Wir wollen die Rolle von Hyperthermie im Massenaussterben an der Perm/Trias-Grenze, der größten biotischen Krise in der Erdgeschichte, verstehen. Trotz ihrer erheblichen Bedeutung für die Evolution des Lebens werden die auslösenden Mechanismen für diese Krise noch immer sehr kontrovers diskutiert. Dieses Massenaussterben ist das gravierendste vergangene Beispiel einer durch Klimaveränderungen, besonders durch globale Erwärmung, ausgelöste Krise. Sie kann daher als ein Analogon für die Reaktion der Biodiversität auf die zukünftige anthropogene Klimaänderung angesehen werden. Wir schlagen hier ein Forschungsprojekt vor, in welchem die Konsequenzen von Stress durch Erwärmung während des end-Permischen Massenaussterbens und der Erholung in der frühen Trias untersucht wird. Wir wählen die Ostracoden als Modell-Organismen für simultane Untersuchungen ihrer Evolutionsgeschichte und ihrer Reaktion auf Klimaveränderungen (besonders hinsichtlich der Erwärmung am Perm/Trias-Grenzintervall). Die zu untersuchenden Aufschlüsse liegen im Nordwest-Iran (Region von Julfa), Zentraliran (Region von Abadeh) und dem Zagros-Gebirge (Region von Esfahan); diese Regionen repräsentieren Tiefschelf- bis Flachwasser-Habitate. Unsere Studie wird die Untersuchung von Isotopengeochemie (Analysen von delta13C und delta18O) unter Anwendung der SIMS-Technologie von Ostracodenschalen beinhalten. Außerdem werden die Ostracoden-Vergesellschaftungen hinsichtlich ihrer taxonomischen Diversität, morphologischen Disparität, Grad des Endemismus, Veränderungen in der Größe der Individuen usw. untersucht.
Das Wattenmeer, das sich von Den Helder in den Niederlanden bis nach Skallingen in Dänemark erstreckt, ist ein Prototyp für eine durch den Meeresspiegelanstieg bedrohte Küstenregion. Über 50% des Wattenmeeres besteht aus Wattflächen, die nur während eines Teils des Gezeitenzyklus von Wasser bedeckt sind. Dadurch wird das einzigartige Küsten-Ökosystem des Wattenmeeres geformt, das aufgrund von Akkumulation von Sediment aus der Nordsee den Meeresspiegelanstieg der letzten Jahrhunderte überleben konnte. Angesichts der beobachteten Beschleunigung des Meeresspiegelanstieges stellt sich die Schlüsselfrage, bis zu welcher Rate des Meeresspiegelanstieges diese Sedimentakkumulation für das Überleben des ausreicht. Diese Frage ist hochkomplex, da die Sedimentflüsse in das Wattenmeer selbst von der Rate des Meeresspiegelanstieges sowie von anderen klimatischen Einflüssen und von der Sedimentverfügbarkeit in nicht-linearer Weise abhängen. Es ist bekannt, dass Netto-Sedimentflüsse durch von nicht-linearen Flachwassergezeiten und horizontalen Dichtegradienten (aufgrund von Niederschlag, Süßwasserabfluss und Oberflächen-Wärmeflüssen) bedingten Gezeitenasymmetrien angetrieben werden. Die Nichtlinearität der Gezeiten wiederum hängt vom Meeresspiegelanstieg selbst ab und die horizontalen Dichtegradienten variieren mit klimabedingten Änderungen von Verdunstung/Niederschlag und Abkühlung/Erwärmung. Weiterhin hängen Sedimentflüsse vom Windantrieb ab, der ebenfalls mit dem Klima variiert. Obwohl ein fundiertes Verständnis der zugrundeliegenden Sedimenttransportprozesse im Wattenmeer vorliegt, werden für Projektionen von morphologischen Veränderungen weiterhin einfache vertikal integrierte Modelle verwendet. Die Erkenntnisse, die aus solchen Modellen gewonnen werden, sind daher sehr eingeschränkt. Das wichtigste Ziel dieses Projektes ist daher, mögliche morphologische Reaktionen des Wattenmeeres auf einen beschleunigten Meeresspiegelanstieg und andere Aspekte des Klimawandels sowie Einflüsse von Sedimentverfügbarkeit mit Hilfe eines prozess-basierten Modells zu untersuchen. Dabei werden die wichtigsten Antriebe für Sedimenttransportprozesse in das Wattenmeer berücksichtigt. Zunächst sollen diese Modellsimulationen in systematischer Weise unter Nutzung verschiedener idealisierter Bathymetern durchgeführt werden, um die kritischsten Prozesse morphodynamischer Veränderungen zu erkennen. Mit Hilfe dieser Bathymeter können die Einflüsse des Meeresspiegelanstieges in Kombination mit anderen Einflussfaktoren (Niederschlag/Verdunstung, Abkühlung/Erwärmung, Wind-Wellenantrieb) untersucht werden. In einer zweiten Phase des SPP, unter der Annahme, dass die verfügbaren Computer Ressourcen weiter anwachsen, sollen solche Simulationen für realistische und komplexere Gezeitenbecken im Wattenmeer durchgeführt werden. In beiden Phasen des SPP soll die Dynamik von Salzwiesen explizit mit untersucht werden.
