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Zwischenabfluss: Ein anerkannter, aber immer noch schwer zu erfassender Prozess in der Einzugsgebietshydrologie

Zwischenabfluss (ZA) ist ein bedeutender Abflussbildungsprozess in gebirgigen Einzugsgebieten der feucht-gemäßigten Klimazonen. Obwohl ZA bereits seit den 1970er Jahren intensiv untersucht wird, ist es ein noch immer schwer zu erfassender Prozess in der Einzugsgebietshydrologie. Es ist unklar, welche wesentlichen Faktoren dessen räumliche und zeitliche Verteilung steuern und wie dieser Prozess in Niederschlag-Abfluss-Modellen parametrisiert werden kann. Um diese Forschungslücke zu schließen, wird das wissenschaftliche Netzwerk, Zwischenabfluss: Ein anerkannter, aber immer noch schwer zu erfassender Prozess in der Einzugsgebietshydrologie, gegründet, in dem aktuelle Probleme zur1) Identifizierung maßgeblicher Einflussfaktoren des ZA,2) Parametrisierung des ZA in N-A-Modellen sowie3) zu bestehenden Ansätze der Kalibrierung und Validierung des ZA diskutiert werden. Das Netzwerk setzt sich aus den Nachwuchswissenschaftler/innen Sophie Bachmair, Theresa Blume, Katja Heller, Luisa Hopp, Ute Wollschläger, Thomas Graeff, Oliver Gronz, Andreas Hartmann, Bernhard Kohl, Christian Reinhardt-Imjela, Martin Reiss, Michael Rinderer und Peter Chifflard (PI) zusammen. Sie werden die genannten Probleme kritisch reflektieren und Forschungsdefizite als Basis für ein gemeinsames Forschungsprojekt erarbeiten, das als Forschergruppe realisiert und bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft eingereicht wird. Das Arbeitsprogramm des Netzwerkes wird in insgesamt 6 Workshops umgesetzt, die jeweils etwa 3 Tage dauern und als moderierte, problemlösungsorientierte Workshops organisiert sind. Spezifische Fragestellungen werden zuerst in Kleingruppen erörtert und anschließend in der gesamten Gruppe diskutiert und dokumentiert. Das Ziel eines jeden Workshops ist die Erarbeitung von Hypothesen, die die Grundlage des Forschungsantrages darstellen. In den ersten vier Workshops werden die Themen 1) Zwischenabfluss: Warum? Wann? Wo? 2)Identifizierung maßgeblicher Einflussfaktoren, 3) (Boden-) hydrologische Modellkonzepte und 4) Kalibrierungs- und Validierungsansätze bearbeitet. Die international ausgezeichneten Wissenschaftler/innen Nicola Fohrer, Ilja van Meerveld, Doerthe Tetzlaff, Axel Bronstert, Olaf Kolditz, Gunnar Lischeid, Brian McGlynn und Markus Weiler nehmen an den ersten vier Workshops als Gäste teil und tragen zu den Diskussionen und der Hypothesenbildung bei. Im fünften und sechsten Workshop wird eine Projektskizze, die zur Beantragung einer Forschergruppe bei der DFG notwendig ist, verfasst und fertiggestellt. Die insgesamt sechs Workshops werden durch wissenschaftliche Exkursionen in experimentelle Untersuchungsgebiete, in denen der ZA ein maßgebende Prozess ist, ergänzt und an den Instituten der Mitglieder des Netzwerkes durchgeführt: Universitäten Marburg, Trier, Dresden, Durham (USA), UFZ Leipzig und BfW Innsbruck. Dadurch bestehen zusätzliche Kooperationen mit M. Casper, J. Fleckenstein, A. Kleber, G. Markart,F. Reinstorf, H.-J. Vogel, H. Zepp, und E. Zehe.

Strukturklebstoffe auf Basis epoxidierter Öle, Teilvorhaben 1: Baukasten anwendungsnaher biobasierter Klebstoffe

Ziel des Vorhabens ist es, biobasierte Strukturklebstoffe zu entwickeln. Die Basis besteht aus epoxidierten Pflanzenölen und Polymilchsäure. Der Anteil nachwachsenden Kohlenstoffs soll mindestens 95% betragen. Neben guten Anfangsfestigkeiten soll der Klebstoff vor allem auch gute Dauergebrauchseigenschaften aufweisen, damit der zu entwickelnde Demonstrator, geklebte Scharspitze für einen Grubber, eine lange Lebensdauer aufweist. Gleichzeitig soll der geklebte Hartmetallbesatz austauschbar sein. Die als Demonstrator gewählte Scharspitze soll auch zeigen, dass nachwachsende Rohstoffe für die harschen Bedingungen der Landwirtschaft geeignet sind: Vom Acker für den Acker.

Kosteneffiziente Prozesse für hocheffiziente III-V/Si Tandem-Solarmodule mit mindestens 30 % Wirkungsgrad, Teilvorhaben: Entwicklung eines innovativen Klebstoffs für die Verschaltung von III-V/SI Tandem Zellen auf Basis von Kapillarsuspensionen

