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Entwicklung eines fernerkundungsbasierten Monitoringverfahrens auf Grundlage einer physiologisch fundierten Vitalitätsbewertung von Hauptbaumarten in Mischbeständen, Teilvorhaben 3: Spektralanalyse

Im Zuge des Klimawandels steigt der Informationsbedarf zur Vitalitätsentwicklung von Wäldern und Baumarten und deren Reaktionen auf Störungsereignisse wie Sturm oder Kalamitäten. Da detaillierte Information häufig fehlen, sind die zahlreich verbreiteten Abschätzungen hierzu teils widersprüchlich und spekulativ. Parallel zur terrestrischen Waldzustandserfassung ist die forstliche Fernerkundung bemüht, diese Informationslücke zu schließen. Allerdings ist die Unterscheidung von Baumarten und deren Vitalitätszustand noch immer problematisch. Zur Erhebung dieser Messwerte fehlen belastbare baumphysiologisch belegte Zusammenhänge. Dafür bieten sich Verfahren der Fernerkundung an, wenn über eine rein empirische Erhebung hinaus die Ableitung baumphysiologischer Parameter gelingt. Mit dem aktuellen Forschungsvorhaben soll eine Brücke zwischen den modernen Möglichkeiten der forstlichen Fernerkundung und Gehölzphysiologie geschlagen werden. Ein im Wald installierter 40 m hoher Drehkran am GFZ TERENO-Forschungsstandort im Raum Demmin (MV) bietet dabei für FeMoPhys einzigartige Möglichkeiten. Das Vorhaben verfolgt folgende Ziele: 1. Untersuchung von Zusammenhängen zwischen stressbedingten, physiologischen Veränderungen in Baumkronen, Stamm und Wurzeln und deren Quantifizierbarkeit durch 'Messung von außen' 2. Verknüpfung des methodischen Knowhow der baumphysiologischen Diagnostik und den Verfahren der hyper-/multispektralen und thermalen Diagnostik von Baumkronen 3. Identifikation klimasensitiver Areale auf der Basis von Flächendaten und baumphysiologischen Untersuchungen speziell für Hauptbaumarten 4. Entwicklung eines einfach zugänglichen Informationsproduktes zum Waldzustand Das Projekt will einen Forest Vulnerability Index anvisieren, der Zielgrößen wie Anfälligkeit für Insektenbefall und Dürreschäden ausgibt. Dieser und weitere Indizes können kombiniert werden, und so helfen, Risikos für Kaskadeneffekte und die Überschreitung von Kipppunkten abzuschätzen.

Biologischer Abbau aromatischer Kohlenwasserstoffe im Abgas

Ein Biofilter mit Kompost, Rindenmulch und Heidekraut als Traegermaterial ist als halbtechnische Anlage mit einer variierbaren Schichthoehe von 0,5 m bis I m und einer Grundflaeche von 0,35 m ausgestattet. Dieser Filter wird zur Untersuchung des Abbauverhaltens einzelner KWH, dann komplexer Gasmischungen unter weitgehend praxisnahen Bedingungen eingesetzt. Ueber die Ermittlung des optimalen Betriebspunktes des Biofilters hinaus soll durch Einsatz einer Fuellkoerperkolonne der Stoffuebergang am feuchten Biofilm und Rieselwasser bei unterschiedlicher Beeinflussung der Mikrobiologie untersucht werden. Variierte Parameter sind Fuellkoerpergroesse, -form und -material, Naehrsubstratzugabe im Rieselwasser oder als Festkoerperauflage sowie Gaszusammensetzung und Berieselungsdichte.

