zu achten, dass die Antennen gleichmäßig ausgelastet werden. Um die Rechenkomplexität für die vollständige Durchsuchung gering zu halten, wird ein suboptimaler Auswahlalgorithmus verwendet. Mit Hilfe einer Innenraummessanordnung werden reale Kanaldaten für die Simulationen gewonnen. Die Evaluierung des MIMO IA Systems mit Antennenauswahl für deterministische und gemessene Kanäle hat eine Verbesserung bei der Daten- und Fehlerrate unter realen Bedingungen ergeben.
Als drittes beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit den Möglichkeiten, die sich durch MIMO IA Systeme für das Ressourcenmanagementproblem bei kognitiven Funksystemen ergeben. In kognitiven Funksystemen müssen MIMO IA Systeme mit primären koexistieren. Es wird eine IA basierte Ressourcenzuteilung vorgeschlagen, um so die spektrale Effizienz des kognitiven Systems zu erhöhen ohne die Qualität (QoS) des primären Systems zu beeinträchtigen. Der vorgeschlagenen IA Algorithmus sorgt dafür, dass die Zweitnutzer (engl. secondary user, SU) untereinander kooperieren und sich das zur Verfügung stehende Spektrum teilen, um so die DoF des kognitiven Systems zu erhöhen. Die Anzahl der SUs, die sich eine Unterträgerfrequenz teilen, ist durch die IA Randbedingungen begrenzt. Die Suche nach der optimalen Ressourcenverteilung stellt ein gemischt-ganzzahliges Problem dar, zu dessen Lösung ein effizienter zweistufiger suboptimaler Algorithmus vorgeschlagen wird. Im ersten Schritt wird durch Frequenzzusammenlegung (Clusterbildung), unter Berücksichtigung einer fairen Durchsatzverteilung unter den SUs, die IA Anforderung erfüllt. Dazu wird jede Unterträgerfrequenz einer praktikablen Anzahl an SUs zugeteilt. Im zweiten Schritt wird die Sendeleistung für die einzelnen Unterträgerfrequenzen und SUs so festgelegt, dass die Interferenzbedingungen des Primärsystems nicht verletzt werden. Die Simulationsergebnisse für IA mit Frequenzzusammenlegung zeigen eine wesentliche Verbesserung der Datenrate verglichen mit kognitiven Systemen, die auf orthogonalen Mehrfachzugriffsverfahren beruhen.
Die in dieser Arbeit betrachteten Punkte und erzielten Lösungen führen zu einer wesentlichen Steigerung der spektralen Effizienz von IA Systemen und zeigen deren Zuverlässigkeit unter realen Bedingungen
Essays on Quantitative Finance and Asset Pricing
No full textPricing, hedging and investment are arguably the three fundamental problems in quantitative finance and asset pricing. Naturally, the problems are closely connected. The present thesis consists of three chapters. Each chapter contributes to the literature dealing with aspects of the fundamental problems. Special emphasis is put on volatility and jump risk. According to the literature on empirical asset pricing we investigate the connection between market volatility and the risk premium. This connection crucially impacts the design of (near-)optimal investment strategies. Following the classical robustness definition that mother nature plays against the investor, we study robust strategies in market environments exposed to volatility and jump risk. Another interesting aspect is the joint influence of volatility and jumps on inter-temporal hedging demands. Accounting for the hedging demand, an investor protects herself against changes in the investment opportunity set. Volatility and jumps also play an important role in the literature on option pricing. The thesis contributes to the literature by introducing a pricing and hedging method for high-dimensional basket and basket spread options. The method applies to a very general class of continuous-time pricing models comprising stochastic volatility, stochastic correlation, or jump diffusion models. Methodically, the thesis contributes to the literature on econometric modeling (Chapter 2), numerical solutions of partial differential equations (Chapter 3), and Fourier analysis (Chapter 4)
Regulation of the NKG2D stress ligands MICA, MICB and ULBP2 in proliferating and senescent tumor cells
No full textDas maligne Melanom stellt die tödlichste Form aller Hautkrebserkrankungen dar und entsteht durch eine maligne Transformation der Melanozyten. Melanomzellen können durch
zytotoxische Lymphozyten, wie NK Zellen und T Zellen als entartet erkannt und getötet werden. Beide Lymphozytensubgruppen kennzeichnet die Expression des Rezeptors NGK2D, der Stress-induzierte Liganden der MIC und ULBP Molekülfamilie auf den
Tumorzellen detektiert und damit zur Aktivierung der mmuneffektoren beiträgt.
