Die Strahlungsabsorption des atmosphärischen Aerosols ist einer seiner Haupteffekte im Einfluss auf die solar-terrestrische Energiebilanz und damit auf das Klima. Die Absorption wird im Wesentlichen durch drei Komponenten verursacht: Ruß, Mineralstaub und absorbierende Organika. Allerdings sind die relativen Beiträge dieser Stoffe aus anthropogenen und natürlichen Quellen nicht gut bekannt. Der vorliegende Antrag zielt daher auf eine Quantifizierung Ruß-, Staub- und organischen Anteils, basierend auf der Analyse der chemischen Zusammensetzung und Struktur viele einzelner Partikel mittels Elektronenmikroskopie. Das östliche Mittelmeer wurde als Fokusregion ausgewählt, da hier im Frühjahr eine komplexe Mischung von Aerosol aus der Biomassenverbrennung, anthropogenen Emissionen, marinem Aerosol und afrikanischem sowie asiatischem Wüstenstaub entsteht. Die vorgeschlagenen Arbeiten werden in Verbindung mit einer von dritter Seite finanzierten großen Flug- und Bodenmesskampagne durchgeführt. Hierbei ergibt sich die einmalige Gelegenheit, Messungen aus der Fokusregion in Verbindung mit einer Vielzahl anderer atmosphärischer Messungen sowie Aerosol- und Wolkenmessungen zu erhalten. Hauptziele des Projektes sind: A) Charakterisierung der Aerosolzusammensetzung: Aerosoltypen werden an Hand chemischer Merkmale identifiziert und quantifiziert. Größenverteilungen der chemischen Zusammensetzung werden erstellt für Partikel kleiner 2.5 mym aus der relativen Zusammensetzung und externen Größenverteilungsmessungen, für größere Partikel direkt aus spezialisierten Sammelverfahren. B) Aufteilung in volatile / nichtvolatile Komponenten: entsprechende Komponenten werden auf Einzelpartikelbasis identifiziert und quantifiziert. Typen nichtvolatiler Komponenten werden unterschieden. C) Aufteilung nach Staub- / Ruß-Absorption für Einzelpartikel: Der absorbierende Anteil im atmosphärisch alterierten Aerosol wird an Hand chemischer und morphologischer Kriterien identifiziert. Durch Bildanalyse wird der jeweilige Volumenbeitrag bestimmt. Die Konzentration absorbierender Anteile wird dann zur Bestimmung der relativen Beiträge von Staub und Ruß genutzt. Rußmikrosktruktur und chemische Zusammensetzung werden genutzt, um Haupt-Rußquellen zu identifizieren. D) Ermittlung des Einflusses der Staubquelle auf die Staubabsorption: Die Absorption, modelliert durch die Staubzusammensetzung, wird im Hinblick auf die jeweilige Quelle untersucht; basierend auf einer Jahreszeitreihe können so systematische Zusammenhänge aufgedeckt werden. Insgesamt wird das vorgeschlagene Projekt neue und detailreiche Einsichten in die Beiträge zur Absorption und den Mineralstaub-Beitrag zum Strahlungsantrieb in einer belasteten und gemischten Umgebung liefern, möglicher Zusammenhänge zwischen Staubquelle und Absorption aufdecken und Information über die Haupt-Rußquellen liefern.
Das Absorptionsvermoegen der Atmosphaere fuer kurzwellige Strahlung zwischen 0.3 und 3.5 Mikrometer Wellenlaenge soll am Boden und vom Flugzeug aus gemessen werden. Erfasst werden die Absorption durch Wasserdampf, in Wolkentropfen und in Partikeln. Hauptziel sind Absorptionsmessungen als Funktion der Hoehe unter stark wechselnden Bedingungen, d.h. in Wolken und bei durchbrochener Bewoelkung.
