Im Rahmen dieses Projekts soll das Wolkenpartikelinstrument PHIPS-HALO des KIT um die Messung der winkelabhängigen Polarisation von einzelnen Eispartikeln im rückwärtigen Streuwinkelbereich erweitert werden. Diese Messung ergänzt die bestehenden PHIPS-HALO-Messmethoden zur Erfassung der Partikelform sowie der winkelabhängigen Streufunktion. Die neuen Messmöglichkeiten des PHIPS-HALO/SID-3 Instrumentpakets des KIT werden in der Wolkensimulationskammer AIDA umfangreich getestet und charakterisiert, um diese am Ende der ersten Förderperiode für Messungen auf HALO zur Verfügung zu haben. Dadurch werden schon im Vorfeld der nächsten, für den Winter 2018/2019 geplanten Zirrusmission neuartige relevante Datensätze gewonnen, die von großem Nutzen für die Atmosphärenwissenschaft sein werden. Zusätzlich zu den Labormessungen, soll das verbesserte PHIPS-HALO Instrument sowie das PHIPS-HALO/SID-3 Instrumentpaket im Rahmen des Projekts auch auf anderen Messflugzeugen betrieben und getestet werden. Mit den erweiterten Messmöglichkeiten des PHIPS-HALO/SID-3 Instrumentpakets können in zukünftigen HALO-Missionen Validierungen von Satellitenbeobachtungen durchgeführt werden, die sich auf Polarisationsmessmethoden stützen. Da diese Messmethoden sehr empfindlich auf die Komplexität der Form sowie der Oberflächenrauheit der Eispartikel sind, könnte auf Basis solcher Validierungsmissionen die Frage geklärt werden, ob die Eispartikelkomplexität eine dominante mikrophysikalische Eigenschaft von Zirren ist. Sollte dies der Fall sein, würden Wolkeneispartikel einen deutlich anderen Strahlungseinfluss auf den Wärmehaushalt der Erde haben als bisher angenommen.
Mikrobiell induzierte Korrosion
Ermittlung von Ursachen, Nachweismöglichkeiten und Vorhersage
Identifikation von Faktoren, die Mikrobiell Induzierte Korrosion beeinflussen, Wechselwirkungen mit Korrosionsschutzverfahren und Entwicklung von Sanierungskonzepten.
Aufgabenstellung und Ziel
In den vergangenen Jahren konnte eine Reihe von ungewöhnlichen Schadensfällen an Stahlwasserbauwerken beobachtet werden. Diesen Fällen war gemein, dass sie auf einen verstärkten lokalen Korrosionsangriff zurückzuführen sind, welcher durch die Einwirkung von Mikroorganismen hervorgerufen wurde. Diese sogenannte mikrobiell induzierte Korrosion (MIC) konnte z. B. am Rhein-Herne-Kanal an Spundwänden aus den 1970er Jahren nachgewiesen werden. Hier konnte eine beschleunigte Korrosion der Spundwände mit lokal vollständigen Durchrostungen festgestellt werden, die partiell zu einem Funktionsverlust führte und eine Instandsetzung zwingend erforderlich machte. Aus den an diesem Beispiel und früheren Fällen generierten Beobachtungen und Daten ergibt sich das Bild eines bisher schwer vorhersagbaren Phänomens mit einer lokal potentiell großen Schadenswirkung.
