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.
Das Hauptziel des Projekts ist die Untersuchung und die Entwicklung von Methoden nicht nur zur punktuellen, sondern auch zur flächenhaften Bestimmung der Bodenfeuchte. Zur Anwendung sollen Geländetechniken wie Time-Domain Reflectrometry (TDR), Georadar (GPR), Elektrische Widerstand (ER), Elektromagnetische Induktion (EMI) sowie GNSS Scatterometry kommen. Eine der methodischen Hauptfragen ist die Nutzung der GNSS Scatterometry zur Ermittlung der Bodenfeuchte im Feldmaßstab. Eine weitere grundlegende Forschungsfrage wird die weitere Entwicklung der elektrischen und elektromagnetischen geophysikalischen Techniken für bodenkundliche Anwendungen sein.
The geomagnetic field shields our habitat against solar wind and radiation from space. Due to the geometry of the field, the shielding in general is weakest at high latitudes. It is also anomalously weak in a region around the south Atlantic known as South Atlantic Anomaly (SAA), and the global dipole moment has been decreasing by nearly 10 percent since direct measurements of field intensity became possible in 1832. Due to our limited understanding of the geodynamo processes in Earths core, it is impossible to reliably predict the future evolution of both dipole moment and SAA over the coming decades. However, lack of magnetic field shielding as would be a consequence of further weakening of dipole moment and SAA region field intensity would cause increasing problems for modern technology, in particular satellites, which are vulnerable to radiation damage. A better understanding of the underlying processes is required to estimate the future development of magnetic field characteristics. The study of the past evolution of such characteristics based on historical, archeo- and paleomagnetic data, on time-scales of centuries to millennia, is essential to detect any recurrences and periodicities and provide new insights in dynamo processes in comparison to or in combination with numerical dynamo simulations. We propose to develop two new global spherical harmonic geomagnetic field models, spanning 1 and 10 kyrs, respectively, and designed in particular to study how long the uninterrupted decay of the dipole moment has been going on prior to 1832, and if the SAA is a recurring structure of the field.We will combine for the first time all available historical and archeomagnetic data, both directions and intensities, in a spherical harmonic model spanning the past 1000 years. Existing modelling methods will be adapted accordingly, and existing data bases will be complemented with newly published data. We will further acquire some new archeomagnetic data from the Cape Verde islands from historical times to better constrain the early evolution of the present-day SAA. In order to study the long-term field evolution and possible recurrences of similar weak field structures in this region, we will produce new paleomagnetic records from available marine sediment cores off the coasts of West Africa, Brazil and Chile. This region is weakly constrained in previous millennial scale models. Apart from our main aim to gain better insights into the previous evolution of dipole moment and SAA, the models will be used to study relations between dipole and non-dipole field contributions, hemispheric symmetries and large-scale flux patterns at the core-mantle boundary. These observational findings will provide new insights into geodynamo processes when compared with numerical dynamo simulation results.Moreover, the models can be used to estimate past geomagnetic shielding above Earths surface against solar wind and for nuclide production from galactic cosmic rays.
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.
Die Hochwasserereignisse im Dezember 1993 und Januar 1995 am Rhein, Juli/August 1997 an der Oder sowie im August 2002 an der Elbe und die hervorgerufenen Schäden haben in Deutschland zu der Erkenntnis geführt, dass baulich-technische Hochwasserschutzmaßnahmen nicht ausreichen, sondern dass ein vorsorgeorientiertes, die Ziele einer dauerhaft umweltgerechten Entwicklung verfolgendes Hochwassermanagement erforderlich ist. Dazu zählen der technische Hochwasserschutz, die weitergehende Hochwasservorsorge und die Flächenvorsorge zum natürlichen Rückhalt als vorbeugender Hochwasserschutz. Allerdings treten Defizite bei der Operationalisierung dieser politischen Ziele und Strategien auf der Umsetzungsebene auf. Es bleibt bisher die Frage unbeantwortet, ob es sich dabei um Regelungs- oder Vollzugsdefizite handelt. Das Forschungsvorhaben am Institut für Forst- und Umweltpolitik verfolgt das Ziel, die Bedingungen für die Implementation von existierenden politischen Initiativen zum vorbeugenden Hochwasserschutz zu untersuchen. Bedeutsam für die Untersuchung ist dabei die Betrachtung von Akteuren der verschiedenen politischen Ebenen und Sektoren im Durchführungsprozess, deren Kommunikations- und Machtstrukturen sowie der eingesetzten Instrumente, um hieraus Erkenntnisse über die politische Steuerung und deren Wirkung gewinnen zu können. Die Politikfeldanalyse sieht den Vergleich der Hochwasserschutzpolitik der Bundesländer Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz und Baden-Württemberg vor und wird unter Verwendung von Methoden der qualitativen Sozialforschung durchgeführt. Im Ergebnis sollen Effizienzfaktoren ermittelt und schließlich Handlungsempfehlungen für die Implementation von ressort- und grenzübergreifenden Planungsprozessen in komplexen politischen Systemen abgeleitet werden.