Melanomzellen exprimieren die NKG2D Liganden (NKG2DL) MICA, MICB und ULBP2 auf ihrer Oberfläche. Die Rolle onkogener Signalwege in der Regulation der NKG2DL Expression in Melanomzellen ist bislang ungeklärt. Neben einer konstitutiven Aktivierung des MAP-Kinase Signalwegs, gesteuert durch die BRAF Mutante V600E, ist die PI3K-AKT
Signalkaskade wichtig für die Proliferation und das Überleben der Melanomzellen. Da die Hemmung der PI3K in einer Repression der Proliferation mündet, wird diese Kinase als Wirkstoffziel für die Tumortherapie untersucht. Die Proliferationsblockade kann von
transienter oder permanenter Natur sein - letzteres, einhergehend mit der Ausbildung eines seneszenten Phänotyps der Tumorzellen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, inwiefern PI3K- sowie AKTabhängige Signale die NKG2DL Expression in Melanomzellen beeinflussen und wie sich Seneszenz auf die NKG2DL Expression auswirkt. Dazu wurde zunächst die Aktivität der
PI3K in verschiedenen Melanomzelllinien durch den Inhibitor LY294002 gehemmt. Dies führte zu einer verminderten MICA, MICB und ULBP2 Oberflächenexpression, unabhängig von deren BRAF Mutationsstatus. Eine stärkere Herabregulation konnte durch Verwendung des klinisch relevanten Inhibitors GSK2126458 erzielt werden, der in deutlich niedrigerer Konzentration zu einer Blockade der PI3K Signalgebung führte, gemessen anhand der Phosphorylierung der PI3K-kontrollierten Kinase AKT sowie stromabwärts gelegener
Zielstrukturen des Signalweges. Die PI3K Blockade verursachte neben einer verminderten Oberflächenexpression eine deutliche Reduktion des NKG2DL Gesamtproteins und der spezifischen mRNA, was bereits vier Stunden nach Inhibitorbehandlung detektierbar war.
Die Herabregulation der NKG2DL Oberflächenexpression durch den Inhibitor GSK2126458 resultierte in einer verringerten NKG2D-abhängigen NK Zellerkennung der Melanomzellen.
Da bekannt ist, dass eine Blockade der PI3K Signalgebung indirekt mit einer Aktivierung des Tumorsuppressors p53 einhergeht, wurde die Rolle von p53 unter Verwendung der
syngenen Kolonkarzinomzelllinien HCT116p53+/+ und HCT116p53-/- überprüft. In beiden Zelllinien führte die PI3K Inhibition zu einer Reduktion der MICA, MICB und ULBP2
Expression, wenngleich diese in den HCT116p53+/+ Zellen stärker ausfiel. In jedem Fall konnte eine NKG2DL Herabregulation auf der Ebene des Oberflächen- und Gesamt-Proteins sowie der mRNA beobachtet werden. Um zu prüfen, inwieweit AKT in der Regulation der NKG2DL Expression involviert ist, wurden Melanomzellen mit dem AKT Inhibitor GSK2110183 behandelt. Die Inhibitorexposition verursachte eine schwächere ULBP2 Expression auf der Oberfläche, auf Gesamtprotein- sowie mRNA-Ebene, während die Effekte auf die MICA und MICB Expression nicht konsistent ausfielen. Eine Herabregulation von ULBP2 konnte unter AKT Inhibition auch in HCT116p53+/+ und HCT116p53-/- Zellen beobachtet werden.
Dementsprechend führte die transiente Transfektion von Melanomzellen mit myristoyliertem und damit konstitutiv aktivem AKT1 (myrAKT1) zur Hochregulation der ULBP2
Proteinexpression. Dies konnte ebenfalls in Melanomzellen detektiert werden, die nach Transduktion myrAKT3 stabil exprimierten. Diese Daten demonstrieren, dass die Aktivität PI3K-abhängiger Signaltransduktionswege das NKG2DL Expressionsniveau bestimmt,
wobei die Regulation der ULBP2 Expression zudem auch AKT-abhängig erfolgt. Dies verdeutlicht, dass MICA, MICB und ULBP2 durch PI3K- und AKT-abhängige Wege differentiell reguliert werden.
Um gezielt die Auswirkung von Seneszenz auf die NKG2DL Expression zu ermitteln, wurde ein induzierbares Modell basierend auf der Melanomzelllinie WMM1175_p16INK4a verwendet.
In diesen Zellen wird Seneszenz über die IPTG-induzierbare Expression von p16 initiiert. Der irreversible Proliferationsarrest der malignen Zellen wurde über die verstärkte Expression von Seneszenz-assoziierter β-Galaktosidase, einer Hochregulation von p16, Herabregulation von E2F-1 und Ki-67 sowie Zunahme von Autofluoreszenz verifiziert. Interessanterweise
zeigten seneszente WMM1175_p16INK4a Zellen im Vergleich zu proliferierenden Kontrollzellen eine Induktion der NKG2DL MICA und MICB, während die ULBP2 Expression unbeeinflusst blieb. Im Gegensatz dazu führte replikative Seneszenz, induziert in Fibroblasten durch stetige Kultivierung, lediglich zu einer geringen Induktion der MICA und MICB Proteinexpression und einer leichten Herabregulation von ULBP2.
Zusammenfassend demonstrieren die Resultate dieser Doktorarbeit, dass die Expression von MICA, MICB und ULBP2 sowohl im Melanom, als auch im Kolonkarzinom durch PI3Kabhängige Signaltransduktionswege reguliert wird. Entsprechend führt die PI3K Blockade zur Herabregulation der NKG2DL Expression, einhergehend mit einem Proliferationsstopp.
