RWTH-Themen Sonderheft 2007

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Highlights der Aachener Sonder- forschungs- bereiche SONDERHEFT 2007
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Highlights der Aachener Sonderforschungsbereiche

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  • Highlightsder AachenerSonder-forschungs-bereiche

    SONDERHEFT 2007

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    Anzeige

  • THEMEN

    SONDER-FORSCHUNGS-BEREICHE

    ImpressumHerausgegeben im Auftrag des

    Rektors: Dezernat Presse- und ffent-

    lichkeitsarbeit der RWTH Aachen Templergraben 55

    52056 AachenTelefon 0241/80-94327Telefax 0241/80-92324

    [email protected]

    Redaktion:Sabine Busse

    Angelika Hamacher

    Verantwortlich:Toni Wimmer

    Titel:Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts

    fr Produktionstechnologieentwickeln Positioniersysteme

    fr Glasfasern in Lichtleit-systemen, die in miniaturisierten

    Sensoren, hoch przisen Messgerten, Lasersystemen,

    Telekommunikationsproduktenund in der Medizintechnik

    zum Einsatz kommen.Foto: Peter Winandy

    Rcktitel:Aufbau zur Untersuchung

    von Transportprozessenin welligen Filmstrmungen

    am Lehrstuhl fr Wrme- und Stoffbertragung.

    Foto: Peter Winandy

    Anzeigen:printnpress, Aachen

    [email protected]

    Art direction:Klaus Endrikat

    DTP:ZAHRENdesign,

    Aachen

    Druck: Druckerei Brimberg,

    Aachen

    Fotos:Peter Winandy

    Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier

    Das WissenschaftsmagazinRWTH-Themen erscheint ein-

    mal pro Semester. Nachdruckeinzelner Artikel, auch auszugs-

    weise, nur mit Genehmigungder Redaktion. Fr den Inhaltder Beitrge sind die Autoren

    verantwortlich.

    Sonderheft Sommersemester2007

    Vorwort des Rektors 4

    Interdisziplinre Zusammenarbeit kennzeichnet Sonderforschungsbereiche 6

    Verbrennung im Regelkreis 8

    Neue Behandlungsmglichkeiten chronischer Entzndungen 10

    Dem Geheimnis des Orangensafts auf der Spur 14

    Textilbewehrter Beton 18

    Das Kombikraftwerk der Zukunft 22

    Umweltvertrgliche Tribosysteme 26

    Mikrosystemtechnik 30

    Der Tragflgel der nchsten Generation 34

    Hochfester Stahl weich wie Butter 36

    Mediale Dimensionen kognitiver Prozesse 40

    Zukunftstechnologien zur Herstellung komplexer Optikkomponenten 42

    Quanteneigenschaften schwerer Teilchen 46

    Wie der Boden das Klima beeinflusst 50

    Wie werden Produkte und Prozesse optimal entwickelt? 52

    Bessere Werkstoffe durch Simulation 54

    AUS DEM INHALT

  • 4Nach Redaktionsschluss gab die Deutsche Forschungsgemein-schaft am 23. Mai 2007 die Bewilligung weiterer Sonderfor-schungsbereiche (SFB) bekannt. Zum 1. Juli 2007 wird an derRWTH zustzlich zu den in dieser Ausgabe der RWTH-THEMENvorgestellten der SFB 761 Stahl ab initio. Quantenmecha-nisch gefhrtes Design neuer Eisenbasis-Werkstoffe eingerich-tet. In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finan-zierten Groprojekt kooperieren acht Institute und Lehrsthleder RWTH mit drei Abteilungen des Max-Planck-Instituts fr Eisenforschung in Dsseldorf. Federfhrend ist hierbei dasRWTH-Institut fr Eisenhttenkunde, dessen Leiter Univ.-Prof.Dr.-Ing. Wolfgang Bleck Sprecher des SFB ist. Ziel des Gropro-jekts ist die Entwicklung einer vllig neuen Methode fr dieWerkstoffentwicklung. Die bisher genutzte Trial and ErrorMethodik soll durch die gezielte Nutzung der Quantenchemieabgelst werden. Das Projekt ist zunchst fr vier Jahre bewil-ligt, geplant ist jedoch eine zwlfjhrige Finanzierung.

    Im SFB/Transregio 37 Mikro- und Nanosysteme in der Me-dizin Rekonstruktion biologischer Funktionen arbeiten For-scherinnen und Forscher der Medizin, der Material- sowie Na-turwissenschaften zusammen. Mit Hilfe von Nano- und Laser-technik entwickeln sie innovative Technologien wie Therapie-verfahren fr die regenerative Medizin. Es werden dabei Lsungenvon aktuellen medizinischen Problemen in der Zellbiologie, La-seranwendung, Implantattechnologie und bei der Optimierungvon Biomaterialien gesucht. Der SFB/Transregio ist in Hannover,Aachen und Rostock angesiedelt. Sprecher des SFB ist Univ.-Prof. Dr. Axel Haverich von der MH Hannover, die Beteiligungder RWTH-Institute koordiniert der Lehrstuhl fr Textilchemieund Makromolekulare Chemie unter Leitung von Univ.-Prof. Dr.Martin Mller.

    Die Redaktion, 24. Mai 2007

    Die Deutsche Forschungsgemeinschaft ermglicht mit ihren Frderprogrammen derSonderforschungsbereiche, Transregio und Forschungskollegs interdisziplinre Grund-lagenforschung. Eine Gruppe von Wissenschaftlern kann sich im Rahmen einer solchenFrderung ber einen Zeitraum von maximal zwlf Jahren mit einem anspruchsvollenThema auseinandersetzen. Die ausgewhlten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlerder RWTH arbeiten dabei nicht nur mit Kolleginnen und Kollegen der eigenen Einrich-tung, sondern auch mit denen in anderen Hochschulen und Wissenschaftseinrichtun-gen zusammen wie etwa dem Forschungszentrum Jlich, den Fraunhofer-Institutenoder auch dem Deutschen Zentrum fr Luft- und Raumfahrt.

    Wir in Aachen wissen, wie wichtig die interdisziplinre Zusammenarbeit ist. Sie istein Kennzeichen fr die Forschungsleistung der RWTH Aachen. Seit vielen Jahren prak-tizieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diese auch in den so genanntenInterdisziplinren Foren der RWTH Aachen. Die Themenpalette ist breit gefchert siereicht von Umwelt ber Werkstoffe, Life Sciences, Mobilitt und Verkehr sowie Technikund Gesellschaft. Von den Forschungsprojekten profitieren insbesondere die Studieren-den der RWTH Aachen die anwendungsnahe Lehre ist ein Qualittssiegel fr dieAusbildung an der Aachener Hochschule.

    In dieser Ausgabe der RWTH-Themen wollen wir Sie ber die vielfltigen interdis-ziplinren und spannenden Forschungsarbeiten im Rahmen der Sonderforschungsberei-che informieren.

    Univ.-Prof. Dr. Burkhard Rauhut

    Neue Sonder-

    forschungs-bereiche bewilligt

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    Editorial

  • Im Forschungsbereich Motor-ische Einspritzung am Lehrstuhlfr Wrme- und Stoffbertra-gung werden Gemischbildungs-vorgnge in Verbrennungsmo-toren experimentell und nume-risch untersucht. Bei der Justa-

    ge eines Laserlichtschnittes zurVermessung des vom Einspritz-strahl eines Diesel-Mehrloch-injektors induzierten Gasge-schwindigkeitsfeldes ist einehohe Przision erforderlich.Foto: Peter Winandy

  • 6Hubertus Murrenhoff

    geben wird. Lassen Sie michvielmehr auf die Frage einge-hen, was Ziel eines Sonderfor-schungsbereichs ist und wasseine Attraktivitt auszeichnet.Das Erstgenannte ist wohl ambesten dadurch zu beschreiben,dass sich eine Gruppe Forsche-rinnen und Forscher zusam-menfindet, die interdisziplinran einem in der Regel sehr in-novativen und gesellschaftlichrelevanten Thema zusammen-arbeitet. Es soll durch diesenZusammenschluss in der Sum-me ein Mehrwert entstehen,der durch eine Frderung derEinzelaktivitten zum Beispielim Normalverfahren der Deut-schen Forschungsgemeinschaftnicht mglich wre. Der zweiteAspekt kann am besten mitAusfhrungen des ehemaligenPrsidenten der Deutschen For-schungsgemeinschaft Prof. Dr.Ernst-Ludwig Winnacker zumThema charakterisiert werden,die er mit Forschen unteridealen Bedingungen ber-schreibt.

    Wie kann man sich dieseidealen Bedingungen vorstel-len? Ein Sonderforschungsbe-reich wird konzeptionell auf eine etwa zwlfjhrige For-schungsperiode ausgelegt. Imdrei- beziehungsweise vier-jhrigen Turnus finden Begut-achtungen statt, bei denen sichdie Forschergruppe dem kriti-schen Urteil auswrtiger Gut-achterinnen und Gutachter stel-len muss. Die Wissenschaftler-innen und Wissenschaftler kn-nen also langfristig interdiszi-plinr zusammenarbeiten unddie verfolgte Thematik nachhal-tig vorantreiben. Die Ressour-cen der Hochschule und die derbeteiligten Institutionen werdengebndelt und strken den Son-derforschungsbereich. Durchdie bearbeitete Thematik wirddas Profil der Hochschule mitgeprgt und Studierende sowieder wissenschaftliche Nach-wuchs finden exzellente Bedin-gungen vor.

