Schlussbericht

Bei EnVision handelt es sich um eine Mission zum Planeten Venus, um diesen hinsichtlich unterschiedlicher wissenschaftlichen Fragestellungen zu untersuchen. So soll beispielsweise erforscht werden, ob der Himmelskörper geologisch aktiv ist und wie sich seine Geologie zeitlich entwickelt hat. Des Weiteren soll der Zusammenhang zwischen der Geologie und der Atmosphäre untersucht werden. Zur Erfüllung der wissenschaftlichen Arbeitsziele befinden sich an Bord verschiedene Experimente. Eines davon ist der Subsurface Radar Sounder (SRS). Der SRS arbeitet bei einer Mittenfrequenz von 9 MHz und wird den oberflächennahen Bereich bis in eine Tiefe von ca. 1000 m untersuchen, wobei eine Auflösung von ca. 10 m erreicht wird. Die vom Radar-Sounder ausgesandten elektromagnetischen Wellen dringen in den Untergrund ein und durchlaufen die verschiedenen geologischen Schichten, wobei sie an aneinandergrenzenden Übergängen mit unterschiedlicher relativer Permittivität reflektiert werden. Die Stärke der Reflexion ist abhängig vom Unterschied der relativen Permittivität der geologischen Schichtenfolge. Das zurückgestreute Signal wird vom Radar-Sounder detektiert und dazu genutzt ein tiefenabhängiges Permittivitätsprofil und Bilder vom Untergrund zu erzeugen. Über die Dauer der Mission wird somit eine dreidimensionale Kartografie der oberflächennahen Schichten ermöglicht

Schlussbericht zum Teilvorhaben "AM-Qualitätssicherungsprozesse-Luftfahrt"

Das Teilprojekt „AM-QUALITÄTSSICHERUNGSPROZESSE-LUFTFAHRT“ umfasst die Entwicklung durchgängiger und verknüpfter innovativer QS-Technologien und -Prozesse. Elemente des maschinellen Lernens, waren dabei ebenso zentraler Bestandteil zur Erfüllung der Projektziele. Durch die intelligente QS (QS=Qualitätssicherung) und einem hohen Digitalisierungsgrad in der QS wurden für luftfahrtspezifische Anforderungen notwendigen technischen / wirtschaftlichen Voraussetzungen für die Zulassung erstmalig bereitgestellt bzw. die Machbarkeiten untersucht. Es wurden Kosten in der Qualitätssicherung gesenkt u. gleichzeitig technische Vorteile der additiven Fertigung für Luftfahrtteile zugänglich gemacht (Funktionsintegration, Gewicht, höhere Belastbarkeit der Bauteile). Zeiss entwickelte und untersuchte hierfür leistungsfähige, auf die Additive Fertigung (AM) ausgelegte QS-Technologien und Methoden. So wurden für die Sicherung der Werkstoffqualität in der digitalen Fertigung innovative In-Process-Monitoring Systeme, inkl. KI-basierte Auswertungsalgorithmen zum Einsatz gebracht bzw. untersucht. Ferner wurden Kosten- und durchlaufzeitoptimierte CT-basierte QS-Lösungen erarbeitet und angewandt, um Restpulvernester in den inneren Bauteilstrukturen, wie Kühlkanäle, nachzuweisen. Als Lösungsbeitrag zur automatisierten Entfernung der Stützstrukturen wurden unterschiedliche Sensorsystemkonzepte und QS-Prozessabläufe, welche auch nachgelagerte Fertigungsprozessabschnitte berücksichtigt, erarbeitet und bewertet

Entwicklung von SiPM-basierter Auslese für Detektoren an R³B/FAIR und Untersuchung astrophysikalisch relevanter Kernreaktionen an R³B