Letzteres ist jedoch nicht zwangsläufig mit einer verminderten NKG2DL Expression assoziiert, da seneszente Melanomzellen eine Hochregulation von MICA und MICB aufweisen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass sowohl die PI3K-vermittelte onkogene
Proliferation als auch irreversibler Zellzyklusarrest im Kontext einer malignen Zelle, d.h. die Existenz „entarteter“ Zellen, dem Immunsystem via NKG2DL signalisiert werden.Melanoma is the most dangerous type of skin cancer, originating from malignant transformation of melanocytes. Melanoma cells can be detected as abnormal self and eliminated by cytotoxic lymphocytes of the innate and adaptive immune system such as NK and T cells. Both lymphocyte subsets express the activating receptor NKG2D. Its stress
inducible ligands, members of the MIC and ULBP molecule family, are expressed on tumor cells and signaling via NKG2D enhances the cytotoxic anti-tumor activity of T cells and NK cells. Though expression of the NKG2D ligands (NKG2DL) MICA, MICB and ULBP2 on melanoma cells has been demonstrated, their regulation by oncogenic signaling pathways remains to be elucidated. Melanoma cells are addicted to constitutive MAP-kinase pathway activation, frequently driven by mutant BRAFV600E and to oncogenic PI3K-AKT signaling both
contributing to cell proliferation and survival. As PI3K inhibition effectively blocks proliferation of melanoma cells it is considered an interesting drug target for tumor therapy. The cell cycle
arrest induced upon PI3K inhibition can either be transient or permanent, the latter associated with a senescent phenotype. Thus, the aim of this thesis was, at first, to analyse the impact of oncogenic PI3K and AKT signaling on NKG2DL expression and, at second, to
determine the influence of senescence on NKG2DL expression.
To assess whether PI3K dependent signaling pathways are involved in the regulation of NKG2DL expression in melanoma cells, different melanoma cell lines were treated with the PI3K inhibitor LY294002. This led to a decrease of MICA, MICB and ULBP2 surface expression independent of mutant BRAFV600E activity. NKG2DL downregulation was much stronger in the presence of the clinically relevant PI3K inhibitor GSK2126458. Compared to LY294002, blockade of PI3K dependent signaling by GSK2126458 was much more efficient
even at lower concentrations as determined by the phosphorylation level of PI3K downstream targets such as AKT. Reduced NKG2DL expression was detectable within 4 hours after PI3K inhibition at the levels of surface protein, total protein and mRNA. Notably,
inhibition of PI3K signaling decreased the NK cell sensitivity of melanoma cells. PI3K pathway inhibition has been demonstrated also to the induce activity of the tumor suppressor p53 indirectly via AKT. To study the role of p53 the PI3K-dependent regulation of
NKG2DL expression, the syngenic HCT116 p53+/+ and HCT116 p53-/- colon carcinoma cell system was used. Both cell lines showed diminished cell surface, total protein and mRNA Expression of MICA, MICB and ULBP2 under PI3K blockade, though effects were stronger in
the p53+/+ cell line. To analyse the role of AKT in regulating NKG2DL abundance, melanoma cells were exposed to the AKT Inhibitor GSK2110183. While blockade of AKT signaling had no consistent effects
on MICA and MICB expression it consistently diminished ULBP2 expression at the cell surface, at the levels of total protein and mRNA. Also HCT116p53+/+ and HCT116p53-/- cells responded to AKT inhibition with a decrease in ULBP2 expression. Accordingly, transient transfection of melanoma cells with myristoylated AKT1 (myrAKT1), rendering AKT constitutively active, increased ULBP2 protein expression. These results were confirmed in myrAKT3 stably transduced melanoma cells. These data demonstrate that the activity of PI3K dependent signaling determines the NKG2DL expression levels. As only ULBP2
expression is consistently affected by AKT dependent pathways this points to a differential regulation of MICA, MICB and ULBP2 by PI3K and AKT dependent signaling.
To assess the impact of senescence on NKG2DL expression the melanoma cell line WMM1175_p16INK4a was used as a model. In this cell line senescence via induction of p16 expression is inducible by IPTG. The irreversible cell cycle arrest was demonstrated by
increased expression of senescence-associated β-galactosidase and p16, decreased E2F-1 and Ki-67 protein levels and elevated autofluorescence. Interestingly, senescence of WMM1175_p16INK4a cells was accompanied by an increase in the expression of MICA and
MICB, while ULBP2 abundance was not affected. In contrast, replicative fibroblasts showed a slight increase in MICA as well as MICB and low reduction of ULBP2 expression.
In sum the data of this PhD thesis demonstrate that expression of MICA, MICB and ULBP2 is regulated by PI3K dependent pathways, in melanoma and colon carcinoma. Accordingly,
PI3K inhibition leads to downregulation of NKG2DL expression associated with a block in proliferation. The latter is not necessarily correlated with a diminished NKG2DL expression
as senescent melanoma cells upregulate MICA and MICB expression. Thus not only oncogenic proliferation but also irreversible cell cycle arrest of malignant cells, i.e. the existence of “abnormal“ cells, is signalled via NKG2DL to the immune system
Dependencies and non-stationarity in financial time series
No full textThe growing interest of physicists in economic problems has led to the emergence of a new interdisciplinary field called econophysics. It applies methods and concepts of statistical physics to study economic and financial phenomena. This thesis contributes to the research activities in econophysics, focusing mainly on the study of financial markets. Financial markets can be viewed as complex systems which exhibit highly non-stationary behavior. We concentrate in particular on the non-stationarity of correlations between companies.