    Diese Erluterungen geben ei-nen ersten Einblick in die At-traktivitt dieses sehr wichtigenFrderinstruments der Deut-schen Forschungsgemeinschaftund machen auf der anderenSeite aber auch klar, dass derKorb zur Einrichtung eines Son-derforschungsbereichs sehrhoch hngt. Bevor exzellenteund hochmotivierte Forscherin-nen und Forscher an die Ausar-beitung eines Antrags denkenknnen, mssen sie bereits ge-meinsame Vorarbeiten und Ver-ffentlichungen in renommier-ten und begutachteten Fach-zeitschriften auf dem Wissen-schaftsgebiet nachweisen. Da-mit exzellent ausgewieseneKolleginnen und Kollegen sichtrotz hoher Hrden weiterhinaktiv um die Beantragung undEinrichtung von Sonderfor-schungsbereichen bemhen,hat das Rektorat der RWTHAachen verschiedene Manah-men zur Frderung beschlos-sen. Hierzu gehren unter an-derem eine Beratung jungerWissenschaftlerinnen und Wis-senschaftler durch SFB-Erfah-rene, eine teilweise Freistel-lung von Lehrbelastungen so-wie eine zustzliche finanzielleFrderung bei erfolgreicher Be-antragung. Bereits nach positi-vem Beratungsgesprch bei derDeutschen Forschungsgemein-schaft wird die jeweilige Initiati-ve fr einen Sonderforschungs-bereich mit einer zustzlichenWissenschaftlerstelle unter-sttzt. Des Weiteren werdenSonderforschungsbereiche hin-sichtlich ihrer Grundausstattungund durch strukturelle Ma-nahmen untermauert.

    In Aachen knnen wir derZukunft positiv entgegensehen,da ein groes Potenzial an Hil-festellungen erarbeitet und be-reitgestellt wird, das die Aache-ner Wissenschaftlerinnen undWissenschaftler zur persnli-chen Entwicklung und gleich-zeitig zum Nutzen der Hoch-schule verfolgen mgen.

    Lassen Sie mich noch aufein Aachener Spezifikum einge-hen, das viel zum Erfolg derRWTH Aachen im Hinblick aufdie Einrichtung von Sonderfor-schungsbereichen beitrgt.

    Ich denke hier an die exzellentfunktionierende Geschfts-fhrung der RWTH-Sonderfor-schungsbereiche unter Leitungvon Dr.-Ing. Peter von denBrincken. Sie ist dezentral undin erster Linie zur organisatori-schen und strukturellen Bera-tung und Betreuung der Aache-ner Neu-Initiativen bis hin zurAntragstellung und Begutach-tung eingerichtet worden. Auer-dem werden von dort aus auchdie Fortsetzungsantrge undderen Begutachtungen unter-sttzt sowie die wesentlichenadministrativen beziehungsweisefinanziellen Belange der Aache-ner Sonderforschungsbereichein einem kleinen aber effekti-ven Team geregelt. Die Ideehierbei ist, dass ein Geschfts-fhrer gleichzeitig fr mehrereSonderforschungsbereiche zu-stndig ist und dabei Synergie-effekte nutzt. Die Wahl erfolgtber die Mitgliederversamm-lung eines jeden Sonderfor-schungsbereichs, ein Sprecher-rat der Sonderforschungsberei-che nimmt die Aufsicht berdie Geschftsfhrung wahr.Gerade in Zeiten zunehmenderBrokratie muss die Geschfts-fhrung in Aachen als beispiel-haft und zukunftsweisend her-ausgestellt werden.

    www.sfb.rwth-aachen.de

    Autor:Univ.-Prof. Dr.-Ing. HubertusMurrenhoff ist Vorsitzender des Sprecherrates der AachenerSonderforschungsbereiche und Leiter des Instituts frfluidtechnische Antriebe undSteuerungen.

    NNach gut einem Jahrzehnt seitder letzten Vorstellung der Son-derforschungsbereiche in einerAusgabe der RWTH-Themenist die erneute Berichterstattungquasi berfllig. In der For-schungslandschaft der Bundes-republik Deutschland hat sich indieser Zeit sehr viel getan unddies hat natrlich bereits einge-richtete wie auch neu zu bean-tragende Sonderforschungsbe-reiche beeinflusst. Bevor ichhierauf nher eingehe, lassenSie mich zunchst eine ber-sicht der zurzeit an unsererHochschule laufenden Sonder-forschungsbereiche geben.Hierzu dient Bild 1, das im in-neren Kreis die Sonderfor-schungsbereiche aufzeigt, dievollumfnglich an der RWTHAachen als Sprecherhochschuleeingerichtet sind. An der ue-ren Peripherie des Kreises sinddie so genannten Transregioaufgefhrt, an denen Wissen-schaftlerinnen und Wissen-schaftler der RWTH Aachen be-teiligt sind. Die Sprecherhoch-schule ist in Klammern unterder Kurzbezeichnung angege-ben. Es wird deutlich, dass sichdie Transregionalitt nicht nurauf Stdte in der nheren Um-gebung sttzt, sondern auchden Norden und Sden mit ein-bezieht. Dabei sind Disziplinender Natur-, Geistes- und Geo-wissenschaften ebenso wie dieder Ingenieurwissenschaftenvertreten. Ein Transregio ent-steht immer dann, wenn dieKompetenz zur Bearbeitung ei-nes fachbergreifenden For-schungsthemas nicht an einemeinzelnen Hochschul-Standortkonzentriert ist, sondern wenndie Know-how - sowie auch ap-parativen Ressourcen mehrererUniversitten gebndelt werden.

    Damit soll die Brcke wie-der zu den in Aachen angesie-delten Sonderforschungsberei-chen geschlagen werden. Ichmchte an dieser Stelle nichtinhaltlich auf die Themen deraktuell neun Sonderforschungs-bereiche eingehen, da dies inden Einzelbeitrgen geschiehtund einen Einblick in die Inter-disziplinaritt und die zugrundeliegenden Forschungsarbeiten

    Interdisziplinre Zusammenarbeit kSonderforschungsbereiche

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  • Bndelung von Kompetenzen auch ber Aachen hinaus

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    SONDER-FORSCHUNGS-BEREICHE

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    Bild 1: Sonderforschungsberei-che der RWTH Aachen sowieTransregio mit Beteiligung derRWTH Aachen.Quelle: von den Brinken

  • Norbert Peters, Dirk Abel

    Durch diese hohe Ladungsver-dnnung liegen die Verbren-nungstemperaturen unter der frdie Stickoxidbildung relevantenTemperatur, die Homogenittdes mageren Gemisches unter-bindet die Bildung von Ru. Ins-besondere knnen durch diethermodynamisch gnstige Ver-teilung von Brennstoff und Lufthohe Wirkungsgrade erzielt wer-den, die den Brennstoffver-brauch wesentlich verringernknnen.

    Bei stationr betriebenen Gas-turbinen stellen sich bei einerhomogenisierten Niedertempera-turverbrennung jedoch uner-wnschte selbsterregte thermo-akustische Instabilitten ein, diesich in hohen Druckschwankun-gen uern. Dieser auch alsBrennkammerbrummen bezeich-nete Effekt vermindert die Le-bensdauer einer Gasturbine er-heblich. Ebenso kann die homo-genisierte Niedertemperaturver-brennung in Otto- und Diesel-

    gelungstechnischer Sicht durch-aus vergleichbar ist die magne-tische Lagerung des Transrapids:Das auf der elektromagnetischenAnziehung beruhende und da-mit vom Prinzip her instabileMagnetpolster zwischen Fahr-zeug und Fahrbahn wird von ei-ner stabilisierenden Abstandsre-gelung erzeugt. Mit diesen bei-den Beispielen aus vllig anderentechnischen Anwendungsberei-chen hat die Aufgabe der Ver-brennungsregelung gemein, dass die zu regelnden Prozesseschwierig und die Regelungsauf-gaben entsprechend anspruchs-voll sind. Dies betrifft die einzu-haltenden zeitlichen Randbedin-gungen wie auch die erforderli-chen Mess- und Stelleingriffe.Vor allem sind jedoch intelligenteRegelungsgesetze gefordert, diein der Lage sind, auch zeitlichvernderliches und nichtlinearesProzessverhalten zu bercksichti-gen. Besonders der letzt genann-te Aspekt gibt Anlass, so ge-

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    ICHEDDie Bereitstellung von Energiespielt fr den huslichen Bedarf,

    fr Prozesswrme und fr denTransport von Menschen einewichtige Rolle. Voraussetzungdafr ist auf absehbare Zeit nachwie vor die Verfgbarkeit undeffektive technische Nutzungfossiler Rohstoffe wie Kohle, Erd-l und Erdgas. Selbst alternativeKonzepte zur Energiewandlung,wie zum Beispiel die Brennstoff-zelle, bentigen weiterhin dieseEnergietrger, da der bentigteWasserstoff zu groen Teilenzunchst aus fossilen Brennstof-fen hergestellt wird. Gerade frden Transport erscheint die Ver-wendung flssiger Kohlenwasser-stoffe wegen ihrer groen Ener-giedichte unverzichtbar.