Die Photovoltaik hat sich in den letzten Jahren mit der dominierenden Silizium-Technologie sehr erfolgreich entwickelt. Damit Menschen in Zukunft noch mehr Sonnenenergie nutzen können und so den Anteil der erneuerbaren Energien deutlich steigern, gilt es, die Stromgestehungskosten noch weiter zu senken. Ein möglicher Weg zur Kostensenkung ist, den Wirkungsgrad zu steigern, also beispielsweise mit Solarzellen möglichst viel elektrische Energie durch einfallendes Sonnenlicht zu erzeugen. Das Potential der reinen Silizium-Photovoltaik, den Wirkungsgrad noch weiter zu steigern, ist aber bereits weitgehend ausgeschöpft. Stapelt man in einem Bauelement aber Silizium-Solarzellen mit anderen Solarzellen zu sogenannten Tandems kann der Wirkungsgrad weiter gesteigert und auch die Kosten gesenkt werden. In solchen Tandemsolarzellen wandelt eine obere Solarzelle mit einer höheren Bandlücke Photonen mit hoher Energie (UV und blaues Licht) effizient in Elektrizität um, während eine untere Solarzelle mit einer niedrigeren Bandlücke niederenergetisches Sonnenlicht (rot bis infrarot) nutzt. Somit werden Photonen über ein breites Spektrum absorbiert und gleichzeitig wird der Energieverlust minimiert. Diesen Energieverlust zu minieren ist das Kernziel der neuen Nachwuchsgruppe am Helmholtz-Zentrum Berlin: es sollen hocheffiziente Tandemzellen, bestehend aus Perowskit- und Siliziumsolarzellen, realisiert werden. Dazu untersuchen die Forscher/innen die grundlegenden Zusammenhänge zwischen dem Einsatz neuer Materialien, experimenteller Analytik und bauteilrelevanter Simulationen. Die organisch-anorganische Halbleitermaterialien der Metall-Halid Perowskite hatten ihren Wirkungsgrund in nur acht Jahren von niedrigen 3,8 Prozent auf erstaunliche 22,1 Prozent in 2016 steigern können und gelten daher als neuer Popstar in der Photovoltaik. Dabei sind die Effizienzen der Perowskit Solarzellen nunmehr auf dem Niveau anderer Dünnschichttechnologien. Perowskite bieten dabei sogar den Vorteil der Prozessierung aus der Lösung bei niedrigen Temperaturen und könnten dementsprechend in Zukunft relativ kostengünstig hergestellt werden. Durch die Kombination von Perowskit und Silizum in einem Tandem-Bauelement könnten in Zukunft Effizienzen von über 30 Prozent erreicht werden ohne dabei erhebliche Mehrkosten bei der Herstellung zu verursachen. Zur Kommerzialisierung von Perowskit-basierten Materialien in der Photovoltaik müssen die Langzeitstabilität des Halbleiters verbessert und die Bauteiltechnologie optimiert werden. Außerdem könnte der toxische Schwermetallbestandteil des Halbleitermaterials die Umwelt belasten. Die Nachwuchsgruppe untersucht den Einsatz neuer Perowskit-Materialien und will durch gezielte experimentelle Analytik und bauteilrelevanten Simulationen ein Grundlagenverständnis generieren. Mit diesen gewonnenen Ergebnissen soll die Optimierung von hocheffizienten Tandemzellen bestehend aus Perowskit- und Silizium-Solarzellen, realisiert werden.
Im Gegensatz zu petrochemischen Synthesen, die fossile Kohlenstoffquellen verwenden, basieren die xylochemischen Synthesen im Idealfall ausschließlich auf nachhaltigen Rohstoffen wie holziger Biomasse oder Cashewnussschalen. Das vorgeschlagene Projekt hat die Entwicklung xylochemischer Synthesen chemischer Produkte wie UV-Absorber, Farbstoffe, Kunststoffe und Pharmazeutika zum Ziel. Bisher sind Konzepte zur Synthese dieser komplexen organischen Verbindungen unter vorwiegender oder gar ausschließlicher Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen selten oder gänzlich unbekannt.
