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Urbane Grünsysteme 4.0 Modul 2: Ein computergestützter Entwurfsansatz für neuartige Urbane Grünsysteme

Zunehmende Urbanisierungsprozesse und Umweltzerstörung lenken die Aufmerksamkeit auf Ökosystemdienstleistungen, die Pflanzen in Städten erbringen. Künftige Urbane Grünsysteme (UGS) können die Folgen des Klimawandels in Städten mildern, indem sie die Lebensqualität im Freien verbessern und Gebäude und Menschen vor extremen Wetterverhältnisse schützen. Der Entwurf, die Planung und das Management neuartiger UGS können Strategien und Methoden aus historischen Landnutzungssystemen adaptieren. Diese Systeme sind für bestimmte Kontexte mit dem Ziel entwickelt worden, definierte Funktionen zu erfüllen. Sie basieren auf einer Reihe von Techniken wie z.B. dem Kopfschnitt, dem Schneiteln, dem Leiten und Verbinden von Trieben. Das Potenzial dieser Praktiken für die Entwicklung neuartiger UGS ist bislang nicht systematisch untersucht worden.Das Ziel unserer Forschung besteht darin, die komplexe Dynamik des UGS-Designs und des Pflanzenwachstumsmanagements durch eine neuartige Kombination von performance-oriented design, remote sensing, und Simulation zu untersuchen. Ziel ist es, einen neuen Entwurfsansatz zu entwickeln, der generative und analytische Methoden mit einem geeigneten Entscheidungsunterstützungssystem verbindet. Dieser Arbeitsablauf wird von zwei historischen Systemen abgeleitet: Hausschutzhecken und geleite Baumkronendächer. Historisch basiert die Entstehung und Entwicklung dieser Systeme auf einem regelmäßigen Vergleich zwischen der tatsächlichen Entwicklung und der angestrebten Leistung. Die Vorgehensweise verbindet Entwurfsentscheidungen, physikalische Pflanzenmanipulationen und Wachstumsprozesse. Die Forschungsfragen sind: Wie können die Struktur und die mikroklimatischen Effekte solcher Pflanzensysteme erfasst und simuliert werden? Wie kann die Reaktion von Pflanzen auf Manipulationstechniken modelliert werden? Wie können Entwurfs- und Pflegeentscheidungen auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem Ist- und dem Soll-Zustand getroffen werden? Sind diese Methoden für Entwicklungsprognosen plausibel und eignen sie sich für den Entwurf und das Management neuartiger UGS? Das Projekt kombiniert verschiedene Methoden, interdisziplinäres Wissen und die notwendige Erfahrung dreier eng verwandter und sich ergänzender Forschungsbereiche: Architektur mit lebenden Bäumen (Baubotanik, f. Ludwig), Computational Design (M. U. Hensel) und Urban Forestry (T. Rötzer, H. Pretzsch).Dieser Antrag ist der zweite von zwei thematisch verbundenen Projektanträgen. Das erste Projekt untersucht mit einer ökosystemaren, multifaktoriellen Perspektive, wie historische Landnutzungspraktiken neuartige UGS inspirieren können. In einer computergestützten Ontologie werden hier historische Informationen mit Wissen aus dem Gartenbau verknüpft. Die beiden Projekte können unabhängig voneinander bearbeitet werden. Durch das Zusammenführen der Ergebnisse entstehen allerdings durch die erweiterte Wissensbasis verschiedener historischer Ansätze erhebliche Synergien.