Chlorinated ethylenes are prevalent groundwater contaminants. Numerous studies have addressed the mechanism of their reductive dehalogenation during biodegradation and reaction with zero-valent iron. However, despite insight with purified enzymes and well-characterized chemical model systems, conclusive evidence has been missing that the same mechanisms do indeed prevail in real-world transformations. While dual kinetic isotope effect measurements can provide such lines of evidence, until now this approach has not been possible for chlorinated ethylenes because an adequate method for continuous flow compound specific chlorine isotope analysis has been missing. This study attempts to close this prevalent research gap by a combination of two complementary approaches. (1) A novel analytical method to measure isotope effects for carbon and chlorine. (2) A carefully chosen set of well-defined model reactants representing distinct dehalogenation mechanisms believed to be important in real-world systems. Isotope trends observed in biotic and abiotic environmental dehalogenation will be compared to these model reactions, and the respective mechanistic hypotheses will be confirmed or discarded. With this hypothesis-driven approach it is our goal to elucidate for the first timdehalogenation reactions.
In einem Plug-Flow-Reactor soll mit hoher zeitlicher Auflösung untersucht werden, wie der Einfluss der veränderten Spezieskonzentrationen in Oxyfuel-Atmosphären die Pyrolyse und den Koksabbrand beeinflussen. Dazu wird neben Feststoffprobenahme, Gasanalysetechniken und Teeranalysen auch ein optisches Verfahren eingesetzt, um die Koksabbrandphase zu untersuchen. Die Versuche dazu werden unter hohen Temperaturen und Aufheizraten durchgeführt, wie sie typisch sind für die Zünd- und Flammenzone in Oxyfuel-Kohlenstaubbrennkammern. Quantitatives Ziel ist die Ermittlung von Pyrolysefreisetzungs- und Koksabbrandraten. Basierende auf diesen Ergebnissen können Globalkinetiken für Pyrolyse und Koksabbrand zur Integration in CFD Codes formuliert werden.
The development of sustainable and efficient energy conversion processes at interfaces is at the center of the rapidly growing field of basic energy science. How successful this challenge can be addressed will ultimately depend on the acquired degree of molecular-level understanding. In this respect, the severe knowledge gap in electro- or photocatalytic conversions compared to corresponding thermal processes in heterogeneous catalysis is staggering. This discrepancy is most blatant in the present status of predictive-quality, viz. first-principles based modelling in the two fields, which largely owes to multifactorial methodological issues connected with the treatment of the electrochemical environment and the description of the surface redox chemistry driven by the photo-excited charges or external potentials.Successfully tackling these complexities will advance modelling methodology in (photo)electrocatalysis to a similar level as already established in heterogeneous catalysis, with an impact that likely even supersedes the one seen there in the last decade. A corresponding method development is the core objective of the present proposal, with particular emphasis on numerically efficient approaches that will ultimately allow to reach comprehensive microkinetic formulations. Synergistically combining the methodological expertise of the two participating groups we specifically aim to implement and advance implicit and mixed implicit/explicit solvation models, as well as QM/MM approaches to describe energy-related processes at solid-liquid interfaces. With the clear objective to develop general-purpose methodology we will illustrate their use with applications to hydrogen generation through water splitting. Disentangling the electro- resp. photocatalytic effect with respect to the corresponding dark reaction, this concerns both the hydrogen evolution reaction at metal electrodes like Pt and direct water splitting at oxide photocatalysts like TiO2. Through this we expect to arrive at a detailed mechanistic understanding that will culminate in the formulation of comprehensive microkinetic models of the light- or potential-driven redox process. Evaluating these models with kinetic Monte Carlo simulations will unambiguously identify the rate-determining and overpotential-creating steps and therewith provide the basis for a rational optimization of the overall process. As such our study will provide a key example of how systematic method development in computational approaches to basic energy sciences leads to breakthrough progress and serves both fundamental understanding and cutting-edge application.