Im Projekt wird eine effiziente Atmosphärenkorrektur über Wasser, sowohl für den offenen Ozean, Küstengewässer als auch Binnengewässer, wie Seen, mit charakterisierter Unsicherheit als Vorbereitung für die wissenschaftlichen Nutzung der hyperspektralen Mission EnMAP entwickelt. Die Umsetzung erfolgt durch Simulationen mit dem gekoppelten Ozean-Atmosphäre Strahlungstransportmodell (RTM) SCIATRAN (Rozanov et al. 2014) und Anwendung an jetzt schon frei (d.h. kostenfrei) zugänglichen oberhalb der Atmosphäre gemessenen Reflektanzdaten (RTOA) der Satellitensensoren SCIAMACHY, HYPERION und HICO. Durch RTM werden charakteristisch für verschiedene Gewässertypen Absorptions- und Streuprozesse in der Atmosphäre, aber auch Effekte durch angrenzende Land- und Wolkenflächen ( Mischpixeln, benachbarte Pixel sehr unterschiedlicher Helligkeit), Glint und Wasserbodenrückstrahlung simuliert und die dazugehörige Wasserreflektanz (RRS) bei allen Wellenlängen berechnet. Diese Simulationen werden dann invers genutzt, um ein Korrekturschema für die o.g. Effekte zu entwickeln und RRS auszuwerten. Speziell wird untersucht, ob die für MERIS von HYGEOS entwickelte Atmosphärenkorrektur POLYMER (Steinmetz et al. 2011) auch für hyperspektrale Daten genutzt und angepasst werden kann. Die Unsicherheit der entwickelten Atmosphärenkorrektur wird durch Sensitivitätsstudien mit SCIATRAN, Vergleichen und Validierung mit in-situ RRS-Messungen (für Küsten- und Binnengewässer durch die HZG zur Verfügung gestellt) und Satelliten-RTOA und RRS-Daten multispektraler Sensoren bestimmt. Der entwickelte Algorithmus wird mit HICO, HYPERION und SCIAMACHY Daten vor dem Start des EnMAP-Betriebs getestet, was ein Herunterskalieren auf die spektrale Auflösung von ENMAP beinhaltet. Nach dieser Überprüfung wird das atmosphärische Korrekturschema in die EnMap-Box intergriert. Die simulierten und Satelliten-RRS-Daten können dann in dem HZG-Vorhaben zur Entwicklung von Algorithmen genutzt werden.
Der vorliegende Antrag der MLU ist Teil des Verbundprojektes STRUKTURSOLAR II. Die Anwendung innovativer Strukturierungskonzepte in Solarzellen der nächsten Generation für verbesserte Wirkungsgrade bei reduziertem technologischen Herstellungsaufwand soll erforscht werden. Dabei sollen die vorhandenen Kompetenzen in der Grundlagenforschung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und anwendungsorientiertes Know-how der Hochschule Anhalt (HSA) in einem kooperativen Forschungskolleg zusammengeführt werden. Mehrere Promotionsthemen sollen jeweils in Teilen an beiden Hochschulen bearbeitet werden. Das Projekt adressiert Themen der Strukturierung sowohl von Dünnschichtmodulen (Mikrostrukturierte CIGSe Kontakte, Thermische Laser Strukturierung, Perowskitsolarzellen auf Silicium, Strukturierte Substrate) als auch von Siliciumwafer-basierten Solarzellen (Plasmastrukturiertes schwarzes Silicium, Makroporöses Silicium, Defektlokalisierung von PERC-Kontakten). Die Plasmatexturierung zur Präparation von hochabsorbierenden Silicium Oberflächen (schwarzes Silicium) und anschließende Passivierung sollen bis hin zu kompletten Solarzellen weiter optimiert werden. Alternativ soll makroporöses Silicium mittels metall-unterstützter chemischer Ätzung die Absorption erhöhen. Strukturierte Rückkontakte von PERC Zellen sollen mittels abbildender Methoden im Hinblick auf Defekte untersucht werden. Die Zusammenführung der neuartigen Perowskitsolarzellen und Wafer Silicium soll mittels nasschemischer und physikalischer Verfahren erforscht werden. Auch für Dünnschichtsolarzellen ist das Photonenmanagement durch Strukturierung ein vielversprechendes Thema. Hierbei geht es sowohl um die Optimierung eines strukturierten Rückkontaktes z.B. von CIGSe Solarzellen als auch um die Lichteinkopplung durch plasmastrukturierte Substrate. Das Modulthema der integrierten Serienverschaltung soll mit dem neuen Thema der thermischen Laserstrukturierung vorangetrieben werden.