In diesem Forschungsvorhaben sollen die auslösenden bzw. begünstigenden Faktoren, die Wechselwirkung von MIC und klassischen Korrosionsschutzstrategien und die möglichen Folgen von MIC untersucht werden. Hierzu sollen Untersuchungen an bekannten geschädigten Bauwerken und Laborversuche durchgeführt werden. Für die Laborversuche ist geplant, Bakterienkulturen zu verwenden, die bereits aus früheren Schadensfällen in der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) gewonnen wurden. Aus den Versuchen soll ein Konzept zur Risikobewertung von Standorten und eine Strategie zum Nachweis und zur Sanierung von Schäden durch MIC abgeleitet werden.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Die WSV besitzt entlang der von ihr betreuten Wasserstraßen eine Vielzahl an Spundwänden als Kammerwände in Schleusen und zur Uferbefestigung in Vorhäfen sowie entlang von Kanälen. Da MIC zu einer vorzeitigen Schädigung von Stahlwasserbauwerken führen kann, welche in vielen Fällen erst spät erkannt wird, ist eine verbesserte Vorhersage/Identifikation der Materialschädigung, wie auch die Ermittlung von Korrosionsraten an potentiell durch MIC gefährdeten Standorten wünschenswert und von großem wirtschaftlichem Interesse.
Untersuchungsmethoden
Die nationale sowie die internationale Fachliteratur zum Thema der mikrobiell induzierten Korrosion wird intensiv gesichtet (z. B. Little und Lee 2014; Little et al. 2020) und im Verlauf des Forschungsvorhabens kontinuierlich verfolgt. Hierbei ist eine Fokussierung auf in der Fachliteratur dokumentierte Schadensfälle sinnvoll. Aus dieser Literaturrecherche heraus ist es Ziel, Parameter abzuleiten, welche für das Auftreten mikrobiell induzierter Korrosion von Stahlwasserbauwerken dominant sein können. Weiterhin werden Begehungen von aktuellen und bereits bekannten Schadensfällen mit einer genaueren Augenscheinnahme und Beprobung der Standorte durchgeführt, um Lücken in Messdaten zu schließen bzw. neue aus der Literaturrecherche abgeleitete Parameter ebenfalls in die Vorortuntersuchungen mit einfließen zu lassen. Kontinuierlich werden die bei der Begehung gewonnenen Daten ausgewertet und die genommenen Proben näher charakterisiert, u. a. durch Kohlenstoff/Schwefel-Bestimmung, (z. B. Nachweis von bakteriellen Stoffwechselprodukten), chemische Analytik (u. a. Nachweis elementaren Schwefels) von Bodenproben und Korrosionsprodukten. In Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG, RimiK-Projekt) werden zudem an beprobten Bauwerken vorgefundene Bakterienkonsortien mikrobiologisch charakterisiert. Um Aussagen über das Abrostungsverhalten bei mikrobiell beeinflusster Korrosion zu generieren, ist zudem geplant, an von MIC betroffenen Standorten Auslagerungsversuche mit geeigneten Probekörpern durchzuführen. (Text gekürzt)
Von Pflanzenbestaenden, die nur eine Pflanzenart enthalten, wird oft ein staerkerer Befall durch tierische Schaedlinge vermutet. Durch Laborversuche mit verschiedenen Arten phytophager Insekten wird geprueft, ob das Aufsuchen der Wirtspflanzen in Reinbestaenden gegenueber Mischbestaenden erleichtert ist.