Im Rahmen des Teilprojekts Modellierung des Forschungsverbundvorhabens 'Nachhaltige Altlastenbewältigung unter Einbeziehung des natürlichen Reinigungsvermögens' wird ein Prognoseinstrument entwickelt, das die Ausbreitung und den Abbau von Schadstoffen in der (un-)gesättigten Bodenzone in Form einer numerischen Simulation abbildet. Dazu musste in der ersten Projektphase ein existierendes Simulationswerkzeug (Richy1D) insbesondere um die Beschreibung von natürlichen Abbauvorgängen erweitert werden. Die nötigen Arbeiten auf dem Gebiet der Modellentwicklung resultierten zunächst in Implementierungen von Abbaumechanismen 0. und 1. Ordnung, die bereits lineare, irreversible Reaktionsnetzwerke mit beliebigen Reaktionspartnern abbildbar machen. Derartige Abbauketten sind etwa zur vereinfachten Beschreibung des LHKW-Abbaus weit verbreitet. Die Abhängigkeit der Reaktionsraten von Vorhandensein und Aktivität lebender Organismen, die diese Abbauvorgänge katalysieren, wird vom Monod-Modell widergespiegelt. Dieses wurde formuliert und implementiert für Umsetzungen mit beteiligter Biomasse und zwei Reaktionspartnern, dem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptor (sog. 3-Komponentenmodell). Die Berücksichtigung des Konzepts der Redoxzonen, in welchen unterschiedliche Mikrobenspezies agieren und verschieden Abbauwege möglich sind, mündet in der Formulierung eines allgemeinen Monod-Modells mit einer beliebigen Anzahl von unterschiedlichen Biomassenspezies, Abbauwegen, Reaktionspartnern und Hemmstoffen. Um schließlich allgemeinste chemische Reaktionsgleichgewichte oder Kinetiken berücksichtigen zu können, wird derzeit an der Realisation eines allgemeinen Mehrkomponentenmodelles gearbeitet. Die Nutzung komplexer Simulationsmodelle für reale Fallstudien stellt hohe Anforderungen an die Datenlage der Standorte. Ein Hilfsmittel zur Gewinnung von Modellparametern stellt die Identifizierung dieser mittels inverser Simulation geeigneter (Säulen-) Experimente dar. Die am Lehrstuhl entwickelte Software wurde hier entsprechend den Anforderungen eines Teilprojekts einem speziellen Experimentdesign, dem sog. Kreislaufexperiment, angepasst. Desweiteren wurde eine neue Parametrisierungsmöglichkeit für die zu identifizierenden Funktionen geschaffen, welche zu verbesserter numerischer Stabiliät führt. Die Funktionen sind nun durch monotone, stückweise kubische Splines darstellbar. Die Identifizierungssoftware ist auch auf die Parameter des 3-Komponenten-Monod-Modells erweitert. Zur Erstellung einer räumlich dreidimensionalen, instationären Wasserhaushalts- und Stofftransportsimulation Richy3D wurden zunächst zweidimensionale Vorarbeiten auf die aktuellste Version des Programmbaukastens ug portiert, was sowohl die Verfolgung adaptiver Rechenkonzepte (variable Steuerung numerischer Parameter wie Zeitschrittweite und Feinheit des räumlichen Gitters) ermöglicht, als auch einen übergang zu parallelen Datenstrukturen bietet. Dazu wurde in weiten Teilen die Diskretisierung ...