    Im Sonderforschungsbereich686 Modellbasierte Regelungder homogenisierten Niedertem-peratur-Verbrennung geht esum das Aufschlsseln der Wirk-kette, die von Strmung undMischung ber die Zndung zurVerbrennung in Gasturbinen undMotoren fhrt. Seit dem 1. Juli2006 betreiben acht Hochschul-institute Grundlagenforschungzu Verbrennungsvorgngen inGasturbinen und Motoren. Be-teiligt sind die RWTH-Institutefr Technische Verbrennung, Re-gelungstechnik, Aerodynamik,Wrme- und Stoffbertragung,Technische Thermodynamik,Dampf- und Gasturbinen, Ver-brennungskraftmaschinen sowiedas Institut fr PhysikalischeChemie I der Universitt Biele-feld. Die Zielsetzung, die dabeiverfolgt wird, ist die Verringe-rung des Rohstoffverbrauchsund der bei diesen Verbren-nungsvorgngen entstehendenEmissionen wie Stickoxide, Ruund Kohlendioxid. Die genann-ten Ziele knnen sowohl in Gas-turbinen als auch in Verbren-nungsmotoren durch eine Ho-mogenisierung des Verbren-nungsprozesses erreicht werden.Ein homogener Verbrennungs-prozess zeichnet sich dadurchaus, dass vor Beginn des eigent-lichen Verbrennungsvorgangs ei-ne sehr gute Durchmischungvon Brennstoff und Luft erreichtworden ist, in der der Brennstoffidealerweise gleichverteilt imBrennraum von Gasturbine oderVerbrennungsmotor vorliegt.

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    Motoren zu Verbrennungsinsta-bilitten fhren, die sich hier inForm von rumlich und zeitlichzufllig verteilten Selbst-zndungen uern. Ein Phno-men, das in vergleichbarer Formschon vom Ottomotor seit lan-ger Zeit bekannt ist und alsKlopfen bezeichnet wird.

    Die homogenisierte Verbren-nung erfordert also die Beherr-schung, das heit Stabilisierunginstabiler Verbrennungsvorgn-ge. Die Stabilisierung instabilertechnischer Prozesse gehrt zuden typischen, wenn auch an-spruchsvolleren Aufgaben derRegelungstechnik. Beispiele in-stabiler Prozesse, die durch Re-gelung stabilisiert werden, findensich unter anderem in derFlugdynamik modernerKampfjets, die in Hinblick aufmglichst agile Manvereigen-schaften instabil ausgelegt wer-den und erst durch eine Rege-lung flugfhig werden. Wenigerspektakulr wenngleich aus re-

    Verbrennung im R

  • sagbar und damit online opti-mierbar macht. Die Grundlageeiner solchen Modellierung vonVerbrennungsvorgngen bildetdie Verbrennungskinetik, die denzeitlichen Ablauf chemischer Re-aktionen aufschlsselt. An derchemischen Umwandlung derAusgangsstoffe eines Verbren-nungsvorgangs, also Brennstoffund Luft, hin zu den Endstoffeneines Verbrennungsvorgangs,Kohlendioxid, Wasser, Ru undStickstoffoxide, sind in realentechnischen Anwendungen wieder Verbrennung in Gasturbinenoder Motoren in der Regel bermehrere hundert verschiedenechemische Komponenten und

    Reaktionen beteiligt. Die Reakti-onskinetik aller an solch komple-xen chemischen Vorgngen be-teiligten Reaktionen wird in sogenannten Reaktionsmechanis-men zusammengefasst. Mit de-ren Hilfe knnen Verbrennungs-vorgnge qualitativ und auchquantitativ beschrieben werden,wodurch sich zum Beispiel derBrennstoffverbrauch oder dieSchadstoffemissionen berechnenlassen. Reaktionsmechanismen,die in ausreichender Genauigkeitdie Verbrennung von Diesel-oder Ottokraftstoff bei hohenVerbrennungstemperaturen be-schreiben knnen, sind heuteschon hinlnglich bekannt. Frdie im Sonderforschungsbereichangestrebte Niedertemperatur-Verbrennung ist dies jedochnicht der Fall, so dass eine ber-tragung der Reaktionsmechanis-men fr Diesel- oder Ottokraft-stoff aus dem Hochtemperatur-bereich hin zum Niedertempera-turbereich erforderlich ist. Dieskann sowohl mit Hilfe theoreti-scher als auch mit Hilfe experi-menteller Methoden erfolgen.Insbesondere die experimentel-len Untersuchungen erfordernals geeignete wissenschaftlicheMethoden so genannte laser-spektroskopische Verfahren undin-situ-Massenspektrometrie, wiesie am Lehrstuhl fr PhysikalischeChemie I in Bielefeld angewandtwerden. In einem gemeinsamenProjekt mit dem RWTH-Institutfr Technische Verbrennung wer-den die Konsequenzen eines ver-besserten Niedrigtemperatur-reaktionsmechanismus auf dieModellierung von Verbrennungs-instabilitten in einem homoge-nen Rhrreaktor theoretisch undexperimentell berprft. Derhomogene Rhrreaktor stellt da-bei eine Versuchsanordnung dar,die es erlaubt, Verbrennungs-instabilitten isoliert von der intechnischen Anwendungen vor-liegenden Wirkkette aus Str-mung, Mischung, Zndung undVerbrennung zu betrachten.

    Die verbesserte Reaktionski-netik wird als Teilmodellierung indie mathematischen Modelle in-tegriert, die den gesamten Ver-brennungsprozess beziehungs-weise die gesamte Wirkkette derVerbrennung in Gasturbinen undMotoren beschreiben. Ziel ist es

    schlielich, die gesamte physika-lische Modellbildung erheblich zuvereinfachen, ohne dabei die frdie Regelung relevanten Informa-tionen ber den Verbrennungs-prozess zu verlieren. Die verein-fachten Modelle sollen dann ab-strahiert und online ausfhrbar indie Regelung einflieen.

    Bei aller Grundlagenfor-schung soll die Anwendungnicht aus dem Blickfeld geraten,an der sich die Wissenschaftlerletztlich messen lassen wollen:Mit der auf dem Grundlagenwis-sen der Verbrennungskinetik ab-gesttzten Modellbasierten Re-gelung sollen homogenisierteBrennverfahren in Gasturbinenund Verbrennungsmotoren mg-lich und exemplarisch umgesetztwerden. Im Bereich der motori-schen Verbrennung sind fr die-se neuartigen Brennverfahrenbereits Begriffe wie HCCI, kurzfr Homogeneous Charge Com-pression Ignition, oder CAI frControlled Auto Ignition interna-tional eingefhrt worden, wo-bei der dazu zu erbringende For-schungsbedarf gerade fr die im Begriff CAI namentlich ge-nannte Verbrennungsregelungnachdrcklich unterstrichen wird.

    www.sfb686.rwth-aachen.de

    Autor:Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Dr.-Ing. E.h. Norbert Peters ist Sprecher des Sonderfor-schungsbereichs 686 Modell-basierte Regelung der homoge-nisierten Niedertemperaturver-brennung und Leiter des Insti-tuts fr Technische Verbrennung.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel iststellvertretender Sprecher desSonderforschungsbereichs Modellbasierte Regelung derhomogenisierten Niedertempera-turverbrennung und Leiter des Instituts fr Regelungstechnik.

    THEMEN

    SONDER-FORSCHUNGS-BEREICHE

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    Modellbasierte Regelung der homogenisierten Niedertemperatur-verbrennung

    nannte Modellbasierte PrdiktiveRegelungen fr die Verbren-nungsregelung in Betracht zuziehen, die sich dadurch aus-zeichnen, dass ein Modell frdas dynamische Verhalten desProzesses nicht nur in der Ent-wurfsphase, sondern explizitauch im laufenden Betrieb derRegelung benutzt wird. Mit ei-ner solchen tiefgehenden Kennt-nis ber den zu regelnden Pro-zess kann eine ModelbasierteRegelung weit schwierigere Auf-gaben lsen als eine konventio-nelle Regelung, die sich auf nurwenigen Einstellparametern ab-sttzt.

    Grundvoraussetzung jederModellbasierten Regelung istnatrlich die Verfgbarkeit einesgeeigneten Modells, das heitim vorliegenden Fall einer ma-thematischen Beschreibung derdynamischen Verbrennungs-vorgnge, die die Auswirkungengewhlter Stelleingriffe auf denVerbrennungsvorgang vorher-

    m Regelkreis

    Wissenschaftler des Institutsfr Technische Verbrennung und des Instituts fr Regelungs-technik erarbeiten am Prfstandneue Algorithmen zur Regelungder Niedertemperatur-Verbren-nung im Dieselmotor.Foto: Peter Winandy

  • Jrgen Floege, Gerhard Mller-Newen,

    Peter C. Heinrich

    genwrtig verfgbare Therapierichtet sich in diesen Fllen aufdie Schadensbegrenzung, dasheit entweder symptomatischeManahmen, beispielsweiseSchmerzlinderung, oder Dmp-fung der Immunantwort, waszurzeit meist nur im Sinne einesSchrotschusses mit Kortisonoder Chemotherapie mglich ist.

    Zytokine und WachstumsfaktorenZellen kommunizieren berkleine Eiwei-Botenstoffe mit-einander, die Zytokine oderWachstumsfaktoren genanntwerden. Diese Botenstoffe re-geln viele grundlegende Zell-funktionen wie Wachstum, Bin-degewebsbildung oder die Pro-duktion wiederum anderer Bo-tenstoffe. Sie binden nach demSchlssel-Schloss-Prinzip anspezifische Rezeptoren auf derZelloberflche und ben so ihreWirkung aus, siehe Bild 1. Zy-tokine und Wachstumsfaktorensowie ihre Rezeptoren spielendaher nicht unerwartet einegrundlegende Rolle in der Ent-zndung, der Rckbildung ei-ner Entzndung oder der chro-nischen Organschdigung undVernarbung. Der Sonderfor-

    schungsbereich 542 Molekula-re Mechanismen Zytokinge-steuerter Entzndungsprozesse:Signaltransduktion und patho-physiologische Konsequenzengeht von diesen Beobachtun-gen aus und versucht, durchgezieltes Ausschalten von zen-tralen Zytokinen oder Wachs-tumsfaktoren den Verlauf vonEntzndungen zu bessern.