Leichtbauten aus Carbonbeton in vollständig digitaler Wertschöpfungskette für Städte der Zukunft inkl. Planungswerkzeug, Teilvorhaben: Planungsmethodik

Konzeption zur Entwicklung eines Holzbausystems fuer die Errichtung kostenguenstiger Niedrigenergie- und Passivhaeuser unter Einsatz umweltvertraeglicher Baustoffe und Materialien - Vorphase

Schwerpunktprogramm (SPP) 1315: Biogeochemische Grenzflächen in Böden; Biogeochemical Interfaces in Soil, Highly-resolved imaging in artificial and natural soils to yield dynamics and structure of interfaces from oxygen, pH and water content

In soils and sediments there is a strong coupling between local biogeochemical processes and the distribution of water, electron acceptors, acids, nutrients and pollutants. Both sides are closely related and affect each other from small scale to larger scale. Soil structures such as aggregates, roots, layers, macropores and wettability differences occurring in natural soils enhance the patchiness of these distributions. At the same time the spatial distribution and temporal dynamics of these important parameters is difficult to access. By applying non-destructive measurements it is possible to overcome these limitations. Our non-invasive fluorescence imaging technique can directly quantity distribution and changes of oxygen and pH. Similarly, the water content distribution can be visualized in situ also by optical imaging, but more precisely by neutron radiography. By applying a combined approach we will clarify the formation and architecture of interfaces induces by oxygen consumption, pH changes and water distribution. We will map and model the effects of microbial and plant root respiration for restricted oxygen supply due to locally high water saturation, in natural as well as artificial soils. Further aspects will be biologically induced pH changes, influence on fate of chemicals, and oxygen delivery from trapped gas phase.

Linking soil architecture formation with changing permafrost regime to carbon turnover in high latitude soils at multiple spatial scales

Most soils develop distinct soil architecture during pedogenesis and soil organic carbon (SOC) is sequestered within a hierarchical system of mineral-organic associations and aggregates. Permafrost soils store large amounts of carbon due to their permanently frozen subsoil and a lack of oxygen in the active layer, but they lack complex soil structure. With permafrost thaw more oxidative conditions and increasing soil temperature presumably enhance the build-up of more complex units of soil architecture and may counterbalance, at least partly, SOC mineralization. We aim to explore the development of mineral-organic associations and aggregates under different permafrost impact with respect to SOC stabilization. This information will be linked to environmental control factors relevant for SOC turnover at the pedon and stand scale to bridge processes occurring at the aggregate scale to larger spatial dimensions. We will combine in situ spectroscopic techniques with fractionation approaches and identify mechanisms relevant for SOC turnover at different scales by multivariate statistics and variogram analyses. From this we expect a deeper knowledge about soil architecture formation in the transition of permafrost soils to terrestrial soils and a scale-spanning mechanistic understanding of SOC cycling in permafrost regions.

Non-destructive characterization and monitoring of root structure and function at the rhizotron and field scale using spectral electrical impedance tomography (ImpTom)

This subproject aims at the development of spectral electrical impedance tomography (EIT) as a non-destructive tool for the imaging, characterization and monitoring of root structure and function in the subsoil at the field scale. The approach takes advantage of the capacitive properties of the soil-root interface associated with induced electrical polarization processes at the root membrane. These give rise to a characteristic electrical signature (impedance spectrum), which is measurable in an imaging framework using EIT. In the first project phase, the methodology is developed by means of controlled rhizotron experiments in the laboratory. The goal is to establish quantitative relationships between characteristics of the measured impedance spectra and parameters describing root system morphology, root growth and activity in dependence on root type, soil type and structure (with/without biopores), as well as ambient conditions. Parallel to this work, sophisticated EIT inversion algorithms, which take the natural characteristics of root system architecture into account when solving the inherent inverse problem, will be developed and tested in numerical experiments. Thus the project will provide an understanding of electrical impedance spectra in terms of root structure and function, as well as specifically adapted EIT inversion algorithms for the imaging and monitoring of root dynamics. The method will be applied at the field scale (central field trial in Klein-Altendorf), where non-destructive tools for the imaging and monitoring of subsoil root dynamics are strongly desired, but at present still lacking.