Um den Einfluss von Modelländerungen die von den anderen Forschungsbereichen des SFB/TRR erarbeitet wurden auf die Resultate von zwei modernen deutschen Klimamodellen (ICON-A/ICON-O und ECHAM6/FESOM) zu beurteilen, werden Metriken und Fehlerdiagnosen entwickelt. Mit Hilfe des 'Earth System Model Validation Tool' werden diese für die Partner verfügbar gemacht. Es sollen Protokolle für numerische Experimente entwickelt werden um die Modelle, ihre Reaktion auf geänderten Antrieb und Randbedingungen effektiv zu evaluieren sowie die Sensitivität auf die numerische Formulierung und Parametrisierungen zu beschreiben.
In Teilprojekt A3 werden Modelle zur Beschreibung der Chlor- und Schwefelchemie bei der Oxyfuel-Verbrennung entwickelt, mit denen die Bildung Cl- und S-haltiger Minoritätenspezies vorhergesagt werden kann, um so die Rückwirkung von Cl- und S-haltigen Spezies auf die Verbrennung zu berücksichtigen. Experimentellen Untersuchungen hierzu erfolgen in einem Flugstromreaktor sowie mittels thermogravimetrischer Analyse. Eine extraktive Messtechnik mit Massenspektrometer für hochreaktive S- und Cl-Spezies wird entwickelt und erprobt.
Zur nachhaltigen Sicherung der Energie- und Stromversorgung wird zukünftig neben Kernenergie und regenerativer Energiebereitstellung weiterhin der Rückgriff auf fossile Brennstoffe, wie Kohle, Öl und Erdgas, unverzichtbar bleiben. Bei konventionellen Kraftwerkstechnologien werden jedoch Treibhausgase freigesetzt, während gleichzeitig deren Reduzierung weltweit hohe Priorität hat. Zur Lösung dieses Zielkonflikts werden 'Carbon Capture and Storage' (CCS)-Methoden diskutiert, wobei die Oxyfuel-Verbrennung eine der vielversprechendsten Technologien zur CO2-Abscheidung darstellt. Bei diesem Verfahren wird der Brennstoff anstelle von Luft mit einem Gemisch aus Sauerstoff und rezirkuliertem Rauchgas verbrannt, um so ein hoch CO2-haltiges Abgas zu erzeugen, das nach weiteren sekundären Reinigungsschritten abgetrennt werden kann. Der Ersatz des Stickstoffanteils der Luft durch CO2 und H2O führt zu einem völlig neuen Verbrennungsverhalten, das auch zu Instabilitäten sowie zum örtlichen Verlöschen der Flamme führen kann. Die korrekte Beschreibung dieses Verbrennungsverhaltens erfordert entsprechende physikalisch und chemisch motivierte Modelle für diese spezielle Gasatmosphäre. Deshalb sollen bis zum Projektende des Sonderforschungsbereichs/Transregio die folgenden Erkenntnisse, Daten und Modelle zur Verfügung stehen: (1) Belastbare Modelle durch grundlegendes Verständnis der beteiligten Prozesse und deren Abhängigkeit von den jeweiligen Einflussparametern, von der Mikroskala bis hin zur skalenübergreifenden Interaktion, (2) Basisdaten zur Vorhersage der Wärmeübertragung von der Flamme an die Wände und Einbauten in Kraftwerkskesseln mit Oxyfuel-Atmosphäre, (3) Verlässliche Berechnungsgrundlagen für die Entwicklung und Auslegung von Brennern und Feuerräumen für Oxyfuel-Kraftwerke mit Feststoffverbrennung. Im Sonderforschungsbereich/Transregio arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der RWTH Aachen, Ruhr-Universität Bochum und TU Darmstadt zusammen.
In einem Well-Stirred-Reaktor wird die Kinetik in Oxyfuel-Atmosphäre, d.h. die Freisetzung von Masse und Energie aus einem Brennstoffpartikel, experimentell und theoretisch untersucht. Aufbauend auf Referenzbedingungen (Luftatmosphäre, reiner Kohlenstoff als Brennstoff) werden in Experimenten Pyrolyse und Koksabbrand getrennt untersucht und die Konzentrationen der gasförmigen Reaktionsprodukte mittels eines FTIR-Spektrometers gemessen. Basierend hierauf sollen existierende Kinetikmodelle für die Pyrolyse und den Koksabbrand auf ihre Eignung in Oxyfuel-Atmosphäre geprüft und bei Bedarf neu formuliert werden. Die Ergebnisse werden mit Teilprojekt A2 abgeglichen.
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| Bund | 193 |
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| Förderprogramm | 193 |
| License | Count |
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