    Wer, wann und wie?Eine Grundvoraussetzung frgezielte Eingriffe in das Zyto-kin- und Wachstumsfaktor-Sys-tem sind Kenntnisse, welcherFaktor wann und wie in dasEntzndungsgeschehen einge-bunden ist. Obwohl bereits ei-nige Daten zu diesen Fragenexistieren, ist das Verstndnisnoch immer lckenhaft undverbesserungsbedrftig. Ausden zahlreichen Projekten desSonderforschungsbereichs, diesich diesem Themenbereichwidmen, seien exemplarischnur wenige genannt. Im Teil-projekt A7 wurden vllig neueErkenntnisse ber den MIF-Re-zeptor und dessen zellulre Sig-nale gewonnen. MIF, kurz frMacrophage Migration Inhibi-tory Factor, spielt bei der Blut-

    vergiftung eine essenzielle Rolle.Im Teilprojekt A9 wird die Sig-nalvermittlung von Transfor-ming Growth Factor- in Le-ber-Sternzellen, die zentral ander Lebervernarbung beteiligtsind, untersucht. Es konnte ge-zeigt werden, dass dieser berverschiedene Rezeptoren zweiunterschiedliche Signalkaskadenanschaltet. Diese Einsichten, dievermutlich auch fr andere Or-gane relevant sind, werden da-zu beitragen, neue Anstze ge-gen Vernarbungsprozesse zuentwickeln. In den TeilprojektenC4 und C12 wurde schlielicherstmals nachgewiesen, dassein Eiwei namens YB-1 ausZellen ausgeschieden wird unddann in der Atherosklerose be-ziehungsweise in Nierenkrank-heiten als Entzndungs-Botefungiert. Damit bietet sich dervllig neue Ansatz, in ber-schieenden Entzndungen the-rapeutisch gegen YB-1 vorzu-gehen.

    Mit Zytokinfngern gegen EntzndungenEine Grundvoraussetzung frdas gezielte Ausschalten vonZytokinen oder Wachstumsfak-toren ist die Verfgbarkeit von

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    ICHEEEine Entzndung stellt eine sinn-volle und wichtige Antwort des

    Organismus auf eine Verletzungoder Infektion dar. Normaler-weise existiert im Rahmen die-ser Antwort ein hochgradig aus-balanciertes System von zu-nchst pro- und spter antient-zndlichen Vorgngen, das beiungestrtem Verlauf zur Hei-lung und zum Abklingen derEntzndung fhrt. Schleichensich jedoch Strungen in diesenAblauf ein oder kann die Ursa-che nicht beseitigt werden, zumBeispiel durch chronische Infek-te oder (Auto-)Immunkrankhei-ten, in denen der Krper sichselbst attackiert, resultieren chro-nische Entzndungen.

    Chronische Entzndungenreduzieren nicht nur wie bei-spielsweise im Fall des Rheumasoder chronischer Hautkrankhei-ten wie Neurodermitis erheb-lich die Lebensqualitt, sondernerhhen oft das Risiko zu ver-sterben, meist verursacht durchHerz-Kreislauf-Probleme. Auchdie Atherosklerose ist im We-sentlichen eine chronisch ent-zndliche Erkrankung. Darberhinaus sind chronische Entzn-dungen von enormer volkswirt-schaftlicher Bedeutung. Sofhrt der Ausfall von lebens-wichtigen Organen wie derNieren nach chronischen Ent-zndungen zu gewaltigen Ko-sten im Gesundheitssystem. Al-lein fr die Behandlung vonderzeit etwa 80.000 Menschenohne Nierenfunktion mssen inDeutschland pro Jahr ein biszwei Milliarden Euro aufge-bracht werden, das heit eshandelt sich hier um eine derteuersten so genannten Chroni-ker-Gruppen. Eine andere wich-tige chronische Entzndung be-trifft die Leber. Etwa fnf Pro-zent der deutschen Bevlke-rung leidet unter chronischenLeberentzndungen, die durchAlkohol, bergewicht und Vi-rus-Infekte hervorgerufen wer-den, und auch hier werden dieBehandlungskosten auf etwaeine Milliarde Euro pro Jahr ge-schtzt.

    In vielen Fllen chronischerEntzndungen knnen trotz er-heblich besserer Einsichten indie Krankheitsursachen diesenicht beseitigt werden. Die ge-

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    Bild 1: Die Bindung eines Zyto-kins an seinen Rezeptor kannmit Hilfe eines konfokalen Mi-kroskops beobachtet werden.Ein Zytokinrezeptor wurde miteinem blau-fluoreszierendenProtein verknpft. Daher ist derRezeptor auf der Zellmembran

    der abgebildeten Zelle gut zuerkennen, zum Beispiel im rotumrandeten Rechteck. Stimu-liert man die Zelle nun mit demgelb markierten Zytokin, so rei-chert sich das fluoreszierendeZytokin innerhalb weniger Mi-nuten auf der Zelloberflche an.

    Neue Behandlungsmglichkeiten cEine Herausforderung fr M

  • spezifischen Medikamenten, sogenannter Antagonisten, mit de-nen genau diese Faktoren, nichtaber andere, inaktiviert werdenknnen. Im Rahmen des Teilpro-jekts A2 wurde ein neuartigerWirkstoff entwickelt, mit demdas entzndungsvermittelnde Zy-tokin Interleukin-6 ausgeschaltetwerden kann. Es wurde hierfrder neuartige Ansatz gewhlt,zwei Teilbereiche des Interleukin-6-Rezeptors mit Hilfe gentechni-scher Methoden zu einem so ge-nannten Fusionsprotein zu ver-knpfen, siehe Bild 2. Diese Teil-bereiche wurden so gewhlt,dass sie den Zellen keine Signalemehr geben knnen, sondern alsFusionsprotein auerhalb der Zel-le umherschwimmen. Die Fu-sionsproteine oder Zytokinfngerdienen so als Konkurrenten frdie Interleukin-6 Rezeptoren aufden Zellen. Wird gengend Fu-sionsprotein gegeben, bindetkaum noch Interleukin-6 an dieZellen, siehe Bild 2. In der Zell-kulturschale ist der Nachweis derentzndungshemmenden Eigen-schaften der Fusionsproteine be-reits gelungen. In Zukunft soll dieWirksamkeit dieser Zytokinfngerin relevanten Krankheitsmodellenuntersucht werden.

    Die kranke Leber heilenDie Teilprojekte C1 und C15befassen sich mit der Rolle vonTumor Necrosis Factor, kurzTNF, bei Leberschden. In derLeber deuten erhhte TNF-Werte auf eine Entzndungoder Organschdigung hin, diebis zum akuten Leberversagenund damit zum Tod fhrenkann. Durch TNF werden inZellen verschiedene Signalwegeangeschaltet. Dadurch kommtes in der Zelle zu einer starkenVernderung der normalen Ei-weibildung und Zellfunktion.In Labormusen wurden eineReihe von Genen gezielt zer-strt, von denen angenommenwurde, dass sie fr TNF-Signalevon Bedeutung sind. Tatsch-lich konnte gezeigt werden,dass Muse vor einem akuten,durch TNF-verursachten Leber-versagen geschtzt sind, wennman ein ganz bestimmtes Genvorher ausschaltet. Zerstrteman allerdings ein anderesGen, wurde die TNF-verursach-te Leberschdigung sogar nochverstrkt. Diese Gene und ihreFunktion sind mglicherweiseder Schlssel zur Behandlungakuter Lebererkrankungen.

    Nierenversagen verhindernIm Teilprojekt C7 wird derWachstumsfaktor Platelet Deri-ved Growth Factor, kurz PDGF,untersucht, der offenbar einezentrale Rolle bei berschieen-dem Zellwachstum und Vernar-bungsvorgngen spielt. In Tier-modellen von schweren ent-zndlichen Nierenerkrankungenkonnte nachgewiesen werden,dass die Hemmung von PDGFmit spezifischen Antikrpernnicht nur den Verlauf dieserNierenerkrankungen in derakuten Phase sehr gnstig be-einflusst, sondern auch Lang-zeitfolgen, wie die Vernarbungder Nieren, erheblich reduziert.Diese Erkenntnisse haben injngster Zeit dazu gefhrt, dassPDGF-Antikrper bei Patientenmit Nierenerkrankungen getes-tet werden. Eine erste klinischeStudie mit dem PDGF-Antikr-per verlief erfolgreich.

    www.ukaachen.de/content/folder/1844206

    Autoren:Univ.-Prof. Dr.med. JrgenFloege ist Sprecher des Sonder-forschungsbereichs 542 Mole-kulare Mechanismen Zytokin-gesteuerter Entzndungspro-zesse: Signaltransduktion undpathophysiologische Konse-quenzen und Leiter der Medizinischen Klinik II. Prof.Dr.rer.nat. Gerhard Mller-Newen ist Sekretr des Sonder-forschungsbereichs 542 undMitarbeiter im Institut fr Bio-chemie. Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Peter C. Heinrich ist Stellvertre-tender Sprecher des Sonderfor-schungsbereichs 542 und Leiterdes Instituts fr Biochemie.