Modelle und Methoden, die aus den Teilprojekten des SFB/Transregio entwickelt werden, sollen in einem Gesamtmodell zusammengeführt werden, das in diesem Teilprojekt ausgelegt wird. Basierend auf einer fein aufgelösten Referenz-LES wird die Eignung der instationären Simulationsmodelle für die Vorhersage von Oxyfuel-Feuerräumen zunächst untersucht und bewertet. Ein Verbrennungsmodell, das auf dem feld-basiert transportierten 'filtered density function'-Verfahren beruht und für Oxyfuel-Bedingungen angepasst wird, soll bereitgestellt werden. Alle Modelle werden in den CFD Code FASTEST3D integriert und mit Hilfe der experimentellen Daten aus dem SFB/Transregio validiert.
Vorkommen, Häufigkeit, chemische Zusammensetzung und Mischungszustand jener Aerosolpartikel in der Erdatmosphäre, an denen sich durch heterogene Nukleation in unterkühlten Wolken Eis bilden kann (Ice Nucleating Particles = INP), werden experimentell untersucht. Diese Informationen sind wichtig für das Verständnis der Niederschlagsbildung, und finden in parametrisierter Form Eingang in meteorologische Modelle zur Vorhersage des Niederschlages. Das Projekt verwendet hierbei im Wesentlichen physikalische Methoden zur Identifikation und Isolation der Partikel aus der Atmosphäre, und nachfolgend elektronenmikroskopische Methoden zur mineralogischen Analyse einzelner Partikel. Die Identifikation jener wenigen Aerosolpartikel (ca. 1 von 10.000 bis 1 von 100.000), die Eisbildungsfähigkeit besitzen, erfolgt, indem eine Aerosolprobe einer Unterkühlung unter 0°C und Wasserdampfübersättigung ausgesetzt wird, und die an INP entstehenden Eiskristalle fotografiert und gezählt werden. Es werden sowohl Aerosolpartikel aus luftgetragenem Aerosol untersucht (aus dem Eiskeimzähler FINCH) wie auch Partikel, die aus einer Luftprobe auf einem Silizium-Probenträger niedergeschlagen und danach als INP identifiziert wurden (Eiskeimzähler FRIDGE). Eine dritte und vierte Methode (Ice-CVI und ISI) isolieren eisbildungsfähige Partikel, indem aus einer angesaugten Probe von Wolkenluft die Eiskristalle strömungstechnisch von den übrigen Luftbestandteilen getrennt werden. Alle Eiskeimproben werden im Rasterelektronenmikroskop auf Größe, Morphologie, Mischungszustand und chemische Zusammensetzung untersucht und die Ergebnisse der verschiedenen Ansätze verglichen. In Feldexperimenten werden Atmosphärenproben verschiedener geographischer Provenienz (Mitteleuropa, Forschungsstation Jungfraujoch, Wüstenstaub, Vulkanstaub) erhalten. In Laborexperimenten wird mit vorher gesammelt und charakterisierten Modellsubstanzen gearbeitet. Weiterhin wird durch tägliche Messungen der Anzahl-Konzentration und Zusammensetzung von Eiskeimen am Taunus Observatorium nahe Frankfurt über einen längeren Zeitraum untersucht, ob es Saisonalitäten, bevorzugte Quellgebiete (z.B. Wüsten, Industrie, etc.) und biologische Einflussfaktoren (z.B. Pollen, Pflanzenabrieb, Bakterien) für das Vorkommen von Eisnuklei gibt.