Biochemische Rückgewinnung von Kupfer (Kreislaufwirtschaft) aus Abwasseremissionen (z.B. Leiterplattenfertigung)

Die gekoppelte Eliminierung und Rückgewinnung von Kupfer aus Abwassergemischen stellt ein zukünftig nur noch durch produktionsintegrierte Maßnahmen lösbares verfahrenstechnisches Problem dar, da zunehmend neben der Reinigung des Wassers auch die Wertstoffrückgewinnung und damit die ressourcenminimierte Produktion in den Vordergrund der Zielsetzung steht (Kreislaufwirtschaft). Hierbei gilt es, auf die schwierigen Reaktionsbedingungen bei kupferbelasteten Abwässern (extrem niedrige pH-Werte) und die notwendige Produktreinheit des Kupfers zu achten. Den biologischen Prozessen wurde daher bisher nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt, obwohl gerade hier ein großes Potential zur Problemlösung bei Vermeidung der Nachteile andrer Verfahren gegeben ist. In Vorversuchen konnte gezeigt werden, dass eine solche Kupferrückgewinnung möglich wird, wenn eine gekoppelte chemische/ biochemische Redoxreaktion zur Anwendung kommt. Dem im Wasser sulfidisch gelösten Kupfer wird Eisen aus z.B. Eisenschrott zur Substitution angeboten, so dass Kupfer in reiner Form ausfällen kann (Bestandteil des hier beantragten Forschungszeitraums). Das entstehende Eisensulfat wird hierzu durch Mikroorganismen (thiobacillus ferrooxidans) oxidiert und der Gleichgewichtsreaktion entzogen. Allerdings liegen bisher keine hinreichenden Grundlagenkenntnisse zur detaillierten Beschreibung und Modellierung der dieses Verfahren bestimmenden Reaktionen und reaktionsbeeinflussenden Parameter vor. Die Erarbeitung von Auslegungskriterien sind Inhalt dieses Antrages.

Auswirkungsuntersuchungen zur Unkrautbekaempfung auf Gleisanlagen durch Infrarotbestrahlung

Die unverzichtbare Entfernung des Pflanzenwuchses auf den Gleisanlagen der Bundesbahn soll zukuenftig umweltvertraeglicher durch physikalische (thermische) Verfahren erreicht werden, statt wie bisher massiv die chemische Keule einzusetzen und damit das Grundwasser zu gefaehrden. Das Ziel dieses Projektes besteht in der Kontrolle und Optimierung von Verfahrensparametern der Infrarotbestrahlung, wie Fahrgeschwindigkeit des Unkrautbekaempfungszuges, Temperatur, Strahlerabstand, Wiederholungshaeufigkeit usw.

Entwicklung und Vergleich von Membranverfahren zur Leistungssteigerung der kommunalen Abwasserreinigung durch die Kombination von Belebungsbiologie und Mikrofiltration sowie Bau und Optmierung einer technischen Versuchsanlage

Wasserwirtschaftliche Unterhaltung, Forschung in der quantitativen Gewässerkunde

Entwicklung von Verfahren zur Bestimmung und Analyse quantitativ gesicherter gewässerkundlicher Parameter mit Methoden der moderner Statistik.

Verfahrensentwicklung sowie Untersuchungen zu Dämpf- und Röstprozessen an ausgewählte Bambussortimenten Vietnams

Die thermische und hygrothermische Behandlung vietnamesischer Bambusarten wurde bisher nicht zielgerichtet wissenschaftlich analysiert und keine reproduzierbare Verfahrenstechnik abgeleitet. Ziel der Forschungsarbeiten ist es, Einflussparameter zur gezielten thermischen bzw. hygrothermischen Modifikation des grünen Bambus zu analysieren, Wirkzusammenhänge zwischen diesen Modifikationsparametern und resultierenden physikalischen und chemischen Eigenschaften zu beschreiben und in Modellvorstellungen zu übertragen. Es wird eine zielgerichtete Verfahrenstechnik zur thermischen bzw. hygrothermischen Modifikation von Bambus entwickelt, die auf weitere Bambussortimente Südostasiens übertragbar ist. Hierbei kommt die statistische Versuchsplanung unter Nutzung von Screening-Plänen zum Einsatz. Aus chemischen, physikalischen und strukturellen Untersuchungen werden Wirkzusammenhänge abgeleitet und deren Verallgemeinbarkeit abgeschätzt. Zukünftig führt das Verständnis der Zusammenhänge des Modifikationsprozesses und die Entwicklung eines Verfahrens zur Veredelung von Bambus zu einer deutlichen Erhöhung der Wertschöpfung in Vietnam und beinhaltet somit neben dem wissenschaftlichen Aspekt auch eine perspektivische Entwicklungshilfe.