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    SONDER-FORSCHUNGS-BEREICHE

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    Bild 2: EntzndungsfrderndeZytokine werden mit Rezeptor-Fusionproteinen eingefangen.(A) Der Interleukin-6-Rezeptorin der Zellmembran besteht auszwei verschiedenen Teilen,gp130 (blau) und IL-6R (grn),die das Zytokin Interleukin-6

    n chronischer Entzndungen: r Mediziner und Biochemiker

    (IL-6, orange) an der Zell-oberflche binden. Nach der Zy-tokinbindung lst der Rezeptorim Zytoplasma eine Signalkas-kade aus (angedeutet durch dengelben Stern), die entzndlicheVorgnge vorantreibt.

    (B) Im Rahmen des Sonderfor-schungsbereichs 542 wurdenFusionproteine entwickelt, indenen die Zytokin-bindendenAbschnitte des IL-6-Rezeptors(dunkler eingefrbte Bereiche)durch einen so genannten Lin-ker (rote Linie) miteinander

    verbunden sind. Diese lslichenProteine knnen IL-6 einfangenund somit die Bindung des Zy-tokins an den membranstndi-gen Rezeptor verhindern. Aufdiese Weise wird die entzndli-che Wirkung von IL-6 unter-drckt.

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    Bild 3: Wissenschaftler der Me-dizinische Klinik II Nephro-logie und Klinische Immunolo-gie suchen nach Proteinen,die sich als neue Therapie-An-griffspunkte bei chronischenNierenerkrankungen eignenknnten. Die Abbildung zeigtdie Beladung eines Fluore-

    scene 2-D Difference Gel Electrophoresis(DIGE)-Gelszur zweidimensionalenAuftrennung und spteren Identifizierung von einzelnenProteinen aus komplexenProteingemischen.Foto: Peter Winandy

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  • Andr Bardow, Georg Dietze, Reinhold Kneer, Viacheslav Lel,

    Wolfgang Marquardt, Claas Michalik

    den Ball im Netz und wollendaraus bestimmen, von wo wiegeschossen wurde und am bes-ten auch von wem. Bei dieserForm der Problemstellung gehtman also rckwrts in der Kausa-littskette und berechnet die Ur-sache fr eine beobachtete Aus-wirkung, was um ein Vielfachesschwieriger ist, als die Betrach-tung des direkten Problems.

    Die inversen Probleme spie-len dabei in den vier groenThemengebieten des Sonderfor-schungsbereichs eine zentraleRolle. So werden in einem For-schungsschwerpunkt Grundla-gen des diffusiven Stofftrans-ports, der auch in einem ablau-fenden Flssigkeitsfilm einewichtige Rolle spielt, erforscht.Ein weiterer Themenkomplex istmit dem Titel Tropfen ber-schrieben. Hier werden Ph-nomene an einzelnen Tropfenuntersucht, die in einer anderen

    Flssigkeit in der Schwebe ge-halten werden. Aus der berla-gerung von mehr als 30.000 mitmodernster Messtechnik ge-wonnener Bilder knnen Str-mungszustnde, Wrme- undStofftransport im Tropfen detail-liert rekonstruiert werden. Wiein den anderen Bereichen istauch dabei die enge Verzah-nung von Messtechnik, Model-lierung und Optimierung mit ei-ner hoch effizienten NumerikVoraussetzung fr berzeugen-de Ergebnisse. Im dritten For-schungsbereich kommt zu Stoff-und Wrmetransport noch diechemische Reaktion als weitereskinetisches Phnomen hinzu.Zentrales Ziel ist hier das kom-plexe Wechselspiel von Trans-port und Reaktion, wie es dasVerhalten von mehrphasigenReaktionssystemen in nahezu al-len verfahrenstechnischen Appa-raten bestimmt, zu beleuchten.

    Der vierte Themenbereich be-schftigt sich mit der Erforschungder schon angesprochenen ab-laufenden Flssigkeitsfilme.

    Um mit Hilfe dieser so ge-nannten Fallfilme zum Beispieldie oben genannten Fruchtsaft-konzentrate mglichst kosten-gnstig, mit guten Geschmacks-eigenschaften und hohen Vita-minkonzentrationen zu erzeu-gen, wird die gesamte Expertisebentigt: Wissenschaftler vomLehrstuhl fr Wrme- und Stoff-bertragung knnen die Ge-schwindigkeits- und Tempera-turverteilung in Filmen nume-risch simulieren, siehe Bild 2,und mit rtlich und zeitlichhochaufgelsten Messdatenvergleichen. Am Institut fr Ver-fahrenstechnik wird die Konzen-trationsverteilung unterschiedli-cher Komponenten gemessen.Mitarbeiter des Lehrstuhls frNumerische Mathematik unddes Lehrstuhls fr Hochleis-tungsrechnen helfen bei der L-sung der mathematischen Mo-delle der Ingenieure mit numeri-schen Algorithmen. Durch denLehrstuhl fr Prozesstechnikwerden systemwissenschaftlicheMethoden zur Optimierung desintegrierten Forschungsprozes-ses beigetragen.

    Nur die interdisziplinre Zu-sammenarbeit zwischen Verfah-renstechnikern, Messtechnikern,Mathematikern und Informati-kern bringt uns bei vielen Fra-gestellungen weiter. Vor allem,wenn man an seine fachlichenGrenzen stt, knnen die Kol-legen der anderen Institute oftmit wichtigem Hintergrundwis-sen helfen oder erffnen durchihre Sichtweise neue Lsungs-strategien, beschreibt ClaasMichalik die Arbeit im Sonder-forschungsbereich.

    So erlaubt die fachbergrei-fende Kooperation bereits gnz-lich neue Einblicke in das Ver-stndnis von Fallfilmen. Wh-rend eigentlich die Vorgnge imFlssigkeitsfilm von Interessesind, liefern klassische Messtech-niken nur Informationen zurTemperatur auf der Rckwanddes Aufbaus. Die Experimenta-toren schauen sprichwrtlichvor die Wand. Die numeri-schen Mathematiker entwickelndaher ein detailliertes dreidimen-

    Dem Geheimnis des Orangensafts

    SSchmeckt wie frisch gepresst ist aber aus Konzentrat sopries die Werbung lange einenOrangensaft an. Die wenigstenVerbraucher werden sich beimKauf Gedanken machen, wieaus Fruchtsaft eigentlich Kon-zentrat wird. Eine Frage, dieClaas Michalik beantwortenkann. Auf einer groen Ober-flche, die von der Rckseite herbeheizt wird, fliet ein dnnerFlssigkeitsfilm herunter. Wenndiese Schicht zum Beispiel ausFruchtsaft besteht, verdampftauf der Strecke das enthalteneWasser und man gewinnt Kon-zentrat. Dabei muss die Tempe-ratur genau kontrolliert werden,um Vitamine und andere wert-volle Inhaltsstoffe nicht zu zer-stren, erklrt der Verfahrens-techniker vom Lehrstuhl fr Pro-zesstechnik.

    Aufgabe der Wissenschaftlerist es, genaue Modelle fr sol-che Ablufe zu erstellen. Mitdem so gewonnenen grundle-genden Verstndnis knnenProduktionsschritte analysiert,der Einfluss von Betriebsbedin-gungen untersucht und schlie-lich die Herstellung effektivergestaltet werden. Zu dem The-menkanon des Sonderfor-schungsbereichs 540 Modell-gesttzte experimentelle Analy-se kinetischer Phnomene inmehrphasigen Reaktionssyste-men gehren beispielsweiseauch chemische und biotechno-logische Verfahren, die unteranderem fr die Herstellung vonPharmaprodukten oder fr dieReinigung von Kraftwerksabga-sen gebraucht werden. Die in-terdisziplinre Forschung hat da-bei neben grundlegenden Fra-gestellungen auch stets den An-wendungsbezug im Blick. Daseng verzahnte Wechselspiel vonmoderner Messtechnik, mathe-matischer Modellierung undOptimierung, siehe Bild 1, istwesentliches Kennzeichen allerArbeiten.

    Im Kern der Betrachtungenstehen dabei so genannte inver-se Probleme. Andr Bardow er-klrt diese am einfachen Beispieleines Fuballs: Die Berechnungder Flugbahn des Balles bei ge-gebenen Abschussbedingungenist das direkte Problem; beim in-versen Problem sehen wir nur

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    Bild 1: Integration unterschiedlicher Techniken im Sonderforschungsbereich 540.

    Modellgesttzte Analysekomplexer Prozesse in der Verfahrenstechnik

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  • gemeinsam auf der Spur

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    Bild 2: Ergebnisse der numeri-schen Simulation des Wrme-transportes in Fallfilmen mit unterschiedlichen Stoffeigen-schaften; die Farbkodierung

    Bild 3: Die Infrarot-thermografie, einesvon mehreren imSonderforschungsbe-reich angewandtenMessverfahren, hilftbei der Beantwortunggrundlegender Fragen.Die Farbkodierunggibt den rtlich ver-nderlichen Tempera-turverlauf an: blau niedrige Temperaturen, rot hherer Temperaturen.

    gibt den rtlich vernderlichen Temperaturverlauf an; Blau niedrige Temperaturen, rot hhere Temperatur.

    sionales Modell des Ver-suchsaufbaus, die Prozesstechni-ker stellten dann neue Optimie-rungsmethoden bereit, so dassjetzt die Vorgnge im Film selbstrekonstruiert werden knnen.Durch die Hilfe unser Kollegenknnen wir jetzt praktisch durchdie Wand gucken, freuen sichdie Messtechniker ber die er-folgreiche Zusammenarbeit.