Der auf Kunststoff-Szintillatoren basierende Flugzeitdetektor NeuLAND (New Large-Area Neutron Detector) für Neutronen von 0,1 bis 1,6 GeV wird derzeit in der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Deutschland, gebaut. In seiner endgültigen Kon guration wird NeuLAND aus 3.000 Kunststo -Szintillatoren mit einer Gröÿe von 2,7m × 5 cm × 5 cm bestehen, die an jedem Ende von Photomultipliern ausgelesen werden. In dieser Arbeit werden Daten aus einer umfassenden Untersuchung einer alternativen Lichtauslese mit Silizium-Photomultipliern (SiPM) vorgestellt. Zu diesem Zweck wurde ein Neu-LAND-Szintillator an jedem Ende statt einem 1 -Photomultiplier mit einem SiPM-basierten Prototyp mit der gleichen Geometrie ausgerüstet, der vier 6×6mm2 SiPMs, Verstärker, Hochspannungsversorgung und Mikrocontroller beinhaltet. Die Tests wurden unter Verwendung des 35 MeV-Elektronenstrahls des supraleitenden Elektronen-Linearbeschleunigers ELBE mit seinem Zeitjitter im Pikosekundenbereich in zwei verschiedenen Betriebsarten durchgeführt, nämlich im parasitären Modus mit einem Elektron pro Bündel und im Single-User-Modus mit 1 bis 60 Elektronen pro Bündel. Für die Datenerfassung wurden schnelle Digitizer von Acqiris verwendet. Darüber hinaus wurden O -Beam-Tests mit kosmischer Strahlung und dem NeuLAND-Datenerfassungsschema durchgeführt. Für minimal ionisierende Teilchen wurden E zienzen über 95% erreicht, die bei typischen Zeitau ösungen von ≤ 120 ps eine Verbesserung gegenüber früheren Arbeiten bei ELBE darstellen und das NeuLAND-Zeitziel von < 150 ps erfüllt. Über einen Bereich von 10 bis 300MeV deponierter Energie im NeuLAND-Szintillator wurde festgestellt, dass die Verstärkung um ≤10% (≤20%) von der Linearität für 35 µm (75 µm) SiPM-Module abweicht, was für die kalorimetrische Verwendung des vollständigen NeuLAND-Detektors zufriedenstellend ist. Die Dunkelrate des untersuchten Prototyps war niedriger als der durch kosmische Strahlung erwartete induzierte Hintergrund in NeuLAND. Zusätzlich wurden Simulationen in Geant4 zum Verständnis von Elektronenstreuung und Ausbreitung von Szintillationslicht sowie zum Zeitverhalten von SiPMs erarbeitet. Darüber hinaus war die Mitarbeit und Datenauswertung von Experimenten zu astrophysikalisch relevanten Reaktionen wie Coulomb-Aufbruchreaktion 16O(,)12C an R³B/GSI Teil dieser Arbeit und es wurden Methoden zur Analyse der Datenqualität von Groÿdetektoren entwickelt. Ein Teil der in dieser Arbeit in Kapitel 4 präsentierten Entwicklungsschritte, Messdaten und Resultate hinsichtlich der entwickelten SiPM-Auslese für NeuLAND sind bereits in folgender Publikation verö entlicht: [1] Thomas Hensel, DavidWeinberger, Daniel Bemmerer, Konstanze Boretzky, Igor Ga²pari ¢, Daniel Stach, Andreas Wagner und Kai Zuber. Study of a possible silicon photomultiplier based readout of the large plastic scintillator