We begin by introducing an approach to model the non-stationarity of correlations. This approach is based on concepts from random matrix theory and allows us to construct a correlation averaged multivariate normal distribution which takes the non-stationary correlations into account. We perform an empirical study to verify the random matrix approach for financial returns.
We consider two applications of the random matrix approach. First, we study the effect of non-stationary correlations on portfolios, and in particular on the distribution of portfolio returns. We derive an average portfolio return distribution which we compare with the portfolio returns of randomly selected portfolios. Second, we investigate the stability of the correlation structure of market states. The random matrix approach reduces the complexity of the financial market to a single parameter which characterizes the correlation fluctuations due to non-stationarity. This allows us to estimate the fluctuation strength of correlations directly from the empirical return distributions and thus to assess the stability of the correlation structure.
We further extend our market states analysis by studying the empirical de- pendence structure of market states. We estimate and study empirical pairwise copulas for each market state. In addition, we derive a copula which arises from the correlation averaged multivariate normal distribution and compare it with the empirical pairwise copulas of each state. The results confirm the consistency of our random matrix model with financial data once again.
Finally, we focus on the extreme value statistics of correlated random variables. We derive a distribution for the maximum of correlated normal random variables and extend the result to the non-normal case. We verify our findings in numerical simulations
Molecular mechanisms in the pathogenesis of classical Hodgkin lymphoma
No full textObwohl in den letzten Jahren bereits einige beteiligte Faktoren und Mechanismen der Pathogenese des klassischen Hodgkin-Lymphoms (cHL) aufgeklärt wurden, ist sie bis heute größenteils noch unbekannt. Um ein besseres Verständnis der Biologie des cHLs zu erlangen, wurden in dieser Dissertation drei Studien zu weiteren molekularen Mechanismen, die an der Pathogenese des cHLs beteiligt sind, durchgeführt.
Im ersten Teil wurde die Rolle von MYC in der Pathogenese des cHL analysiert. MYC ist ein wichtiger Transkriptionsfaktor der Zelle und an der Regulation verschiedener zellulärer Prozesse beteiligt. Als starkes Onkogen ist es an der Pathogenese verschiedenster humaner Tumorerkrankungen beteiligt. Auch in den Hodgkin- und Reed-Sternberg (HRS)-Zellen einiger Fälle des cHLs konnte eine erhöhte MYC Ausprägung auf mRNA- und Proteinebene nachgewiesen werden. Um die pathogenetische Bedeutung dieser aberrant erhöhten MYC-Expression in den HRS-Zellen des cHLs zu untersuchen, wurde MYC in den cHL Zelllinien L 428 und U HO1 mittels eines lentiviralen Systems zur shRNA-Expression erfolgreich herabreguliert und die Konsequenzen auf den Phänotyp der transduzierten Zellen bestimmt. In beiden Zelllinien führte die MYC-Herabregulation zu einem schlechteren kompetitiven Wachstum der Zellen gegenüber nicht infizierten Zellen. Weiterführende Analysen zeigten, dass MYC in der Linie L 428 sowohl die Proliferation der Zellen als auch das Überleben positiv reguliert, wohingegen in der Linie U-HO1 der proliferationsfördernde Effekt von MYC dominiert und das Zellüberleben durch MYC-Herabregulation verbessert wurde. Zusätzlich scheint MYC an der Regulation der Expression einzelner Gene, die typischerweise in den HRS-Zellen primärer cHL-Fälle ausgeprägt werden, beteiligt zu sein. So konnte eine positive Regulation von CEBPB durch MYC in der Linie L 428 gezeigt werden, wohingegen MYC in der Zelllinie U-HO1 die Ausprägung von IRF5 und PAX5 vermutlich negativ reguliert.
In einem weiteren Projekt wurde die Rolle von CEBPB in der Pathogenese des cHLs untersucht. CEBPB ist ein pleiotropher Transkriptionsfaktor, der verschiedene zelluläre Prozesse reguliert. Für CEBPB wurde eine wichtige Beteiligung an der Proliferation und dem Überleben der Tumorzellen des Multiplen Meyloms und des anaplastisch großzelligem Lymphoms gezeigt. Auch in HRS-Zellen primärer cHL-Fälle konnte eine aberrant erhöhte CEBPB-Ausprägung im Vergleich zu normalen B-Zellpopulationen mittels Genexpressionsprofilen nachgewiesen werden. Daher wurde CEBPB mittels eines lentiviralen Systems zur shRNA-Expression in cHL-Zelllinien erfolgreich herabreguliert, um die Konsequenzen dieser CEBPB-Herabregulation auf den Phänotyp der Zellen zu studieren und dadurch mehr über die Bedeutung der erhöhten CEBPB-Expression in der Pathogenese des cHLs zu erfahren. Die Herbaregulation von CEBPB hatte in den cHL-Zelllinien keinen Einfluss auf die Proliferation oder das Überleben der Zellen. Allerdings konnte in verschiedenen cHL-Zelllinien die Regulation von CEBPB-Zielgenen, wie IL6 und BCL2A1, in Folge der CEBPB-Herabregulation nachgewiesen werden. Obwohl HRS-Zellen von B-Zellen abstammen, weisen sie typischerweise einen weitreichenden Verlust ihres B-Zell-Phänotyps auf. Da eine verstärkte Ausprägung von CEBPB zur Transdifferenzierung oder Umprogrammierung von B Zellen in Makrophagen führen kann, wurde die Rolle von CEBPB in der Umprogrammierung der HRS-Zellen genauer untersucht. Allerdings zeigte sich nach CEBPB-Herabregulation in den verschiedenen cHL-Zelllinien ein heterogenes Bild in der Regulation von B Zellgenen. Dennoch scheint die erhöhte CEBPB-Expression in den HRS-Zellen in einem Teil der primären HRS-Fälle zu dem Verlust des B-Zell-Phänotyps beitragen zu können.