Forschergruppe (FOR) 2401: Optimierungsbasierte Multiskalenregelung motorischer Niedertemperatur-Brennverfahren, Teilprojekt: Numerische Methoden zur optimierungsbasierten Regelung zyklischer Prozesse

Das Gesamtziel der Forschergruppe ist die Entwicklung von optimierungsbasierten Regelungen für Niedertemperatur-Verbrennungsmotoren. Die untersuchte Anwendung stellt einen schnellen, zyklischen und stark nichtlinearen Prozess dar. In TP2 werden für schnelle nichtlineare zyklische Prozesse die grundlegenden Methoden erarbeitet, die es erlauben, die auftretenden Optimalsteuerungsprobleme effizient zu formulieren und in Echtzeit, was für schnelle Prozesse innerhalb weniger Millisekunden bedeutet, auf eingebetteter Regelungshardware numerisch zu lösen. Als Basisregelstrategie soll die Methode der iterativ lernenden Regelung (ILC) mit der Methode der nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Regelung (NMPC) kombiniert werden. Das Ergebnis soll ein Echtzeititerationsschema für iterativ lernende NMPC (IL-NMPC) sein, das als Zustands- und Parameterschätzer einen Moving Horizon Beobachter (MHE) nutzt. Um die Herausforderung der Echtzeitfähigkeit zu lösen, sollen die in den IL-NMPC-Optimierungsproblemen vorkommenden Strukturen gezielt in der Numerik genutzt werden. Dies betrifft unter anderem die Ausnutzung der Periodizität in der linearen Algebra der MHE- und NMPC-Probleme und die Entwicklung neuer impliziter Integrationsmethoden, die sich durch eine Verzahnung der Ableitungsgenerierung und den IL-NMPC-Optimierungsiterationen auszeichnen. Zunächst soll die IL-NMPC auf Zyklus-zu-Zyklus Basis arbeiten, also mit einer Abtastzeit von 10-60 ms, die der Zyklusdauer entspricht. Hierbei ist entscheidend, dass die Verzögerung des Stelleingriffs wesentlich kürzer als ein Zyklus sein muss, was durch ein Echtzeititerationsschema mit Aufteilen der Rechenzeit in Vorbereitungs- und Feedbackphase ermöglicht wird. In einem zweiten Schritt soll die IL-NMPC um die Fähigkeit des Stelleingriffs auf verschiedenen Zeitskalen erweitert werden. Dies bedeutet, dass nun auch innerhalb des Zyklus Stelleingriffe durchgeführt werden. Zu diesem Zweck sollen Konzepte unterschiedlicher Komplexität erarbeitet werden. Diese reichen bis hin zu der Entwicklung von maßgeschneiderten Multi-Level-Echtzeititerationsschemata, die eine optimierungsbasierte Regelung im kHz-Bereich ermöglichen sollen. Die in dem Teilprojekt entstehenden numerischen Methoden werden für die Anwendung in Verbrennungsmotoren optimiert, sind aber auch applikationsübergreifend für andere zyklische Prozesse einsetzbar. Daher sollen sie im Rahmen eines Tools zur automatischen Codegenerierung der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt werden.

Entwicklung eines fernerkundungsbasierten Monitoringverfahrens auf Grundlage einer physiologisch fundierten Vitalitätsbewertung von Hauptbaumarten in Mischbeständen, Teilvorhaben 2: Vitalitätsdiagnostik mittels Biomarker