Das in der Gruppe von Prof. Willenbacher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entdeckte Phänomen der Kapillarsuspensionen wird genutzt, um elektrisch leitfähige Klebstoffe (ECA) basierend auf Silberpartikeln und Polymerharzen, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bei geringem Silbergehalt zu entwickeln. Der Silbergehalt soll mindestens auf die Hälfte der in kommerziell verfügbaren Klebstoffen typischen Konzentration reduziert werden ( kleiner als 40 Gew.%). Die Arbeiten am KIT umfassen die Entwicklung geeigneter ECA-Zusammensetzungen auf der Basis kommerziell verfügbarer Rohstoffe sowie das Design von Scale-up-fähigen Herstellungsprozessen. Zur Erzielung einer hohen Leitfähigkeit bei niedriger Partikelkonzentration soll die Bildung eines perkolierenden Silbernetzwerks durch die Zugabe einer kleinen Menge einer zweiten, nicht mit der Polymermatrix mischbaren Flüssigkeit induziert werden. Vorarbeiten mit Silber/Elastomer-Kompositen haben gezeigt, dass so die Perkolationsschwelle drastisch reduziert werden kann. Für die Polymermaterialien müssen jeweils geeignete Zweitflüssigkeiten gefunden werden. Darüber hinaus soll evaluiert werden, ob der Verbrauch der knappen Ressource Silber durch die Einarbeitung geeigneter Kupfer-, Nickel- oder Graphitpartikel reduziert werden kann. Die Klebstoff-Pasten werden rheologisch charakterisiert, um einerseits das Applikationsverhalten gezielt einzustellen, andererseits, um die Strukturbildung beurteilen zu können. Messungen der elektrischen Leitfähigkeit der Pasten und der ausgehärteten Klebstoffe sind die Hauptkriterien für die gezielte Einstellung der Pasten-Zusammensetzung. Die Klebstoffe werden so konzipiert, dass sie sich nahtlos in etablierte Klebstoffauftrags- und Zellverbindungsprozesse integrieren lassen. Der Klebstoff muss so gestaltet sein, dass die für Solarmodule erforderliche Langzeit- und Witterungsbeständigkeit gewährleistet ist.

Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.

Modellregion Bioökonomie im Rheinischen Revier: (Modellregion, Phase 1, Bio4MatPro: Boostlab 6 - 2 - HoLoPep) : Die biotechnologische Herstellung von Biopeptiden als nachhaltige Additive in Klebstoffen und/oder Wasch-/Reinigungsmitteln, in einem technisch-kommerziell sinnvollen Maßstab

Modellregion Bioökonomie im Rheinischen Revier: (Modellregion, Phase 1, Bio4Mat- Pro: BoostLab2-3 - SAVER2) Stimuliertes Adhäsionsversagen durch Elektrizität für Reparatur und Recycling, Teilprojekt 2

Modellregion Bioökonomie im Rheinischen Revier: (Modellregion, Phase 1, Bio4Mat- Pro: BoostLab2-3 - SAVER2) Stimuliertes Adhäsionsversagen durch Elektrizität für Reparatur und Recycling, Teilprojekt 1

Modellregion Bioökonomie im Rheinischen Revier: (Modellregion, Phase 1, Bio4Mat- Pro: BoostLab2-3 - SAVER2) Stimuliertes Adhäsionsversagen durch Elektrizität für Reparatur und Recycling, Teilprojekt 4

Entwicklung neuer Haftklebstoffe auf Basis von Itaconsäure und epoxidierten Pflanzenölen, Teilvorhaben 1: Herstellung und Scale-up von Haftklebstoffen und Haftklebebändern auf Itaconatesterbasis

Haftklebstoffe oder auch PSA (Pressure Sensitive Adhesive) finden seit Jahrzehnten Anwendung in industriellen Fertigungsprozessen wie auch im Haushalt. Haftklebstoffe werden fast ausschließlich in Form von Haftklebebändern oder Stanzteilen verwendet. Hochwertige Haftklebstoffe (PSA) basieren auf Polyacrylaten, meist auf Basis von Butylacrylat und 2-Ethylhexylacrylat. Polyisoprene in Kombination mit verschiedenen Harzen stellen eine biobasierte Basis für PSA dar, haben aber aufgrund der vielen Doppelbindungen eine schlechte Alterungsbeständigkeit. Ziel des Vorhabens ist es Haftklebstoffe, mit Ausnahme des Release-Liners, mit hoher Beständigkeit auf Basis nachwachsender Rohstoffe wie Itaconsäure und Pflanzenölen zur Verfügung zu stellen. Auch der optionale Träger soll auf Basis nachwachsender Rohstoffe zusammengesetzt sein. Final soll ein Maschinenversuch zur Beschichtung und Konfektionierung eines Klebebandes oder von Stanzteilen stehen, so dass Demonstratoren für potenzielle Kunden zur Verfügung stehen.

Entwicklung eines kompostierbaren, hochfesten organischen Klebers und dessen Anwendung zur Bindung von Makropartikeln aus der Blattmasse von Rohrkolben, Teilvorhaben 2: Untersuchungen zur Praxisrelevanz

Der Ausgangspunkt zur Entwicklung eines neuartigen Klebers ist das Typhaboard, das derzeit mittels des anorganischen Bindemittels Magnesit zum Baustoff gefertigt wird. Um die vorhandenen Schwachstellen des Materials Magnesitboard (vor allem die Absenkung der Wärmeleitfähigkeit und die Erhöhung der Festigkeit ist wünschenswert) zu überwinden, ist es ein Schwerpunktziel des Projektes ein neues Klebersystem für Rohrkolben (lat. Typha) zur Herstellung Natur basierender Baustoffe zu entwickeln. Ganz wesentlich für die Entwicklung des neuartigen nachhaltigen Klebers ist die Berücksichtigung der ganz speziellen Eigenschaften des Blattmaterials Typha. Wichtig ist dabei auch, dass mit dem neu entwickelten Klebstoff ein Material entwickelt werden kann, das den speziellen bauphysikalischen Anforderungen für einen Einsatz im Baubereich genügt. Oberstes Kriterium bei der Bindemittelentwicklung ist die Rückführbarkeit in den Stoffkreislauf. Weitere Aspekte für die Wahl und Optimierung des Klebstoffes sind Brandschutz, Schimmelpilzresistenz und Festigkeitseigenschaften.

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