Dissertationen

Das Ziel dieses Promotionsvorhabens ist es, die Adsorptionskälteanlage zu optimieren und die großen Entwicklungshindernisse der Adsorptionskältetechnik zu überwinden. Beispiele hierfür sind die geringe Leistungszahl und die lange Zykluszeit zur Erzeugung des Kältemittels, die sich je nach den verwendeten Arbeitspaaren und der Fahrtemperatur unterscheidet. Ein weiteres Problem stellt das intermittierende Arbeitsprinzip für den einfachsten Zyklus eines Adsorptionskühlsystems dar. Daher wird in dieser Arbeit eine analytische, thermodynamische und numerische Untersuchung eines Neubaus einer Adsorptionskälteanlage für Gefrieranwendungen vorgestellt. Dieses neuartige System, das in dieser Promotion als kombiniertes Adsorptions- Eisproduktionssystem (com-AIP-System) bezeichnet wird, verwendet zwei verschiedene Adsorptionsmaterialien zusammen in einer Maschine. Die Hauptziele der vorliegenden Arbeit sind: Erhöhung der pro Zyklus erzeugten Eismenge, Erzeugung von kontinuierlicher Kälteleistung, Verbesserung der Zykluszeit und Einsparung der erforderlichen Eingangswärme durch Erhöhung der Massenstromrate des Kältemittels. Dieses Kältemittel verlässt den Adsorptionsreaktor und fließt in Richtung des Kondensators. Um dies zu erreichen, umfasst das com-AIP-System zwei Adsorptionsreaktoren. Der erste Adsorptionsreaktor ist mit Silikagel und der zweite mit Aktivkohle als Adsorptionsmittel gefüllt. Methanol wurde als Adsorbat und Kühlmittel mit beiden Reaktoren verwendet. Das com-AIP-System ermöglicht die Nutzung der Vorteile der physikalischen Eigenschaften der Adsorbentien SG und AC. Diese vorgeschlagene Strategie des AIP-Systems unterscheidet sich vollständig von den herkömmlichen Adsorptionsreaktoren, die mit einem Adsorptionsmittel in einem oder in zwei Reaktoren gefüllt sind. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine numerische und analytische Untersuchung der Wirkung der HTF-Strömung vorgestellt. Die Desorption und Leistung des Adsorptionsreaktors wird ausgewertet. Die Wirkung der HTF-Natur wird für die gleichen Adsorptionsreaktoren (SG- und AC-Reaktoren) betrachtet, die zum Desorbieren von 1 kg Methanol erhitzt wurden. Um den HTF-Flow-Natur-Effekt zu untersuchen, wurde die Variation der Reynolds-, Nusselt- und Biot-Zahlen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Temperaturverteilung durch beide Reaktoren beobachtet. Die Verwendung der thermischen Heizung, wie Abwärme oder Solarenergie der Industrie, hat einige schwerwiegende Nachteile bei der Entwicklung der Adsorptionstechnologie. Der größte Nachteil ist, dass der Adsorptionsreaktor eine lange Zeit von etwa einer Stunde benötigt um die erforderliche Menge des Adsorbats zu desorbieren. Darüber hinaus hat der Adsorptionsreaktor einen komplexen Aufbau, welcher aus Rohren mit heißem Wasser und einer Vielzahl an Heizrippen besteht. Um die Probleme konventioneller Methoden (thermisches Heizen) zu überwinden, wird im Rahmen dieser Arbeit ein neues Design vorgestellt. Dieses besteht aus zwei gleichen Adsorptionsreaktoren mit einer neuen Wärmequelle (Induktionserwärmung). Das Dissertationsprojekt behandelt auch eine mathematische Modellierung und numerische Simulation eines Induktionsheizsystems für zwei Adsorptionsreaktoren, gefüllt mit Silikagel und Aktivkohle als Adsorptionsmaterial sowie Methanol als Adsorbat. Der Zweck dieser Untersuchung war die Verwendung der elektromagnetischen Induktionstechnologie als eine neue Wärmequelle des Adsorptionseis-Produktionssystems. Die Induktionsheizung wird mit der thermischen Beheizung verglichen. Dazu werden die beiden thermischen und induktiven Adsorptionsreaktoren ausgelegt, um die gleiche desorbierte Kältemittelmenge von 1 kg zu erzeugen. Dieser Aufbau wurde unter gleichen Betriebs- und Randbedingungen getestet. Für die numerische und mathematische Modellierung werden die Programme ANSYS Electronics, ANSYS Fluent und MATLAB verwendet.