Im Zuge des Klimawandels steigt der Informationsbedarf zur Vitalitätsentwicklung von Waldbeständen, zu Baumarten, zu Folgereaktionen von Störungsereignissen wie z.B. Sturm, Kalamitäten, Da detaillierte Information häufig fehlen, sind die zahlreich verbreiteten Abschätzungen hierzu widersprüchlich und spekulativ. Parallel zur terrestrischen Waldzustandserfassung ist die forstliche Fernerkundung seit mehreren Jahrzehnten bemüht, diese Informationslücke zu schließen. Allerdings ist die Unterscheidung von Baumarten bzw. -gattungen und deren Zustand noch immer problematisch. Zur Erhebung dieser Messwerte fehlen u.a. belastbare baumphysiologisch belegte Zusammenhänge. Dafür bieten sich Verfahren der Fernerkundung an, wenn über eine rein empirische Erhebung hinaus die Ableitung baumphysiologischer Parameter gelingt. Vor diesem Hintergrund soll mit dem aktuellen Forschungsvorhaben eine Brücke zwischen den modernen Möglichkeiten der forstlichen Fernerkundung und Gehölzphysiologie geschlagen werden. Ein im Wald installierter 40 m hoher Drehkran am GFZ TERENO-Forschungsstandort im Raum Demmin (Mecklenburg-Vorpommern) bietet dabei für FEMOPHYS einzigartige Möglichkeiten. Das Forschungsvorhaben verfolgt folgende Zielstellungen: 1. Untersuchung von Zusammenhängen zwischen stressbedingten, physiologischen Veränderungen in Baumkronen, Stamm und Wurzeln und deren Quantifizierbarkeit durch 'Messung von außen' 2. Verknüpfung des methodischen Knowhow der baumphysiologischen Diagnostik und den Verfahren der hyper-/multispektralen und thermalen Diagnostik von Baumkronen 3. Identifikation klimasensitiver Areale auf der Basis von Flächendaten und baumphysiologischen Untersuchungen speziell für Hauptbaumarten 4. Entwicklung eines einfach zugänglichen Informationsproduktes zum baumartenspezifischen Waldzustand Das Projekt will einen Forest Vulnerability Index anvisieren, der Zielgrößen wie z.B. Anfälligkeit für Insektenbefall und Dürre-Schäden ausgibt.

Entwicklung eines fernerkundungsbasierten Monitoringverfahrens auf Grundlage einer physiologisch fundierten Vitalitätsbewertung von Hauptbaumarten in Mischbeständen, Teilvorhaben 6: Dendrochronologie und Baummonitoring

Im Zuge des Klimawandels steigt der Informationsbedarf zur Vitalitätsentwicklung von Wäldern und Baumarten und deren Reaktionen auf Störungsereignisse wie Sturm oder Kalamitäten. Da detaillierte Information häufig fehlen, sind die zahlreich verbreiteten Abschätzungen hierzu teils widersprüchlich und spekulativ. Parallel zur terrestrischen Waldzustandserfassung ist die forstliche Fernerkundung bemüht, diese Informationslücke zu schließen. Allerdings ist die Unterscheidung von Baumarten und deren Vitalitätszustand noch immer problematisch. Zur Erhebung dieser Messwerte fehlen belastbare baumphysiologisch belegte Zusammenhänge. Dafür bieten sich Verfahren der Fernerkundung an, wenn über eine rein empirische Erhebung hinaus die Ableitung baumphysiologischer Parameter gelingt. Mit dem aktuellen Forschungsvorhaben soll eine Brücke zwischen den modernen Möglichkeiten der forstlichen Fernerkundung und Gehölzphysiologie geschlagen werden. Ein im Wald installierter 40 m hoher Drehkran am GFZ TERENO-Forschungsstandort im Raum Demmin (MV) bietet dabei für FeMoPhys einzigartige Möglichkeiten. Das Vorhaben verfolgt folgende Ziele: 1. Untersuchung von Zusammenhängen zwischen stressbedingten, physiologischen Veränderungen in Baumkronen, Stamm und Wurzeln und deren Quantifizierbarkeit durch 'Messung von außen' 2. Verknüpfung des methodischen Knowhow der baumphysiologischen Diagnostik und den Verfahren der hyper-/multispektralen und thermalen Diagnostik von Baumkronen 3. Identifikation klimasensitiver Areale auf der Basis von Flächendaten und baumphysiologischen Untersuchungen speziell für Hauptbaumarten 4. Entwicklung eines einfach zugänglichen Informationsproduktes zum baumartenspezifischen Waldzustand Das Projekt will einen Forest Vulnerability Index anvisieren, der Zielgrößen wie Anfälligkeit für Insektenbefall und Dürreschäden ausgibt. Dieser und weitere Indizes können kombiniert werden, und so helfen, Risikos für Kaskadeneffekte und die Überschreitung von Kipppunkten abzuschätzen.

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