    Mittlerweile kann der ganzeFallfilm durchleuchtet werden.Die Untersuchungen helfen sobei der Beantwortung von Fra-gen, die Verfahrenstechnikerschon seit Langem interessieren.Wie in Bild 3 zu sehen ist, zeich-nen sich Fallfilme durch die Aus-bildung von Oberflchenwellenaus, welche durch eine Schichtsehr geringer Dicke getrenntsind. Stromab jeder Wellenfrontsind so genannte Kapillarwellenmit geringer Amplitude zu un-terscheiden. Diese wesentlichen,charakteristischen Phnomenedefinieren in unterschiedlichemMae die Transportvorgnge inFallfilmen.

    Aus der Praxis ist bekannt,dass die Prozesse der Wrme-und Stoffbertragung zwischendem Fallfilm und der begrenzen-den Wand beziehungsweise der

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    umgebenden Gasphase durchdie Ausbildung von Ober-flchenwellen mageblich inten-siviert werden. Eine Fragestel-lung ist die Aufklrung der do-minierenden physikalischen Ur-sache dieses Verhaltens. Eingrundstzliches Verstndnis derZusammenhnge ist dabei frdie Auslegung verfahrenstechni-scher Anlagen von zunehmen-der Bedeutung. So fhren diegnstigen Bedingungen fr denTransport in Fallfilmen zu we-sentlich reduzierten Anlagen-gren und damit zu einemsparsamen Umgang mit Energieund Rohstoffen.

    Eine weitere Beobachtungaus der Praxis ist die Entste-hung trockener Flecken auf derHeizflche. An diesen trockenenStellen steigt die Temperatur inkurzer Zeit deutlich ber Wertein den flssigkeitsbenetzten Be-reichen. In verfahrenstechni-schen Prozessen unter Einsatztemperaturempfindlicher Sub-stanzen, wie zum Beispiel dieoben genannte Aufkonzentrie-rung von Fruchtsften, kanndieses Verhalten zur Schdigungbis hin zur Zerstrung der In-haltsstoffe oder gar der Heiz-flche und damit der Anlageselbst fhren. Aufgabe ist es,diese technisch relevanten Ph-nomene aufzuklren, um grund-legendes Verstndnis zu schaf-fen, das die Entwicklung mathe-matischer Modelle erlaubt, diefr die genaue Auslegung derAnlage bentigt werden. Hierzuwerden sowohl numerische alsauch experimentelle Methodeneingesetzt, die der Anforderunghoher zeitlicher und rtlicherAuflsung gerecht werden.

    Zur experimentellen Bestim-mung des Temperaturfeldes in-nerhalb der Filmstrmung wer-den temperaturempfindlichePartikel verwendet, die in derFlssigkeit verteilt werden. Diesestreuen einfallendes weies Lichtin Abhngigkeit der lokalenTemperatur selektiv, so dass ausder resultierenden Farbvertei-lung auf die Temperaturvertei-lung in der Flssigkeit geschlos-sen werden kann, siehe Bild 4.Zur Messung der Temperatur-verteilung auf der Filmober-flche wird eine Infrarotkameraverwendet. Hiermit kann der

    Entstehungsprozess fr trockeneFlecken auf der Heizflche un-tersucht werden, wie Bild 3 illus-triert. Zu sehen sind gleichmi-ge Lngsstrukturen, die im Be-reich der dnnen Schicht zwi-schen zwei Oberflchenwellenentstehen und zum Aufreiendes Films fhren. Wie ein engli-sches Sprichwort besagt: thethread breaks where it is theweakest.

    Dieses Prinzip gilt auch frdie Arbeit im Sonderforschungs-

    bereich selbst, denn nur das ab-gestimmte Zusammenwirkenvon Messtechnik, Modellierungund Optimierung erlaubt dieAufklrung der fr Ingenieurewichtigen Phnomene und sorgtdamit fr verbesserte Herstell-ungsverfahren. Eine besondereBedeutung kommt dabei auchdem Einsatz moderner Compu-tertechnologie zu, die es in zu-nehmendem Mae erlaubt, auchkomplexe Vorgnge nachzubil-den. Voraussetzung ist auch hier

    eine enge Vernetzung zur Ma-thematik, Modellierung und Op-timierung. Im Sonderforschungs-bereich existiert der Fruchtsaftvon bermorgen also vielleichtschon morgen im Computer.

    www.sfb540.rwth-aachen.de

  • Autoren:Univ.-Prof. Dr.-Ing. WolfgangMarquardt ist Sprecher des Son-derforschungsbereichs 540Modellgesttzte experimentelleAnalyse kinetischer Phnomenein mehrphasigen Reaktionssyste-men und Inhaber des Lehr-stuhls fr Prozesstechnik. Dr.-Ing. Andr Bardow und Dipl.-Ing. Claas Michalik sind Wissen-schaftliche Mitarbeiter am Lehr-stuhl fr Prozesstechnik.

    Univ.-Prof. Dr.-Ing. ReinholdKneer ist Inhaber des Lehrstuhlsfr Wrme- und Stoffbertra-gung. Dipl.-Ing. Georg Dietzeund M.Sc. Viacheslav Lel sind Wissenschaftliche Mitarbeiteram Lehrstuhl fr Wrme- und Stoffbertragung.

    Bild 4: Aufbau zur Messungder Temperaturverteilung inFluiden mit thermotropenFlssigkristallen.Foto: Peter Winandy

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    THEMEN

    SONDER-FORSCHUNGS-BEREICHE

  • Josef Hegger, Norbert Will

    Das Tragverhalten textilbe-wehrter Bauteile wird im Son-derforschungsbereich durch Va-riation der textilen Bewehrunghinsichtlich Material, Menge,Orientierung, Aufbau, Beschich-tung und der Feinbetone an Bie-ge- und Dehnkrpern syste-matisch untersucht. Da in vie-len Bauteilen Abweichungenzwischen Bewehrungs- undKraftrichtung auftreten, sindUntersuchungen zu den Aus-wirkungen mehrdimensionalerSpannungszustnde auf dieTragfhigkeit ein weiterer zen-traler Aspekt. Detaillierte Dar-stellungen der nationalen undinternationalen Untersuchungensind in [1] und [2] zu finden.

    Nach den bisherigen Ergebnis-sen kann anders als bei einerBetonstahlbewehrung die Zug-festigkeit der Textilien im Ver-bundwerkstoff Textilbeton nichtimmer ausgenutzt werden. Ur-sachen hierfr sind Schdigun-gen des Fasermaterials infolgetextiler Fertigungsprozesse, dieVerbundeigenschaften der Fa-serbndel im Beton, die Be-wehrungsausrichtung und dieOberflchenbeschaffenheit derFasern. Die Forschungsergeb-nisse zeigen, dass die Trag-fhigkeit vor allem durch dieWechselwirkung zwischen in-nerem und uerem Verbundder Filamentgarne bestimmtwird. Der direkte Kontakt der

    Filamente mit der Betonmatrixliefert einerseits hohe Verbund-festigkeiten und ist andererseitsverantwortlich fr die Schdi-gung der Filamente. Die her-vorragende Eignung von textil-bewehrtem Beton fr die Reali-sierung von Gebudefassadenund Tragkonstruktionen wurdein den letzten Jahren in einigenProjekten gezeigt, [1] und [2].

    FassadenVorhangfassaden aus beton-stahlbewehrtem Sichtbeton sindbliche Bauteile im allgemeinen

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    ICHEDDie Entwicklung des Verbund-werkstoffes Textilbewehrter Be-

    ton ermglicht ein neues archi-tektonisches Erscheinungsbilddes Baustoffs Beton. Hufig ge-stellte Anforderungen nachhochwertigen Sichtbetonober-flchen mit scharfkantigen Rn-dern lassen sich bei gleichzeiti-ger Schlankheit und Leichtigkeitrealisieren. Zur architektoni-schen und ingenieurmigenAnwendung sind Grundlagenim Bereich der Auswahl undHerstellung der Ausgangsmate-rialien, der mechanischen Mo-dellierung des Verbundwerk-stoffes, der Dauerhaftigkeit so-wie der Herstelltechnik erfor-derlich. Die hierzu notwendigenForschungsarbeiten werden seitJuli 1999 mageblich durch denSonderforschungsbereich 532Textilbewehrter Beton Grund-lagen fr die Entwicklung einerneuartigen Technologie ge-sttzt.

    Technologische Grundlagen Textilbewehrter Beton bestehtaus einem hochfesten Feinbe-ton mit einem Grtkorndurch-messer von etwa einem Millime-ter und einer Bewehrung austechnischen Textilien siehe Bild1.Seine Entwicklung baut aufdem Glasfaserbeton mit demZiel auf, den Wirkungsgrad dereingelegten Fasern zu steigern.

    Die Textilien werden aus al-kaliresistentem Glas, Carbonoder synthetischen Kunststof-fen hergestellt. Hunderte odertausende Einzelfilamente mit ei-nem Durchmesser von zehn bis30 Mikrometer werden zu ei-nem Filamentgarn, dem so ge-nannten Roving, zusammenge-fasst. Diese Rovings werden zuflchigen oder dreidimensiona-len Strukturen siehe Bild 2 ver-arbeitet, die eine optimale Aus-richtung und Anordnung derFasern im Bauteil entsprechendder Zugbeanspruchung ermg-lichen. Hieraus ergeben sich ge-genber Kurzfaserbeton hhereTragfhigkeiten bei gleichemFasergehalt. Da die eingesetz-ten Fasern im Gegensatz zurBetonstahlbewehrung keine Be-tondeckung zur Sicherstellungdes Korrosionsschutzes benti-gen, ist die Herstellung sehrschlanker Bauteile mglich.

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    Textilbewehrter Beton Bild 1: Textilbewehrtes Betonelement und Glasfasertextil.