Im dritten Teil dieser Arbeit wurde mit der umfassenden Charakterisierung der genetischen Läsionen der HRS-Fälle primärer cHL-Fälle begonnen. Aufgrund der Seltenheit der HRS Zellen im Lymphomgewebe wurde zunächst eine Methode zur Exom-Sequenzierung ausgehend von mikrodissektierten Zellen etabliert. Anschließend konnten 11 primäre cHL Fälle erfolgreich sequenziert werden. Insgesamt zeigte sich eine hohe Anzahl von durchschnittlich 1222 somatischen Mutationen in den HRS-Zellen, was eine hohe genetische Instabilität in den HRS-Zellen andeutet. Indem 16 von 21 ausgewählten Mutationen in den HRS-Zellen dreier cHL-Fälle erfolgreich mittels direkter PCR mit mikrodissektierten Zellen und Sanger-Sequenzierung validiert wurden, konnte die Zuverlässigkeit der Auswertung bestätigt werden. Zusätzlich wurden in ersten Analysen viele rekurrent in den HRS-Zellen somatisch mutierte Gene identifiziert, deren Bedeutung in der Pathogenese des cHLs in zukünftigen Studien untersucht werden sollte.In recent years many factors and mechanisms involved in the pathogenesis of classical Hodgkin lymphoma (cHL) have been identified. However, the pathogenesis of cHL is still largely unknown. To get more insights into the biology of cHL three studies about additional molecular mechanisms contributing to the pathogenesis of cHL were conducted in this thesis.
In the first part of this work the role of MYC in the pathogenesis of cHL was studied. MYC is an important transcription factor and regulates various cellular processes. As a potent oncogene MYC is involved in the pathogenesis of various human tumors. Also in the Hodgkin and Reed-Sternberg (HRS) cells of some cases of cHL an increased MYC expression was detected on mRNA and protein level. To study the pathogenetic relevance of this aberrant increased MYC expression in HRS cells of cHL, MYC was successfully downregulated in the cHL cell lines L 428 and U-HO1 using a lentiviral system for shRNA expression. Subsequently, the consequences of this down regulation on the phenotype of the cells were studied. In both cell lines, the MYC-downregulation led to an inferior competitive growth of the cells compared to non infected cells. Additional studies showed that MYC had a positive effect on the proliferation and cell survival of the L-428 cells. In the cell line U-HO1 the proliferation promoting effect of MYC was stronger, whereas MYC-downregulation led to an improved cell survival. In addition MYC seems to be involved in the regulation of the expression of various genes that are typically expressed in the HRS cells of primary cHL cases. For example a positive regulation of CEBPB by MYC was shown in the cell line L-428, whereas the expression of IRF5 and PAX5 was seemingly negatively regulated by MYC in the cell line U HO1.
In another project the role of CEBPB in the pathogenesis of cHL was investigated. CEBPB is a pleiotropic transcription factor that is involved in the regulation of various cellular processes. It has been shown that CEBPB is important for the proliferation and survival of the tumor cells of multiple myeloma and anaplastic large cell lymphoma. Gene expression profiles of HRS cells of primary cHL cases and normal B cell populations showed an increased expression of CEBPB in the HRS cells. Therefore, CEBPB was successfully downregulated in cHL cell lines via a lentiviral system for shRNA expression to study the consequences of this CEBPB downregulation on the phenotype of the cells and thus learn more about the role of the increased CEBPB expression in the pathogenesis of cHL. The CEBPB downregulation had no effect on the proliferation or cell survival of the cHL cell lines. However, in different cHL cell lines the CEBPB downregulation effected the expression of various CEBPB target genes like IL6 and BCL2A1. Although HRS cells derived from B cells, they typically have lost their B cell phenotype. As it has been shown that overexpression of CEBPB in B cells can lead to their transdifferentiation or reprogramming into macrophages the role of CEBPB in the reprogramming of HRS cells was studied in more detail. However, a very heterogeneous result regarding the regulation of B cell genes after CEBPB downregulation was obtained in the different cHL cell lines. Still, it seems that the increased expression of CEBPB in the HRS cells of some primary cHL cases can contribute to the lost B cell phenotype.