Effiziente Funktionalisierung von 3D-geformten Dünngläsern, Teilvorhaben: Entwicklung von Glasumform- und Laserstrukturierprozessen

Ziel des Verbundvorhabens EffF3D ist die Entwicklung einer effizienten Prozesskette zur Massenfertigung von komplex geformten und funktionalisierten Dünngläsern (Glasdicke kleiner als 3 mm) basierend auf nicht-isothermen Umformprozessen. Im Vergleich mit den etablierten Prozessketten ist die vorgeschlagene in der Lage, den Energieeinsatz um 67% und dadurch anteilig den CO2-Ausstoß um 63% zu reduzieren. Durch die hohe Marktdurchdringung des Dünnglases wurde allein in der Unterhaltungsbranche 2019 ein Marktvolumen von 1,37 Milliarden Dünngläsern (Absatz Smartphones weltweit) adressiert. Dazu kommen weitere 75 Millionen Dünngläser im Jahr 2019 aus dem Automobilbau, Sensorik und Architektur. Von diesen Dünngläsern sind etwa 70% mit Funktionsschichten oder -strukturen (Haptik, Hydrophobie, Antireflexion, etc.) versehen. Die Funktionalisierung wird heutzutage entweder über Ätzverfahren mit umweltgefährdenden Stoffen oder durch strukturierte Formeinsätzen mit geringer Werkzeugstandzeit eingebracht. Das Verbundvorhaben ‘EffF3D’ erforscht die vorgelagerte Funktionalisierung der Glasrohlinge durch Laserstrukturierung mit anschließendem nicht-isothermen Glasumformprozess. Die nicht-isotherme Glasumformung steigert, aufgrund hoher Werkzeugstand- und Taktzeiten die Material- und Ressourceneffizienz gegenüber konkurrierenden Formgebungsverfahren. In einer ersten Abschätzung der neuartigen Prozesskette wird der Massenmarkt mit einem prognostizierten Stückpreis zwischen 3 € und 4 € erreicht, bei der oben genannten Erhöhung der ökologischen Verträglichkeit.

WFS Wettbewerbe Hamburg

Web Feature Service (WFS) zum Thema Wettbewerbe in Hamburg. Zur genaueren Beschreibung der Daten und Datenverantwortung nutzen Sie bitte den Verweis zur Datensatzbeschreibung.

Energieoptimierte Simulationsmethoden für anwendungsorientierte Rechenprobleme

Effiziente Funktionalisierung von 3D-geformten Dünngläsern

Ziel des Verbundvorhabens EffF3D ist die Entwicklung einer effizienten Prozesskette zur Massenfertigung von komplex geformten und funktionalisierten Dünngläsern (Glasdicke kleiner als 3 mm) basierend auf nicht-isothermen Umformprozessen. Im Vergleich mit den etablierten Prozessketten ist die vorgeschlagene in der Lage, den Energieeinsatz um 67% und dadurch anteilig den CO2-Ausstoß um 63% zu reduzieren. Durch die hohe Marktdurchdringung des Dünnglases wurde allein in der Unterhaltungsbranche 2019 ein Marktvolumen von 1,37 Milliarden Dünngläsern (Absatz Smartphones weltweit) adressiert. Dazu kommen weitere 75 Millionen Dünngläser im Jahr 2019 aus dem Automobilbau, Sensorik und Architektur. Von diesen Dünngläsern sind etwa 70% mit Funktionsschichten oder -strukturen (Haptik, Hydrophobie, Antireflexion, etc.) versehen. Die Funktionalisierung wird heutzutage entweder über Ätzverfahren mit umweltgefährdenden Stoffen oder durch strukturierte Formeinsätzen mit geringer Werkzeugstandzeit eingebracht. Das Verbundvorhaben ‘EffF3D’ erforscht die vorgelagerte Funktionalisierung der Glasrohlinge durch Laserstrukturierung mit anschließendem nicht-isothermen Glasumformprozess. Die nicht-isotherme Glasumformung steigert, aufgrund hoher Werkzeugstand- und Taktzeiten die Material- und Ressourceneffizienz gegenüber konkurrierenden Formgebungsverfahren. In einer ersten Abschätzung der neuartigen Prozesskette wird der Massenmarkt mit einem prognostizierten Stückpreis zwischen 3 € und 4 € erreicht, bei der oben genannten Erhöhung der ökologischen Verträglichkeit.

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