    Bild 2: Dreidimensionale textile Bewehrung als Abstandsgewirk.

  • stalterischen Umgang mit demneuen Material gewonnen wer-den. Durch die Ausbildung vonoffenen Fugen prgen dieScharfkantigkeit der Elementeund das Fugenbild die Gestaltder Fassade. An den Gebu-deecken werden durch denRcksprung der benachbartenAluminiumblechverkleidung dieKopfseiten der Fassadentafelnsichtbar und so ein eleganterbergang zur Glasfassade ge-schaffen.

    RautenfachwerkDie Verwendung rautenfrmi-ger Gitterstrukturen zur Her-stellung von Bogentragwerkenstellt ein effizientes und be-

    Hochbau, haben aber bei Ar-chitekten, Bauherren und Be-vlkerung wegen der Ober-flchengestalt, der notwendi-gen Plattendicken sowie denfr die heute blichen Wrme-dmmungen erforderlichen auf-wndigen Edelstahlankersyste-men an Akzeptanz verloren.Der Einsatz von textilbewehr-tem Beton ermglicht bei Plat-tendicken von weniger als 25Millimetern extrem leichte undschlanke Konstruktionen, diemit herkmmlichen Befesti-gungsmitteln befestigt werdenknnen. Weiterhin sind glatteOberflchen und scharfkantigeProfilierungen und Fugen reali-sierbar, die zu einem neuen Er-

    scheinungsbild von Beton-flchen fhren. Eine erste An-wendung von Textilbeton alshinterlftete Gebudefassadeerfolgte bei der Erweiterung derVersuchshalle des Instituts frMassivbau der RWTH Aachen.Dabei handelt es sich um eineFassade, die vor eine Tragkon-struktion gehngt wird. Zwi-schen der Tragkonstruktion undder Fassade wird die Wrme-dmmung und eine Luftschichtangeordnet. Die Gesamtfassa-denflche von 240 Quadratme-tern besteht aus Einzelelemen-ten mit Sichtbetonoberflche,siehe Bild 3.

    Im Projekt konnten erste Er-fahrungen im konstruktiv-ge-

    THEMEN

    SONDER-FORSCHUNGS-BEREICHE

    Von der Idee zur Anwendung

    Bild 3: Vorhangfassade zur Erweiterung der Versuchshalle des Instituts fr Massivbau der RWTH Aachen.

    whrtes Konstruktionsprinzipim Hallenbau dar. Im Zuge derBauteilentwicklung wurdenMglichkeiten fr den Einsatzvon Textilbeton in diesen Trag-werken untersucht. Bild 4 zeigtden Prototyp eines Rautenfach-werkes aus diagonal kreuzen-den Bogenscharen. Das Fach-werk im Bild 4 setzt sich aus 36rautenfrmigen Grundelemen-ten mit Auenabmessungenvon 1000 mal 600 mal 160Millimeter, einer Wandstrkevon 25 Millimetern und einemGewicht von etwa 23 Kilo-gramm zusammen. DurchKopplung der Rauten an denabgeschrgten Schmalseitenwird die Bogenform als Poly-

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  • gonzug angenhert. DurchWahl eines anderen Winkelslassen sich beliebige andere Bo-gengeometrien erzeugen.

    SandwichbauteileSandwichbauteile bilden eineMischform aus Fassade undTragwerk. Als integrale Wand-bauteile erfllen sie gleichzeitigdie aktuellen bauphysikalischenAnforderungen zur Energieein-sparung und lastabtragendeFunktionen. Sie sind damit so-wohl im kostengnstigen Woh-nungsbau als auch bei Indus-triebauten einsetzbar. Erste Ent-wurfs- und Konstruktionsstudi-en zeigen diese Einsatzmglich-keiten am Beispiel eines zwei-geschossigen Systemhauses inBild 5. In Bauteilversuchenkonnte die ausreichende Trag-fhigkeit von Sandwichelemen-ten, die aus einem 14 Zentime-ter dicken PUR-Hartschaum-kern und 1,5 Zentimeterdicken Deckschichten aus Tex-tilbeton bestehen, nachgewie-sen werden. Die Umsetzung ineinem Prototyp fr das System-haus soll im Jahr 2007 erfolgen.

    Die Beispiele verdeutlichen,dass bereits heute materialge-rechte Anwendungen fr denneuen Baustoff existieren. Ein-fache Verbindungstechniken,komplex formbare Textilien undstatische Bemessungsmodellebilden die Grundlagen zur Ent-wicklung von Strukturen, beidenen die konstruktiven undgestalterischen Eigenschaftendes neuen Werkstoffes wie

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    Bild 4: Prototyp und Detailausschnitt des Rautenfachwerks.

    Bild 5: Ein Systemhaus aus Textilbeton-Sandwichelementen(oben, Animation des Lehrstuhlsfr Baukonstruktion 2), undAusbau eines Sandwichelements(unten).

    sind die Bauindustrie und ins-besondere die Hersteller vonFertigteilen und Bauproduktenaufgerufen, neue Wege zu be-schreiten und sich aktiv an derEntwicklung zu beteiligen.

    http://sfb532.rwth-aachen.de

    Autoren:Univ.-Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger ist Sprecher des Sonderforschungsbereichs 532Textilbewehrter Beton Grund-lagen fr die Entwicklung einerneuartigen Technologie undLeiter des Instituts fr Massiv-bau. Dr.-Ing. Norbert Will istOberingenieur am Institut frMassivbau.

    Literatur:[1] Brameshuber, W. (Editor): Textile Reinforced Concrete.State-of-the-Art Report of RILEM Technical Committee201-TRC. RILEM Report 36, RILEM Publications, Bagneux, France, 2006.

    [2] Hegger, J.; Brameshuber,W.; Will, N. (Editors): TextileReinforced Concrete. Procee-dings of the 1st InternationalRILEM Symposium (ICTRC), Aachen, 05.-07.09.2006, RILEM Proceedings 50,RILEM Publications, Bagneux, France, 2006.

    Bauteilschlankheit, scharfkanti-ges Erscheinungsbild und her-vorragende Betonoberflchenzum Tragen kommen. In Kom-bination mit der Herstellung alsFertigteil und der damit einher-gehenden einfachen Montageund Demontage von Bauwer-ken werden auch die Forderun-gen nach einer nachhaltigenBauweise erfllt. Ziel der lau-fenden Untersuchungen ist es,die Zugtragfhigkeit zu er-hhen und in Sicherheitskon-zepte eingebundene Nachweis-modelle fr die Tragfhigkeit,Gebrauchstauglichkeit undDauerhaftigkeit bereit zu stel-len. Erheblicher Entwicklungs-bedarf besteht noch bei denHerstellungstechniken. Hier

  • Bild 6: Am Institut frMassivbau werdenTextilbetonbauteile unterverschiedenen Belastungs-situationen untersucht.Foto: Peter Winandy

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    mit einem Wirkungsgrad von65 Prozent wurden fr diesenSonderforschungsbereich be-reits frhzeitig projektiert. DieZiele knnen dabei nur durcheinen interdisziplinren Ver-bund verschiedener Institutemit jeweils speziellen Fachkom-petenzen erreicht werden, sieheBild 1. ber die mit allen Teil-projekten verbundene Prozess-analyse wird darber hinausgewhrleistet, dass die in einemProjektbereich erzielten Ergeb-nisse dem gesamten Sonderfor-schungsbereich zur Verfgunggestellt und somit Synergieef-fekte systematisch genutzt wer-den knnen.

    Grundstzlich wird die Wir-kungsgradsteigerung fr denGesamtprozess durch Erhhungder Differenz zwischen der ma-ximalen und der minimalenProzesstemperatur erreicht. Da-her wird eine Steigerung derTurbineneintrittstemperaturenals Beitrag zur Wirkungsgrad-verbesserung angestrebt, sieheBild 2. Mit dem Einsatz vonWrmedmmschichten auf Ke-ramikbasis wre zwar ein Anhe-ben der Gasturbineneintritts-temperatur um 150 Grad Celsiusprinzipiell mglich, doch kanndieses Potenzial heute nochnicht genutzt werden, weil dieLebensdauer dieser Schichtennoch nicht reproduzierbar

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    ICHEDDie Schonung der natrlichenBrennstoffressourcen und die

    Reduzierung der Emission um-weltschdlicher Gase sind dietreibenden Krfte zur Verbesse-rung der thermischen Wir-kungsgrade zuknftiger undneuer Kraftwerke. Die wirt-schaftliche und umweltfreundli-che Produktion von elektrischerEnergie ist eine der grundstzli-chen technologischen Heraus-forderungen, deren Lsungnachhaltig ber den Lebens-standard und das Wohlergehender Menschheit in der moder-nen Welt entscheidet. Die Her-ausforderung an die Energiewirt-schaft des beginnenden 21.Jahrhunderts wird aber sein, so-wohl den Forderungen nachhherer Effizienz nachzukom-men als auch die zu erwarten-den strengen Umweltauflagenzu erfllen und dennoch Ga-rantien fr den Anlagenwir-kungsgrad wie auch fr dieVerfgbarkeit bei reduziertenBetriebskosten zu bernehmen.Daher sind angewandte Grund-lagenarbeiten bei der univer-sitren Forschung von Nten. Der Sonderforschungsbereich561 Thermisch hochbelastete,offenporige und gekhlteMehrschichtsysteme fr Kombi-kraftwerke hat sich zum Zielgesetzt, die heutigen techni-schen und wissenschaftlichenErkenntnisse zu erweitern undneue wissenschaftliche Grund-lagen zu schaffen, um in einemKombikraftwerk der Zukunftetwa ab dem Jahr 2025 Ge-samtwirkungsgrade von 65Prozent zu erreichen. Durch dieSteigerung der Effizienz vonKraftwerken, nicht nur von ein-zelnen Komponenten sondernim Zusammenspiel aller Kom-ponenten, kann ein wesentli-cher Beitrag zur Schonung derBrennstoffressourcen und Emis-sionsreduktion geleistet wer-den. Heute knnen modernekombinierte Gas- und Dampf-turbinen Kraftwerke bei Feue-rung mit Erdgas Gesamtwir-kungsgrade von 58 Prozent er-reichen. Dabei werden mit Ein-trittstemperaturen von etwa1230 Grad Celsius in Gasturbi-nen und maximal 600 GradCelsius in Dampfturbinen be-reits Fluidtemperaturen erreicht,

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    quantifiziert werden kann. Nurdurch die Kombination von Ef-fusions- beziehungsweise Tran-spirationskhlung mit Wrme-dmmmanahmen wird sichdie angestrebte Wirkungsgra-derhhung realisieren lassen.