In the third part of this thesis the determination of the landscape of the genetic lesions in HRS cells of primary cHL cases was started. Due to the rarity of the HRS cells in the lymphoma tissue it was first necessary to establish a method to perform whole exome sequencing with microdissected cells. Then, 11 primary cHL cases were successfully sequenced. Overall, a high number of average 1222 somatic mutations in the HRS cells were found, which might suggest a high genetic instability in the HRS cells. The successful validation of 16 of 21 selected mutations in HRS cells of three cHL cases by direct PCR with microdissected cells and Sanger sequencing showed the reliability of the analysis. In addition, a preliminary analysis identified many recurrent somatically mutated genes in the HRS cells. The relevance of these genes in the pathogenesis of cHL should be elucidated in future studies
High Temperature Thermoelectric Device Concept Using Large Area PN Junction
No full textThermoelektrische Elemente können zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer Temperaturdifferenz verwendet werden. Traditionell basieren thermoelektrische Generatoren auf komplementär dotierten Halbleitern, welche elektrisch in Serie und thermisch parallel verschaltet werden. Bei dem herkömmlichen Aufbau werden auf der Kalt- und auf der Heißseite sowohl elektrische als auch mechanische Kontakte auf einem Keramiksubstrat realisiert. In dieser Arbeit wird ein großflächiger pn-Übergang zur elektrischen Verbindung der komplementären Halbleiter auf der Heißseite verwendet. Damit erübrigt sich dort das verbindende Substrat, und dessen Verzicht führt zu einer Steigerung der Heißseitentemperatur. Darüberhinaus werden Probleme in Hinblick auf die Stabilität von elektro-mechanischem Kontakt sowie chemische Wechselwirkungen stark reduziert.
Es zeigt sich, dass ein derartiges pn-Übergangs-Thermoelektrikelement ein zweidimensionales Transportverhalten aufweist, welches sich nicht durch das sonst übliche, eindimensionale „Constant property“-Modell beschreiben lässt. Hier wird nun ein grundsätzliches physikalisches Modell vorgeschlagen und mittels Simulationen auf Basis der Onsager-Theorie überprüft. Die simulierten thermischen und elektrischen Flüsse zeigen insbesondere auf, dass elektrische Verluste durch Kreisströme innerhalb des pn-Elementes hervorgerufen werden. Ferner geben die Simulationen Hinweise auf mögliche geometrische Optimierungen zur Reduzierung der Verluste, und eine entsprechende positive Wirkung konnte von uns tatsächlich experimentell nachgewiesen werden.
Wir verwenden nanostrukturiertes Silizium aufgrund der im Vergleich zu kristallinem Material verringerten thermischen Leitfähigkeit. Die nanostrukturierten Proben wurden aus Nanopartikeln in der Gasphase hergestellt und durch ein „Spark-Plasma“-Sinterverfahren verdichtet. Zusätzlich zu den nanostrukturierten Siliziumproben wurden pn-Übergänge durch Lasersinterung von dotierten Nanopartikeln auf einem entgegengesetzt dotierten Siliziumwafer bzw. durch Verschweißen komplementärer Wafer hergestellt. Ein geeigneter Messplatz wurde entwickelt und eingerichtet, und es wurde gezeigt, dass die nanostrukturierten pn-Übergänge wiederholte Heizzyklen mit einer Heißseitentemperatur von 780°C überstehen. Somit wurde gezeigt, dass thermoelektrische Elemente auf Basis von pn-Übergängen bei höheren Temperaturen verwendet werden können als herkömmliche Generatoren. Und trotz der internen Verluste zeigen pn-Übergangselemente bei hohen Temperaturen vergleichbare Ausgangsleistungen wie die konventionellen Generatoren.Thermoelectric devices can be used to produce electricity given a temperature difference. Traditionally, thermoelectric devices are built by connecting complementary doped semiconductor materials electrically in series and thermally in parallel. In this architecture a ceramic substrate on both the cold and hot sides provides support for the electrical and mechanical connections. In this work, a large area pn junction is used to provide an electrical connection between the complementary semiconductors on the hot side. Having a pn junction means that the hot side electrical contacts are not required. The dismissal of the hot side substrate translates to higher hot side temperatures since problems associated with the stability of the electrical, mechanical and chemical properties on the hot side of the thermoelectric generator are largely reduced.
A pn junction thermoelectric device is demonstrated to be a two dimensional transport device which cannot be described by the one dimensional constant property model commonly used in thermoelectrics theory. A basic working principle is proposed and further verified using simulations based on Onsager’s theory. The simulations describe the behavior of the pn junction device in terms of thermal and electrical fluxes and indicate that electrical losses arise due to internal current vortices within the pn thermoelectric device. The simulations also indicate that a geometrical optimization can be done to reduce such losses, and this we could verify experimentally.