Die Schätzung der Einfallsrichtungen (Directions of Arrival/DOA) mehrerer ebener Wellenfronten mit Hilfe eines Antennen-Arrays ist eine der prominentesten Fragestellungen im Gebiet der Array-Signalverarbeitung. Das nach wie vor starke Forschungsinteresse in dieser Richtung konzentriert sich vor allem auf die Reduktion des Hardware-Aufwands, im Sinne der Komplexität und des Energieverbrauchs der Empfänger, bei einem vorgegebenen Grad an Genauigkeit und Robustheit gegen Mehrwegeausbreitung. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Anwendung von Compressive Sensing (CS) auf das Gebiet der DOA-Schätzung mit dem Ziel, hiermit die Komplexität der Empfängerhardware zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Richtungsauflösung und Robustheit zu erreichen. CS wurde bereits auf das DOA-Problem angewandt unter der Ausnutzung der Tatsache, dass eine Superposition ebener Wellenfronten mit einer winkelabhängigen Leistungsdichte korrespondiert, die über den Winkel betrachtet sparse ist. Basierend auf der Idee wurden CS-basierte Algorithmen zur DOA-Schätzung vorgeschlagen, die sich durch eine geringe Rechenkomplexität, Robustheit gegenüber Quellenkorrelation und Flexibilität bezüglich der Wahl der Array-Geometrie auszeichnen. Die Anwendung von CS führt darüber hinaus zu einer erheblichen Reduktion der Hardware-Komplexität, da weniger Empfangskanäle benötigt werden und eine geringere Datenmenge zu verarbeiten und zu speichern ist, ohne dabei wesentliche Informationen zu verlieren. Im ersten Teil der Arbeit wird das Problem des Modellfehlers bei der CS-basierten DOA-Schätzung mit gitterbehafteten Verfahren untersucht. Ein häufig verwendeter Ansatz um das CS-Framework auf das DOA-Problem anzuwenden ist es, den kontinuierlichen Winkel-Parameter zu diskreditieren und damit ein Dictionary endlicher Größe zu bilden. Da die tatsächlichen Winkel fast sicher nicht auf diesem Gitter liegen werden, entsteht dabei ein unvermeidlicher Modellfehler, der sich auf die Schätzalgorithmen auswirkt. In der Arbeit wird ein analytischer Ansatz gewählt, um den Effekt der Gitterfehler auf die rekonstruierten Spektra zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass sich die Messung einer Quelle aus beliebiger Richtung sehr gut durch die erwarteten Antworten ihrer beiden Nachbarn auf dem Gitter annähern lässt. Darauf basierend wird ein einfaches und effizientes Verfahren vorgeschlagen, den Gitterversatz zu schätzen. Dieser Ansatz ist anwendbar auf einzelne Quellen oder mehrere, räumlich gut separierte Quellen. Für den Fall mehrerer dicht benachbarter Quellen wird ein numerischer Ansatz zur gemeinsamen Schätzung des Gitterversatzes diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir das Design kompressiver Antennenarrays für die DOA-Schätzung. Die Kompression im Sinne von Linearkombinationen der Antennensignale, erlaubt es, Arrays mit großer Apertur zu entwerfen, die nur wenige Empfangskanäle benötigen und sich konfigurieren lassen. In der Arbeit wird eine einfache Empfangsarchitektur vorgeschlagen und ein allgemeines Systemmodell diskutiert, welches verschiedene Optionen der tatsächlichen Hardware-Realisierung dieser Linearkombinationen zulässt. Im Anschluss wird das Design der Gewichte des analogen Kombinations-Netzwerks untersucht. Numerische Simulationen zeigen die Überlegenheit der vorgeschlagenen kompressiven Antennen-Arrays im Vergleich mit dünn besetzten Arrays der gleichen Komplexität sowie kompressiver Arrays mit zufällig gewählten Gewichten. Schließlich werden zwei weitere Anwendungen der vorgeschlagenen Ansätze diskutiert: CS-basierte Verzögerungsschätzung und kompressives Channel Sounding. Es wird demonstriert, dass die in beiden Gebieten durch die Anwendung der vorgeschlagenen Ansätze erhebliche Verbesserungen erzielt werden können.