neutron detector NeuLAND . In: Nucl. Inst. Meth. A 1048 (2023), S. 167972. DOI: 10.1016/j.nima.2022.167972. Datei-Upload durch TIBThe NeuLAND (New Large-Area Neutron Detector) plastic-scintillator-based time-of- ight detector for 0.1 to 1.6 GeV neutrons is currently under construction at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), Darmstadt, Germany. In its nal con guration, NeuLAND will consist of 3,000 plastic scintillator bars with a size of 2.7m × 5 cm × 5 cm that are read out on each end by fast timing photomultipliers. Here, data from a comprehensive study of an alternative light readout scheme using silicon photomultipliers (SiPM) are reported. For this purpose, a NeuLAND bar was instrumented on each end with a SiPM-based prototype of the same geometry as a 1 photomultiplier tube, including four 6×6mm2 SiPMs, ampli ers, high voltage supply, and microcontroller. Tests were done using the 35MeV electron beam of the superconducting Electron Linac for beams with high Brilliance and low Emittance (ELBE) with its picosecond-level time jitter in two di erent modes of operation, namely parasitic mode with one electron per bunch and single-user mode with 1 to 60 electrons per bunch. Acqiris fast digitizers were used for data acquisition. In addition, o -beam tests using cosmic rays and the NeuLAND data acquisition scheme have been carried out. Typical time resolutions of ≤ 120 ps were found for ≥95% e ciency for minimum ionizing particles, improving on previous work at ELBE and exceeding the NeuLAND timing goal of < 150 ps. Over a range of 10 to 300MeV deposited energy in the NeuLAND bar, the gain was found to deviate by ≤10% (≤20%) from linearity for 35 µm (75 µm) SiPM pitch, respectively, satisfactory for calorimetric use of the full NeuLAND detector. The dark rate of the prototype studied was found to be lower than the expected cosmic-ray induced background in NeuLAND. In addition, simulations in Geant4 were developed to understand electron scattering and the propagation of scintillation light as well as the time behavior of SiPMs. Additionally, collaboration and data evaluation of experiments on astrophysically interesting reactions in the form of the coulomb breakup reaction 16O(,)12C at R³B/GSI were part of this work and methods for data quality analysis of large scale detectors were developed. Some of the development steps, measured data and results presented in this thesis regarding the developed SiPM prototype for NeuLAND have already been published in a peer-reviewed journal: [1] Thomas Hensel, DavidWeinberger, Daniel Bemmerer, Konstanze Boretzky, Igor Ga²pari ¢, Daniel Stach, Andreas Wagner and Kai Zuber. Study of a possible silicon photomultiplier based readout of the large plastic scintillator neutron detector NeuLAND . In: Nucl. Inst. Meth. A 1048 (2023), S. 167972. DOI: 10.1016/j.nima.2022.167972