Nanostructured silicon is used as the primary material system due to its relatively low thermal conductivity with respect to crystalline silicon. The nanostructured samples are produced from nanoparticles produced from a gas phase, and densified by a spark plasma sintering method. In addition to the nanostructured silicon samples, pn junctions are produced by laser sintering of doped nanoparticles on a complementary doped silicon wafer, and by welding of complementary silicon wafers together. The metrology system is developed and it is shown that the nanostructured pn junctions can sustain repeated heating cycles with a hot side temperature of 780°C. It is shown that pn junction devices can be operated in higher temperatures than conventional devices and despite the internal losses of a pn junction device, it has comparable output power characteristic than a conventional device given high temperatures
Prediction and Conversion of Corrosion Related UEP-Signatures of Naval Vessels
No full textWasserfahrzeuge können sich durch elektrische Felder, magnetische Felder und Schallwellen ungewollt ihrer Umgebung mitteilen, was bei der U-Jagd und bei modernen Seeminen intensiv zur Erkennung feindlicher Kräfte ausgenutzt wird.
Für militärische Wasserfahrzeuge, insbesondere U-Boote und Minenjagdboote, wird daher als Gegenmaßnahme ein enormer Aufwand zur Reduktion der zuvor genannten Größen, namentlich der (Teil-)Signaturen, betrieben.
Diese lassen sich jedoch niemals vollständig eliminieren und weisen teilweise komplexe Abhängigkeiten von den Umgebungsbedingungen auf.
Zwecks Risikoabschätzung während kritischer Einsätze ist es deshalb von großem Interesse, die gegenwärtige (Gesamt-)Signatur des eigenen Wasserfahrzeugs kurzfristig ermitteln zu können.
Hier setzt die Dissertation an, indem sie verschiedene Konzepte zur Vorhersage und Umrechnung korrosionsbedingter UEP-Signaturen (Underwater Electric Potential) von Wasserfahrzeugen im Kontext von Mine Warfare (MIW), Anti-submarine Warfare (ASW) sowie Mine Countermeasure (MCM) und Integrated Ship Signature Management (ISSM) vorstellt.
Zunächst wird anhand von Vergleichen zwischen berechneten, simulierten und gemessenen Werten demonstriert, dass UEP-Signaturen unter Verwendung nichtlinearer Polarisationskennlinien numerisch simuliert werden können.
Im nächsten Abschnitt der Arbeit wird ein inverser Modellierungsansatz namens Multipoladaption auf Basis evolutionärer Algorithmen dazu verwendet, gemessene elektrische Signaturen eines Dipols zu adaptieren.
Dabei wird differenziert dargelegt, in welchen Fällen die Multipoladaption in der Lage ist, die Quellenverteilungen und/oder die UEP-Signatur korrekt wiederzugeben.
Außerdem wird eine Definition zur Abgrenzung zwischen Nah- und Fernfeld von UEP-Signaturen hergeleitet.
Es folgt ein Abschnitt, der sich in Hinblick auf ISSM mit diversen Ansätzen zur Echtzeit-Überwachung der eigenen UEP-Signatur mittels Wellenstrom-Messungen, Schleppkörper-Messungen und analytischer Berechnungen beschäftigt.
Durch umfangreiche numerische Simulationen mit systematisch variierten Umgebungsbedingungen wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Ansätze bzw. Ansatz-Kombinationen untersucht und verglichen.
Dabei kann gezeigt werden, dass sich der innovative Ansatz der Schleppkörper-Umrechnung hervorragend zur kurzfristigen Bestimmung der gegenwärtigen UEP-Signatur eignet.
Im letzten Abschnitt der Dissertation werden die prinzipiellen Eigenschaften der elektrischen Signatur oberhalb der Wasserlinie (Above water Electric Potential, AEP) untersucht, wobei eine erstaunlich einfache Umrechnungsvorschrift zwischen UEP und AEP hergeleitet werden kann.
Die Dissertation wurde im Rahmen zweier Forschungsprojekte erstellt, die von der Deutschen Marine bei der Universität Duisburg-Essen (Fachgebiet ATE) in Auftrag gegeben wurden.
Sie stellt eine inhaltliche Erweiterung und Konkretisierung der in den Projekten ausgearbeiteten Forschungsergebnisse dar.Naval vessels unintentionally reveal themselves by electric fields, magnetic fields and sound, which is exploited in Anti-submarine Warfare (ASW) and by modern naval influence mines to detect enemy forces.
For submarines and mine hunting vessels the aforementioned quantities, called signatures, are therefore reduced elaborately.
However the signatures can never be eliminated completely and are highly dependent on the environmental conditions.
To conduct risk assessment during critical operations it is therefore of great interest to evaluate the own contemporary signature in real-time.
At this point the dissertation comes into play, by introducing different concepts for prediction and conversion of corrosion related UEP signatures (Underwater Electric Potential) in the context of Mine Warfare (MIW), ASW as well as Mine Countermeasure (MCM) and Integrated Ship Signature Management (ISSM).
By comparing calculated, simulated and measured values it is first demonstrated, that UEP signatures can be numerically simulated by the use of non-linear polarization curves.
In the next chapter an inverse modeling approach called multipole adaption Multipoladaption, based on evolutionary algorithms, is used to adapt measured electric signatures of a dipole.
Thereby it is demonstrated in detail under which circumstances the multipole adaption is capable of determining the correct source distribution and/or UEP signature.
In the same framework a quantitative relation has been derived for distinguishing between UEP near-field and far-field.
With regard to ISSM the following chapter introduces different approaches for real-time assessment of the own UEP signature by shaft currents, measurements with a towfish and analytical calculations.