Von Beginn an haben Satelliten Kommunikationsdienste über große Distanzen bereitgestellt. Endgeräte für die mobile Satellitenkommunikation sind mit einer Nachführeinrichtung ausgestattet, um den verwendeten Satelliten bei Bewegung zu verfolgen. Für höchstmöglichen Datendurchsatz und um Störaussendungen zu benachbarten Satelliten zu vermeiden bedarf es akkurater Nachführalgorithmen. Die Prüfung solcher Satcom-On-The-Move (SOTM) Terminals wird dabei zunehmend wichtig, wie Betreiber von Satellitendiensten anhand des negativen Einflusses suboptimaler Geräte auf ihre Infrastruktur bemerken. Herkömmlich werden SOTM-Terminals im Rahmen von Feldtests mit operativen Satelliten geprüft. Solche Tests sind allerdings nicht exakt wiederholbar. Die Reproduzierbarkeit von Tests ist jedoch insbesondere beim Vergleichstest mehrerer Terminals wichtig. Dieser Beitrag widmet sich der Untersuchung eines umfassenden Qualifikationstests von SOTM-Terminals innerhalb einer Laborumgebung, welche Reproduzierbarkeit ermöglicht. Wesentlicher Vorteil der Laborumgebung ist die Möglichkeit, Terminals unter realitätsnahen Bedingungen zu testen - ohne dass reale Satelliten benötigt werden, was die Kosten reduziert. Diese Arbeit behandelt darüber hinaus die Testmethodik in der Fraunhofer-Testanlage Facility for Over-the-air Research and Testing (FORTE). Wichtige Leistungsparameter wie Nachführgenauigkeit (Antenna De-pointing) und Nachbarsatellitenstörung (Adjacent Satellite Interference, ASI) können akkurat gemessen und ausgewertet werden. Die verwendete Methodik zur Gewinnung der vorgeschlagenen Profile wird in der Arbeit ebenso behandelt wie Testergebnisse von Ka-Band-SOTM Terminals. Wesentlicher Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung von Bewegungs- und Abschattungsprofilen für SOTM-Terminaltests. Bewegungsprofilen für die Landmobile und Maritime Umgebungen wurden entwickelt. Für jede Umgebung, zwei Klassen wurden definiert, Klasse A mit Profile die hohe Bewegungsdynamik haben und Klasse B mit Profile die relativ niedrige Bewegungsdynamik haben. Die vorgeschlagenen Bewegungsprofile wurden in der GVF-105 Standard des Global VSAT Forums berücksichtigt. Die Standardisierung solcher Profile ist notwendig, um einen fairen Leistungsvergleich verschiedener Terminals zu garantieren und solche Geräte sicher zu identifizieren, welche Interferenzen im Satellitennetz verursachen. Dies bedeutet im Ergebnis einen Gewinn für die gesamte Satellitenindustrie.