Schlussbericht der VAC zu GaN-HighPower

Ziel des Verbundforschungsvorhabens GaN-HighPower ist es, die nächste Generation kostengünstiger, ressourcenschonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaikanwendungen zu erforschen und zu erproben, wobei der Fokus auf Stringwechselrichter mit größerer Leistung im Bereich von 150 kVA liegt. Hierfür sollen Galliumnitrid (GaN) Halbleitermodule zusammen mit anwendungsorientiert stark verbesserten induktiven Bauelementen und Stromsensoren erforscht und erprobt werden. Im Rahmen von GaN-HighPower wurde dazu ein Demonstrator-Inverter aufgebaut. Im Zuge dessen wurde gezeigt, dass mit dem anvisierten Konzept der gekoppelten Induktivitäten eine Gewichtseinsparung von 50% realisiert wurde. Zum einen wurde diese Einsparung durch die magnetische Kopplung erzielt, zum anderen durch den Einsatz von nanokristallinen Bandmaterial mit niedriger Permeabilität und niedrigen Verlusten. Die Erhöhung der Schaltfrequenz hatte ebenfalls einen Beitrag, jedoch zeigte sich bei der Betrachtung des Gesamtsystems eine optimale Schaltfrequenz bei 70kHz anstatt der bei der Antragstellung anvisierten 140kHz. Durch die Erhöhung der Gesamt-Leistungsdichte des Inverters, ist es möglich Material einzusparen und Ressourcen zu schonen. Bei der Übertragung dieser Erkenntnisse in die Serie, kann der PV-Standort Deutschland durch die Entwicklung effizienterer PV-Wechselrichter gestärkt werden. Im Zuge der Entwicklung des Demonstrator-Inverters wurde weiterhin ein closed-loop Stromsensor mit hoher Bandbreite und höher Genauigkeit entwickelt, der es ermöglicht Ströme bis 800kHz zuverlässig zu messen. Dieser Sensor ist bereit zur Einführung in die Serie für PV-Inverter der nächsten Generation mit schnellschaltenden GaN Halbleitern. Diese Möglichkeit stärkt den Umsatz im PV-Geschäft und damit den Standort Deutschland. Es wurden alle anvisierten Meilensteine innerhalb des Projektvorhabens und innerhalb der Projektverlängerung erfüllt.The aim of the GaN-HighPower joint research project is to research and test the next generation of cost-effective, resource-saving and efficient power converters for photovoltaic applications, with a focus on string inverters with power in the 150 kVA range. For this, gallium nitride (GaN) semiconductor modules are to be researched and tested together with application-oriented greatly improved inductive components and current sensors. Therefore, a demonstrator inverter was built within GaN-HighPower project. It was shown that a weight saving of 50% was achieved with the envisaged concept of coupled inductors. On the one hand, this saving was achieved by magnetic coupling, and on the other hand, by the use of nanocrystalline strip material with low permeability and low losses. The increase in the switching frequency also had a contribution, but when looking at the overall system, an optimal switching frequency of 70 kHz instead of the 140 kHz envisaged in the application was found. By increasing the overall power density of the inverter, it is possible to save material and conserve resources. When transferring these findings to series production, Germany can be strengthened as a PV location by developing more efficient PV inverters. Within the development of the demonstrator inverter, a closed-loop current sensor with high bandwidth and high accuracy was also developed, which makes it possible to reliably measure currents up to 800kHz. This sensor is ready to be introduced into series production for next-generation PV inverters with fast-switching GaN semiconductors. This opportunity strengthens sales in the PV business and thus Germany as a business location. All targeted milestones within the project and within the project extension were met