Extensive numerical simulations with systematically variated environmental conditions are carried out to analyze and compare the performance.
Thereby it is shown, that the innovative towfish approach is very well suited for obtaining a short-term estimation of the apparent UEP signature.
The last chapter of the thesis describes the properties of the electric signature above the waterline (Above water Electric Potential, AEP) and gives a surprisingly simple conversion prescription between UEP and AEP.
The dissertation was created in the context of two research projects commissioned by the German navy and conducted by the laboratory for General and Theoretical Electrical Engineering (ATE) at the the University of Duisburg-Essen.
It extends and complements the research results obtained during the projects
Thermoelectric properties of nanostructured semiconductors: Si/Ge quantum dot arrays and ZrCoBi/ZrNiSn half-Heusler heterostructures
No full textDiese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der thermoelektrischen Eigenschaften von Germanium Quantenpunktkristallen in Silizium, sowie Heterostrukturen aus ZrCoBi und ZrNiSn Halb-Heusler Materialien. Dazu werden die elektronischen Bandstrukturen wegen der verschiedenen Systemgrößen im ersten Fall mittels der Tight-Binding Methode im zweiten Fall mit der Dichtefunktionaltheorie berechnet. Aus den Bandstrukturen werden, basierend auf der semiklassischen Boltzmann-Transporttheorie, die relevanten Größen, wie die Leitfähigkeit und der Seebeckkoeffizient, die in die thermoelektrische Gütezahl ZT eingehen, ausgerechnet. Für die Quantenpunktkristalle wird für die Bandstruktur ein detailliertes Modell für
band- und energieabhängige Streuzeiten entwickelt und gezeigt, wie die Anwesenheit der Quantenpunkte die Bandstruktur, Streuprozesse und damit auch Leitfähigkeit und Seebeckkoeffizient
beeinflusst. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass die Wärmeleitfähigkeit durch das Einbringen der Quantenpunkte stark reduziert ist und dieses System einen vielversprechenden
Kandidaten für ein n-leitendes Thermoelektrikum darstellt.
Im Falle der ZrCoBi und ZrNiSn Schichtsysteme werden zunächst Bulkeigenschaften beider Materialien bestimmt, da über beide Materialien wenig bekannt ist. Weil ZrCoBi schwer
zu synthetisieren ist, gibt es darüber praktisch kaum Untersuchungen. Unter anderem werden Bandstrukturen, Deformationspotentiale und elastische Konstanten berechnet, sowie die Bulkleitfähigkeit und der Seebeckkoeffizient. Weiterhin wird der Einfluss von Defekten im
Ni(Co)-Untergitter auf Bandstruktur und mögliche Dotierung untersucht. Für die Heterostrukturen werden dann Leitfähigkeit und Seebeckkoeffizient für verschiedene Schichtdicken und
Grenzflächenorientierungen berechnet. Diese lassen sich mit den zuvor berechneten Eigenschaften der Bulkmaterialien verglichen.
Durch einfache Modelle, basierend auf den Phononspektren der beiden Materialien, wird zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit für die Grenzflächen und Bulkmaterialien abgeschätzt, damit
ein Wert für ZT angegeben werden kann. Um die Wärmeleitfähigkeit für die Heterostruktur zu erhalten, werden Grenzflächen-Wärmeleitfähigkeit und Bulkwärmeleitfähigkeit, genauer
gesagt die Widerstände, in einem Modell aus in Reihe geschalteten Widerständen verwendet.This work deals with the computational investigation of the thermoelectric properties of germanium
quantum dot crystals in silicon, as well as heterostructures of ZrCoBi and ZrNiSn
half-heusler materials. For this, the electronic band structures are calculated. In the first case by the tight-binding method and in the second case with the density functional theory. Based on the semiclassical Boltzmann transport theory, the relevant variables, such as conductivity and the Seebeck coefficient, which enter in the thermoelectric figure of merit ZT, are calculated
from the obtained band structures. For the quantum dot crystals a detailed model for band- an energy dependent scattering time is developed and shown how the presence of the quantum dots influence the scattering processes and thus conductivity and Seebeck coefficient. It has been experimentally proven, that the thermal conductivity by the introduction of the quantum dots is greatly reduced and this system is a promising candidate for an thermoalectrical application.
In the case of the ZrCoBi and ZrNiSn layer systems, bulk properties are initially determined for both materials, because little is known at least for the ZrCoBi system. Because ZrCoBi is difficult to synthesize, there are only a few studies about it. Band structures, deformation
potentials and elastic constants, bulk conductivity and the Seebeck coefficient are calculated.
Furthermore, the influence of defects in the Ni(Co) sublattice is examined as it may have an effect on band structure and additional doping. Then conductivity and Seebeck coefficient can be calculated for different layer thicknesses and interface orientations and compared to the properties of the bulk materials mentioned previously. Simple models based on the phonon spectra of the half-heuslers are used to estimate the bulk thermal conductivity and the one for the interface between them, so a value for the figure of
merit ZT can be specified. In order to obtain the thermal conductivity of the heterostructure, the thermal resistivities of the bulk and the interfaces are used in a model of series-connected resistors