Soil organic matter (SOM) controls large part of the processes occurring at biogeochemical interfaces in soil and may contribute to sequestration of organic chemicals. Our central hypothesis is that sequestration of organic chemicals is driven by physicochemical SOM matrix aging. The underlying processes are the formation and disruption of intermolecular bridges of water molecules (WAMB) and of multivalent cations (CAB) between individual SOM segments or between SOM and minerals in close interaction with hydration and dehydration mechanisms. Understanding the role of these mediated interactions will shed new light on the processes controlling functioning and dynamics of biogeochemical interfaces (BGI). We will assess mobility of SOM structural elements and sorbed organic chemicals via advanced solid state NMR techniques and desorption kinetics and combine these with 1H-NMR-Relaxometry and advanced methods of thermal analysis including DSC, TGADSC- MS and AFM-nanothermal analysis. Via controlled heating/cooling cycles, moistening/drying cycles and targeted modification of SOM, reconstruction of our model hypotheses by computational chemistry (collaboration Gerzabek) and participation at two larger joint experiments within the SPP, we will establish the relation between SOM sequestration potential, SOM structural characteristics, hydration-dehydration mechanisms, biological activity and biogechemical functioning. This will link processes operative on the molecular scale to phenomena on higher scales.
Es werden die spektralen Emissionsgrade (bis 5 Mikro m) brennender Kokspartikel in Oxyfuel-Atmosphären bestimmt. Dazu wird ein neuartiges Spektrometer aufgebaut. Die Messungen werden in einem laminaren Flugstromreaktor durchgeführt, in dem Kohlepartikel unter typischen Oxyfuel-Feuerraumbedingungen abbrennen. Mittels des Spektrometers wird der Emissionsgrad einzelner Kohlenstaubpartikel 'in-flight' gemessen. Hierzu sind kurze Belichtungszeiten erforderlich, die zu geringen Signalstärken führen. Dabei werden Einflussgrößen wie Kohletyp, abnehmende Kohlenstoffkonzentration mit fortschreitendem Ausbrand sowie der Einfluss der Oxyfuel-Reaktionsatmosphäre auf die Kohlepartikeloberfläche und daraus resultierenden Änderungen des Emissionsgrads untersucht.
We study the effects of plants and root-associated fungi on wind erosion within the alpine environment of Tibet. China is one of the countries most affected by desertification processes and Tibet, in particular, a key region in desertification combat. The presented project focuses on the Barkha Plain surrounded by Mount Kailash and the Lake of Manasarovar (Ngari Prefecture). This Western Tibet region experienced little scientific attention but, nowadays, faces rapidly increasing touristic activities and expanding local settlements associated with socio-economic changes that are serious threats to the delicate ecological balance and potential triggers of desertification. It exists almost unanimous agreement that revegetation is the most efficient and promising strategy to combat wind erosion and desertification in the long term. However, re-colonising success is often poor, mainly under extreme environmental conditions. Compared to conventional practices, the approach of the presented project attains better accordance with natural succession processes and promises acceleration of both plant and soil development and, conclusively, more efficient desertification control. The project assesses the potential of native plants and symbiotic fungi to control wind erosion and desertification processes. It aims to identify key plants and fungi that increase soil aggregate stability and efficiently drive succession into a natural and self-maintaining cycle of the ecosystem. Furthermore, it provides crucial information for implementing environmentally compatible and cost-effective measures to protect high-elevation ecosystems against desertification. Within three successional stages (early, intermediate, late), field investigations are performed on the basis of Modified-Whittaker plots. Classic methods of vegetation analysis and myco-sociology are combined with analysis of distribution patterns at different scales (patchiness, connectivity). Comprehensive soil analysis is performed comprising grain size distribution, aggregate stability, pH as well as water and nutrient contents. Additionally, important parameters of wind erosion are measured concurrently and continuously to assess their magnitude and variability with respect to vegetation and soil at different levels of development. The parameters addressed, include sediment transport, air temperature, radiation, precipitation, relative humidity as well as speed and direction of wind. Surface moisture is recorded periodically and roughness described. Species and environmental parameters are checked for spatial correlation. Cutting edge technologies are applied in laboratory work, comprising molecular methods for fungal species identification and micro-tomography to analyse soil structure. Furthermore, successfully cultivated fungi and plants are subject of synthesis experiments and industrial propagation in view of practical implementation in restoration measures.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 617 |
| Europa | 178 |
| Kommune | 5 |
| Land | 11 |
| Wissenschaft | 283 |
| Zivilgesellschaft | 6 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 613 |
| unbekannt | 5 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 4 |
| Offen | 614 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 204 |
| Englisch | 518 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 448 |
| Webseite | 170 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 515 |
| Lebewesen und Lebensräume | 592 |
| Luft | 439 |
| Mensch und Umwelt | 616 |
| Wasser | 435 |
| Weitere | 618 |