Abschlussbericht

Faserverstärkte Kunststoffe, hochfeste Stähle und der moderne Multimaterial-Leichtbau führen zu einem stark zunehmenden Einsatz der Fügetechnologie Kleben. Entscheidend für die Qualität des Endproduktes ist die finale Lage des Kleb- oder Dichtstoffs. Lufteinschlüsse oder eine Unterfüllung des Spalts führen dabei unter anderem zu Einbußen in der Lastübertragungsfähigkeit. Richtlinien für ein zielführendes Vorgehen oder effiziente numerische Werkzeuge zur Prognose der Spaltfüllung fehlen. So kommt es oftmals auch zur unnötigen Überfüllung des Klebspalts, was dazu führt, dass überschüssiger Klebstoff austritt. Entscheidend für die finale Lage des Klebstoffs ist neben seiner initialen Lage besonders der anschließende Fügeprozess durch das Aufsetzen des zweiten Bauteils. Dabei entsteht im sich verengenden Spalt eine Quetschströmung zwischen den Fügeteilen. Erst deren Beherrschung führt zur gewünschten Spaltfüllung innerhalb der konstruktiven Toleranzen. Konventionelle Simulationen mit kommerziell verfügbaren Software-Tools beschreiben in der Regel Mehrphasenströmungen basierend auf den Navier-Stokes-Gleichungen. Die geometrischen Verhältnisse einer, oftmals wenige zehntel Millimeter hohen aber mitunter meterlangen Klebfuge führen dabei oftmals zu numerischen Instabilitäten oder ausufernden Rechenzeiten. Hier setzte dieses Projekt an. Es bediente sich Modellierungsmethoden, die seit 150 Jahren in der Tribologie etabliert sind und die spezifisch für Systeme mit den vorliegenden Längenverhältnissen entwickelt wurden. Eine besondere Form dieser Modellwelt stellt das selbst entwickelte Partially-Filled-Gaps-Modell (PFGM) dar, welches dabei explizit die Phasen „Fluid“ und „Luft“ repräsentiert. Um dieses Modell für klebtechnische Fragestellungen zu validieren, wurden spezielle Versuchsstände auf Grundlage einer Hele-Shaw-Zelle entwickelt und aufwendig kalibriert. Dies war nötig, da das System um die Spalthöhe Null singulär wird und die Kraft in etwa proportional zu 1/ℎ5 ist. Das Modell wurde um unterschiedliche Funktionalitäten erweitert, wie etwa die Betrachtung eingeschlossener Luftblasen, nicht-Newtonsche Fluide und den Einfluss der Gravitation. Zur Validierung dienten neben den gemessenen Kräften und Spalthöhen auch der zeitliche Verlauf der Fließfront sowie die Geschwindigkeitsfelder innerhalb des Fluids, welche mit zugeführten Partikeln und einer anschließenden Particle Image Velocimetry ausgewertet wurden. Sowohl bei den Quetschflussversuchen als auch bei den Injektionsversuchen zeigte sich in Bezug auf alle ausgewerteten Kriterien eine sehr gute Übereinstimmung. Weiterhin wurde das Modell an einfachen Fällen mit kommerziellen CFD-Modellen verglichen. Dabei zeigten sich nahezu identische Ergebnisse und eine um mehrere Größenordnungen performantere Simulation mit dem PFGM. Auf dieser Basis war es möglich, breit angelegte Optimierungsstudien zu idealen initialen Auftragsmustern durchzuführen. Diese konnten anschließend experimentell erfolgreich validiert werden. Das Modell stellt somit ein breites Fundament für ein breites Spektrum an weiterführenden Fragestellungen dar, in denen die Vorhersage des Klebstoffflusses und dessen Endverteilung prozessrelevant sind.Fibre-reinforced polymers, high-strength steels and modern multi-material lightweight construction are leading to a rapid increase in the use of adhesive bonding technology. The final position of the adhesive or sealant is crucial for the quality of the end product. Air pockets or underfilling of the gap can lead to a loss of load-bearing capacity, among other things. There are no guidelines for a targeted approach or efficient numerical tools for predicting gap filling. This often leads to unnecessary overfilling of the adhesive gap, resulting in excess adhesive leakage. In addition to its initial position, the subsequent joining process by placing the second component on top is particularly crucial for the final position of the adhesive. This results in a squeeze flow between the parts being joined in the narrowing gap. Only by controlling this flow can the desired gap filling be achieved within the design tolerances. Conventional simulations with commercially available software tools usually describe multiphase flows based on the Navier-Stokes equations. The geometric conditions of an adhesive joint, which is often only a few tenths of a millimetre high but sometimes several metres long, often lead to numerical instabilities or excessive computing times. This was the starting point for this project. It used modelling methods that have been established in tribology for 150 years and were developed specifically for systems with the given length ratios. A special form of this model concept is the self-developed Partially-Filled-Gaps Model (PFGM), which explicitly represents the ‘fluid’ and ‘air’ phases. In order to validate this model for adhesive bonding problems, special test rigs based on a Hele-Shaw cell were developed and extensively calibrated. This was necessary because the system becomes singular at a gap height of zero and the force is approximately proportional to 1/h^5. The model was enhanced with various functionalities, such as the consideration of trapped air bubbles, non-Newtonian fluids and the influence of gravity. In addition to the measured forces and gap heights, the temporal course of the flow front and the velocity fields within the fluid, which were evaluated with added particles and subsequent particle image velocimetry, were also used for validation. Both the squeeze flow tests and the injection tests showed very good agreement with regard to all evaluated criteria. Furthermore, the model was compared with commercial CFD models in simple cases. This revealed almost identical results and a performance improvement of several orders of magnitude using the PFGM. On this basis, it was possible to carry out a wide range of optimisation studies on ideal initial application patterns. These were then successfully validated experimentally. The model thus provides a broad foundation for a large spectrum of further questions in which the prediction of adhesive flow and its final distribution are relevant to the process