Die Interkalationsreaktion von Lithium (Li) in Li-Ionen Batterien ist häufig mit signifikanten Volumenänderungen der Aktivmaterialien verbunden. Zusätzlich kommt es über die Lebensdauer zu einer irreversiblen mechanischen Ausdehnung, die u.a. durch die Reaktion von Elektrolytkomponenten an der Elektrodenoberfläche hervorgerufen wird. Die Limitierung des mechanischen Bauraums in Batteriezellen und -systemen führt in Folge der Elektrodenausdehnung zu mechanische Spannungen, die nachgewiesener Weise die Zellalterung und damit die Eigenschaften des elektrochemischen Systems beeinflussen. Für eine fundamentale Beschreibung des mechanischen Einflusses sind grundlegende elektrochemische Methoden notwendig. Zur physikalischen Beschreibung dieser Effekte stellt diese Arbeit ein umfassendes Simulationsmodell vor. Die elektrochemischen Gleichungen basieren auf dem Modell nach Newman, welches um einen mechanischen und thermischen Ansatz ergänzt wurde. Die mechanische Erweiterung ermöglicht die Berechnung der Volumenänderung der Komponenten in Abhängigkeit der Li-Konzentration und der mechanischen Randbedingungen. Die mechanisch-elektrochemische Kopplung ist dadurch abgebildet, dass die herrschenden mechanischen Drücke die Porosität und somit die ionischen Transporteigenschaften der porösen Elektroden und des Separators beeinflussen. Die temperatur- und konzentrationsabhängige Parametrisierung des elektrochemisch-mechanischen Modells wird vollständig in dieser Arbeit durchgeführt. Die Bestimmung der Eigenschaften der verwendeten Aktivmaterialien erfolgt durch Anwendung spezieller Dreielektroden-Zellen, wodurch Anode und Kathode getrennt voneinander parametrisiert werden. Besonders dünne Elektrodenschichten minimieren dabei den Einfluss des Elektrolyten. Die physikalische Beziehung zwischen dem mechanischen Druck und der ionischen Leitfähigkeit der Komponenten konnte direkt gemessen und mittels Simulationsergebnissen bestätigt werden. Der physikalische Modellansatz verdeutlicht, dass eine mechanische Verspannung von Zellen die Entstehung von Li-Konzentrationsgradienten während der Ladung und Entladung verstärkt.

Hochempfindliche Gasdetektion stellt hohe Anforderungen an die zu verwendende Messplattform, für welche Nanostrukturarray-basierte Messfühler vielversprechende Kandidaten sind. Die Template gestützte Methode stellt eine effektive Grundlage zur Herstellung verschiedener Nanostrukturarrays dar. In dieser Arbeit werden mit Hilfe von ultradünnen Aluminiumoxid-Membranen oder kolloidalen Monolayern als Templat zwei verschiedene Arten von Nanostrukturarray-Gassensoren (Nanorod-Arrays und dünne Schichten mit angeordneten dreieckigen Wölbungen) hergestellt, welche aufgrund ihrer Morphologie eine erhöhte Leistungsfähigkeit aufweisen. Bei der Gasdetektion mit SnO2-Nanorod-Arrays wurde die optimierte Gasmessung durch Anpassung der Nanorod-Länge auf 20 bis 340 nm erreicht. Charakterisiert wird sie durch eine niedrige Detektionsschwelle von 3 ppm Ethanol-Gas bei Raumtemperatur und einer Nanorod-Länge von 40 nm. Bei den SnO2-Dünnschicht-Gassensoren erhöhen die dreieckigen konvexen Wölbungen die aktive Adsorptionsfläche für die Gasmessempfindlichkeit. Die Anordnung dieser adsorptionsaktiven Punkte mit unterschiedlicher Periodizität (289, 433, 577 und 1154 nm) zeigt eine Sensitivitätsabhängigkeit auf, wobei eine niedrige Detektionsschwelle von 6 ppm Ethanol-Gas erreicht wird. Die obigen Korrelationen zwischen Morphologie und Leistungsfähigkeit bestätigen, dass die Template gestützte Herstellung von Nanostrukturarrays zur Produktion von hochleistungsfähigen Gassensoren effizient genutzt werden kann.