Clouds are important sources and sinks of diabatic heat, not only in terms of latent heat release but also with respect to absorption of solar radiation as well as absorption and emission of thermal radiation. Additionally, cloud shadows on the ground modify surface heating and thus sensible and latent heat fluxes. Although it has been demonstrated that cloud top cooling may reach values of several 100 K/day and that this may have a strong impact on cloud microphysics and local cloud evolution, it has not been demonstrated that there is actually an effect on weather, larger scale dynamics, and on atmospheric flow. This is even more true for radiative cooling from cloud sides which has been shown to reach values comparable to cloud top cooling but is completely neglected by any (one-dimensional) radiation scheme in current NWP or climate models. Radiation firstly affects the growth of cloud droplets, increasing (in case of thermal cooling) or decreasing (in case of solar heating) the rate by which they dissipate the energy released by latent heat. Secondly, the surrounding air is cooled or heated which directly feeds back on dynamics. The aim of the project is to study the question if realistic, three-dimensional radiative heating rates have an impact on cloud formation, and if there is an impact on atmospheric flow beyond cloud scale. To answer these questions, a reasonably fast but accurate representation of radiative heating rates in clouds will be developed for a cloud scale (EULAG) and an NWP model (COSMO). The project builds upon our previous work on three-dimensional heating and cooling rates and on development of reasonably fast approximations. A parameterization of heating rates depends strongly on the scale. For a cloud-resolving model like EULAG with a 100 m grid size and smaller, different approaches are needed compared to a numerical weather forecast model like COSMO: A cloud-resolving model allows properly resolving the radiation processes, but three-dimensional radiation transport requires interaction between many grid columns in the calculation which is a challenge for parallelization. The resolution of COSMO, on the other hand, requires parameterization of un-resolved cloud edge effects and sub-pixel cloudiness, but would need less interaction between individual grid columns. As a first step, we will study the impact of radiative heating and cooling in clouds on local circulation at cloud scale. For that purpose, an accurate yet fast approximation for 3D solar and thermal heating and cooling rates will be developed for the EULAG model in order to systematically study effects for a set of cloud-resolving simulations. (abridged text)
Im Projekt NanoFIM soll eine neue Art von Nanofaser-Isolationsmaterialien entwickelt und als höchstwärmedämmendes Material für energieeffiziente Baustoffe und Gebäude eingesetzt werden. Die verbesserte Wärmedämmung mindert die benötigte Heizenergie und setzt durch eine Reduktion des Primärenergieverbrauchs und der CO2-Emission direkt die Vorgaben der Energiewende um. Grundlage ist das Konzept von Nanoisolationsmaterialien (NIM), bei denen nm-große Poren die Wärmeleitung unterdrücken. Wir werden diese Idee erstmalig mit einem Faser-artigen Aufbau verbinden. Im Teilprojekt sollen hohle Polymernanofasern entwickelt und untersucht werden, die durch ihre Geometrie die Leitung von Wärme wirksam unterbinden. Zusätzlich sollen die Nanofasern mit Lichtabsorbierenden nanoskaligen Kohlenstoffen ausgerüstet werden, um die Wärmeleitung durch Strahlung zu unterdrücken. Aus den Nanofasern werden durch Verspinnen Vliese hergestellt, die entstehenden NanoFIMs werden hinsichtlich thermischer, mechanischer und Benetzungseigenschaften untersucht. Unser Teilprojekt synthetisiert außerdem Proben für Verbundpartner, assoziierte Partner und Interessierte Forschungsinstitute, die sich vor allem mit der Risikoabschätzung der neuen Technologie beschäftigen. Das Vorhaben gliedert sich in 4 Arbeitspakete, die im Format 'AP Name: Beitrag des Teilprojekts FUB' aufgeführt sind. AP1) Dispersion, Nanofasern, Nullproben: Herstellung von Dispersionen und Spinnen polymerer Nanofasern AP2) Nanofaservliese und Baustoffbeschichtungen: Entwicklung und Optimierung von NanoFIMs als thermisch isolierenden Werkstoff AP3) Additiva in Dämmmaterialien und Baustoffen: Optimierung von Nanofasern und Vliesen als Additiv für thermisch optimierte Baustoffe AP4) Skalierung, Demonstratoren und Nachhaltigkeit: Nachhaltigkeit, Sicherheit und Skalierung.
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| Bund | 73 |
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| Förderprogramm | 73 |
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| offen | 73 |
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