Schlussbericht YCOR (2021-2024)

Im Rahmen des vom BMBF geförderten VIP⁺-Projekts "Minimal-invasive Kunstherzimplantation - Entwicklung des innovativen Blutleitungssystems YCOR" (Förderkennzeichen 03VP08500) wurde ein neuartiger LVAD-Adapter zur weniger invasiven Implantation von Herzunterstützungssystemen entwickelt und präklinisch validiert. Ziel war die technische und biologische Weiterentwicklung eines bereits patentierten Blutleitungssystems, das den chirurgischen Zugang zur Herzspitze und die Nutzung einer Herz-Lungen-Maschine überflüssig machen soll. In mehreren Arbeitspaketen wurden Titan- und Stentgraft-Prototypen konstruiert, in silico, in vitro und in vivo getestet und die Titan-Variante aufgrund ihrer mechanischen und hämodynamischen Vorteile weiterverfolgt. Ergänzend wurde ein Implantationsset für die Anwendung am schlagenden Herzen entwickelt, patentiert und erfolgreich im Großtiermodell erprobt. Die präklinischen Untersuchungen bestätigten eine suffiziente Herzunterstützung ohne signifikante Beeinträchtigung der Herzklappenfunktion, Hämolyse oder Thrombogenität. Parallel erfolgte die Erarbeitung eines Konzepts für eine klinische Machbarkeitsstudie sowie die Entwicklung einer Zulassungs- und Verwertungsstrategie für den europäischen und US-amerikanischen Markt. Das Projekt leistet einen Beitrag zur Entwicklung minimal-invasiver LVAD-Implantationen und bildet die Grundlage für eine geplante klinische Studie am Universitätsklinikum Freiburg

Schlussbericht zum Vorhaben

Ziel des Vorhabens war, das Jugendengagement im ländlichen Raum für den Wald zu stärken. Bundesweit konnten sich freiwillige Jugendgruppen für eine Teilnahme an einem intensiven Coaching in den Themen Ökosystem Wald, Auswirkungen des Klimawandels, Bedeutung einer nachhaltigen Waldbewirtschaftung und Chancen der Bioökonomie mitsamt der Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen – vor allem Holz. Der Fokus des Coachings lag darauf, dass die teilnehmenden Jugendlichen dazu befähigt wurden, ein eigenes Projekt umzusetzen. Sie sollten aus persönlichem Antrieb und mit individuellen Ideen nachhaltige und naturverträgliche Projekte entwickeln, die auf die typischen Eigenschaften ihrer Region angepasst sind und sich mit Nachhaltigkeitsthemen rund um den Wald auseinandersetzen. Im Anschluss an das Coaching über drei bundesweite Workshop-Wochenenden haben die Jugendgruppen mit der Umsetzung ihrer Projektidee begonnen. Unterstützt wurden sie dabei durch die enge Betreuung des SDW Bundesverbands samt Projektleitung und Beiträgen aus dem jeweiligen SDW Landesverband. Alle vermittelten Lerninhalte wurden darauffolgend digital aufbereitet, sodass sie über eine kostenlose Lern- und Serviceplattform (www.kollektiv-wald.de) langfristig einer breiteren Masse von Interessierten zur Verfügung stehen. Ergänzt wurde diese Plattform durch ein praxisorientiertes Handbuch, welches den Schwerpunkt auf eine umfangreiche Sammlung von Methodenanleitungen legt, um für jede Projektphase hilfreiche Tipps und Tools an die Hand zu geben. In Kombination sollen mit diesen langfristigen Angeboten weitere Jugendgruppen dazu motiviert werden, ebenfalls durch eigene Projekte einen aktiven Beitrag zum Waldschutz zu leisten