Unter anoxischen Bedingungen wird Arsen (As) in Form von Arsenit vermeintlich vollständig über Schwefel(S)-Gruppen an natürliches organisches Material (NOM) gebunden. Laborexperimente zeigten, dass selbst unter oxischen Bedingungen die Halbwertszeit mehr als 300 Tage betrug, damit sogar größer war als die von Arsenit an Eisen(Fe)(III)-Oxyhydroxiden. Global betrachtet heißt das, dass z.B. Moore, die reich an Organik und Sulfid sind, wichtige quantitative As-Senken sind. Allerdings wurden alle mechanistischen Studien bisher so durchgeführt, dass Arsenit einem zuvor gebildeten S(-II)-NOM zugegeben wurde. In einem System, das As(III), S(-II) und NOM enthält, spielt aber auch die As(III)-S(-II)-Komplexierung in Lösung unter Bildung von Thioarseniten ((H2AsIIIS-IInO3-n)-, n=1-3) und Thioarsenaten ((HAsVS-IInO4-n)2-, n=1-4) eine Rolle. Unsere zentrale Hypothese ist, dass die Kinetik der Thioarsen-Spezies-Bildung in Lösung schneller ist als die Sorption von As(III) und S(-II) an NOM und dass daher Thioarsen-Spezies das Ausmaß und die Kinetik der As-Sorption an Organik bestimmen. Auch die kompetitive Sorption an gleichzeitig auftretenden (meta)stabilen Fe-Mineralen wird vom bekannten Verhalten von Arsenit abweichen. Aufgrund ihrer Instabilität und einem Mangel an reinen Standards, ist über das Sorptionsverhalten von Thioarseniten bislang nichts bekannt. Für Thioarsenate gibt es keine Information zum Bindungsverhalten an NOM, aber es ist bekannt, dass die Sorption an verschiedenen Fe(III)-Mineralen geringer ist als die von Arsenit. Wir postulieren, dass Thioarsenate weniger und langsamer als Arsenit an S(-II)-NOM binden, da kovalente S-Bindungen in Thioarsenaten die Affinität für S(-II)-NOM Komplexierung verringern. An Fe(III)-NOM sollte die Bindung geringer sein in Analogie zur bekannten geringeren Affinität für Fe(III)-Minerale. Wir postulieren weiter, dass die Sulfidierung eine schnellere und größere As-Mobilisierung bewirkt als die zuvor untersuchte Oxidation, da abiotische Oxidation langsam ist, die As-S-Komplexierung in Lösung aber spontan und so As-Bindungen an NOM und Fe-Minerale schwächt. Um unsere Hypothesen zu testen, werden wir Batch-Experimente durchführen mit Mono- and Trithioarsenat-Standards und einem Arsenit-Sulfid Mix (der Thioarsenite enthält) bei pH 5, 7 und 9 an zwei ausgewählten NOMs (Federseemoor Torf und Elliott Soil Huminsäure; jeweils unbehandelt, S(-II)- und Fe(III)-komplexiert). Wir werden Sorptionsaffinität und -kinetik, sowie mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie Bindungsmechanismen bestimmen. Die Stabilität der (Thio)arsen-beladenen NOMs wird unter oxidierenden aber auch unter sulfidischen Bedingungen studiert und präferenzielle Bindung in binären Systemen (Kombinationen aus Fe-Oxyhydroxiden, Fe(III)-NOM, S(-II)-NOM und Fe-Sulfiden) untersucht. Ziel ist, As-Bindungsmechanismen in S(-II)-Fe(III)-NOM-Systemen besser zu verstehen, um vorhersagen zu können, unter welchen Bedingungen As Senken zu As Quellen werden können.
Das Aufschüsseln bzw. Aufwölben ein- und zweischichtiger Betonfahrbahndecken soll im Labor überwiegend an 3,0 m langen einseitig eingespannten Betonbalken (freie Kraglänge 2,5 m) untersucht werden. Die Laboruntersuchungen sollen durch Verformungsmessungen mit einem Lasermessgerät in-situ an ein- und zweischichtigen Betonfahrbahndecken überprüft werden. Insbesondere sollen auch jahres- und tageszeitlich sowie witterungsbedingte Schwankungen (Feuchte bzw. Temperatureinfluss) der Verformungen mit erfasst werden. Mit Originalausgangsstoffen der jeweiligen Versuchsstrecken werden Laborprobekörper hergestellt. Der Einfluss des Feuchtezustands von RC-Betonzuschlag beim Einbau (kernfeucht bzw. trocken) auf das Aufschüsseln (Aufwölben) wird an ein- und zweischichtigen Betonbalken untersucht. Die Betonbalken werden an der Unterseite befeuchtet (schlechte Entwässerung) bzw. abgedichtet (gute Entwässerung). An der Oberseite können sie bei unterschiedlichen Luftfeuchten austrocknen und werden zyklisch wiederbefeuchtet, um den Einfluss von Niederschlägen zu erfassen.