    Zur Erreichung des ange-strebten Wirkungsgrades ms-sen zustzlich fr die Dampf-turbine Ausfhrungsprinzipienzur Beherrschung der Frisch-dampftemperaturen von rund700 Grad Celsius mit hchstenDrcken gefunden werden. Da-bei mssen Khlmglichkeitenfr das Gehuse der Hochtem-peratur-Dampfturbinen erarbei-tet werden. Zur Vermeidungdes Einsatzes von Nickel-Basis-Legierungen, der mit ferti-gungstechnischen Problemenund sehr hohen Kosten verbun-den wre, wird schwerpunkt-mig an der Realisierunggekhlter Strukturen aus ferriti-schen Werkstoffen gearbeitet.Ein weiterer Schritt zur Steige-rung des Gesamtwirkungsgra-des ist die Reduktion der Verlus-te beim Entwsserungsvorgangdes Sattdampfes am Ende desExpansionsvorganges in derNiederdruck-Dampfturbine. ZurVermeidung von erosiven Sch-digungen durch auskondensier-

    Bild 1: Kompetenz der RWTH Aachen.

    Khltechnologie fr die Gasturbine

    Forschung fr das

  • THEMEN

    SONDER-FORSCHUNGS-BEREICHE

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    te Wassertropfen soll durch einflchiges Absaugen des Was-sers ber Schume der Anteilder Tropfen in der Strmungreduziert werden. Durch diegegenber den heutigenSchlitzabsaugungen glttereOberflche werden die Str-mungsverluste reduziert unddamit eine weitere Wirkungs-

    Bild 2: Umsetzung derVision des Sonderfor-schungsbereichs 561 in technologisch logischeSchritte.

    Bild 3: WissenschaftlicheReduzierung der techno-logischen Herausforderungenauf Modelle.

    gradsteigerung erzielt. In Bild 3ist der prinzipielle Aufbau vonoffenporigen Strukturen undderen Einsatzmglichkeiten imKraftwerk dargestellt. Denschematischen Aufbau einer ef-fusions-/transpirationsgekhl-ten Gasturbinenwandung zeigtBild 3, oben. Der Strukturwerk-stoff fhrt ber ein Kammersys-

    tem das Khlfluid einer offen-porsen Zwischenschicht zu dievor direktem Heigaskontaktdurch eine permeable Wrme-dmmschicht geschtzt ist. Aufder Heigasseite tritt das Khl-fluid flchig aus, so dass sichein kontinuierlicher Khlfilmausbildet. Die Auenhaut einerzuknftigen Gasturbinenschau-

    Kombikraftwerk der Zukunft

  • die Khldampf geleitet wird,der das Bauteil konvektiv khlt.Durch die Gewebelage wird dieTurbulenz innerhalb der Struk-tur und dadurch der Wrme-bergang in der Hohlstruktur er-hht, so dass eine effektivereKhlwirkung erzielt wird.

    Fr die Gasturbinenlauf-

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    fel kann nach dem gleichenPrinzip wie die Brennkammer-wand aufgebaut werden. ZurAbsaugung des auskondensie-renden Wassers in der Nieder-druck-Dampfturbine soll eben-falls ein Kammersystem reali-siert werden. Hierbei wird dasPrinzip der Khlung umgekehrt

    und das Wasser durch dieporse Schicht in die Kammerngeleitet, siehe Bild 3, rechts unten.Die grundstzliche Methodikder offenporigen Strukturen sollim Hochtemperaturbereich derDampfturbinen durch Gewebe-strukturen realisiert werden,siehe Bild 3, links unten, durch

    Bild 4a: Ergebnisse des Sonder-forschungsbereichs 561 im Be-reich Herstellung und Prfungneuer Werkstoffe.

    Bild 4b: Ergebnisse des Sonder-forschungsbereichs 561 im Be-reich Modellierung der aerother-momechanischen Phnomene.

  • schaufel wird unter alleinigerVerwendung porser Materiali-en keine ausreichende Zeit-standfestigkeit zu erzielen sein.Daher wird fr dieses Bauteilein Konzept verfolgt, das einefaserverstrkte NiAl-Legierungals lasttragenden Kern derSchaufel vorsieht, der von ei-nem NiAl-Mantel umschlossenwird, der das uere Profil derSchaufel bildet. Der Mantelwird durch eine Wrmedmm-schicht geschtzt und mit Bohr-lochfeldern versehen sein. Auf dem Wege zur Realisierungder flchigen Bauteilkhlungund der flchigen Wasserab-saugung sind in einem erstenSchritt die Fertigungstechnolo-gien fr die offenporsenWerkstoffe zu entwickeln. Un-ter anderem wurden hierzu bis-lang folgende Erfolge erzielt,siehe Bild 4a:

    Zur Herstellung von offen-porsen Strukturen fr Brenn-kammerauskleidungen wurdedas SchlickerReaktions-SchaumSinter-Verfahren ent-wickelt. Bei diesem Verfahrenbilden sich in dem Schaumgrere Primrporen, die durchkleinere Sekundrporen mitein-ander verbunden sind.

    Zur Herstellung von Khl-bohrungen in Mehrschichtsys-temen, bestehend aus einemSubstrat, einer Bindeschichtund einer keramischen Wrme-dmmschicht, wird ein Laser-bohrverfahren eingesetzt, beidem das Austreiben derSchmelze ber den Bohrungs-eintritt erfolgt.

    Fr den lasttragenden Kerneiner zuknftigen Gasturbinen-

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    SONDER-FORSCHUNGS-BEREICHE

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    schaufel wurde ein Konzeptund ein Herstellverfahren zurEinbindung von Keramikfasernin eine NiAl-Matrix entwickelt.

    Auf dem Gebiet der Fein-gusstechnologie zur Herstellungvon Gasturbinenkomponentenaus neuen Werkstoffen undWerkstoffverbunden wurdenumfassende Anstze zur Ent-wicklung neuer Formschalenke-ramiken und adquater Kern-materialien umgesetzt und aufdie Herstellung von Probenma-terial angewendet.

    Die detaillierte Bestimmungder mechanischen Eigenschaf-ten ist eine notwendige Voraus-setzung fr die realittsnaheModellierung der offenporigenStrukturen. Somit knnen Mo-delle entwickelt werden, mitderen Hilfe unter anderem:

    die Interaktion von Auen-und Khlluftstrmung,

    die mechanischen Belastungen verschweiter Gitterbleche,

    die kombinierte Berechnung von Strmung und Festkrper sowie

    die quivalenten Werkstoff-eigenschaften gekhlter offenporiger Strukturen unter Verwendung der experi-mentell bestimmten Werkstof-feigenschaften detailliert unter-sucht werden knnen, sieheBild 4b. Durch die gezielte Kon-turierung und die geometrischeAnordnung von geneigtenKhlbohrungen wird auf derBauteiloberflche ein homoge-ner Khlfilm erreicht, der die zukhlende Struktur vor demKontakt mit Heigas schtzt.Die jeweils erforderliche Khl-luftmenge kann durch den Ver-

    gleich mit der aus Prozessrech-nungsdaten ermittelten not-wendigen Khleffektivitt be-stimmt werden.

    Da sich die RANS-Modellezwar durch eine hohe Rechen-geschwindigkeit auszeichnen,das Ergebnis jedoch in erhebli-chem Mae von der Wahl desTurbulenzmodells abhngig ist,muss sichergestellt sein, dassdas verwendete Modell diephysikalischen Phnomene beider Interaktion von Heigasund Khlluftstrahl vollstndigerfasst. Dazu wurden zustzlichhochgenaue, aber deutlich re-chenintensivere LES-Untersu-chungen durchgefhrt und dieErgebnisse beider Methodenmiteinander verglichen.

    Fr die Bewertung der er-reichbaren Wirkungsgradver-besserung durch die entwickel-ten Khl- und Entwsserungs-technologien wurde als Basisdas Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk Tapa-do-Outeiro inPortugal gewhlt, das den heu-tigen Stand der Technik wieder-spiegelt. Auf Basis dieses Refe-renzkraftwerks wurde ein Mo-dell fr die Prozessanalyse er-stellt, das derart detailliert ist,dass die Beitrge der einzelnenProjekte des Sonderforschungs-bereichs zur Steigerung des Ge-samtwirkungsgrades bewertetwerden knnen. Durch dieseBewertung der Ergebnisse wer-den der derzeitige Stand unddie notwendigen weiteren Fort-

    Bild 5: Beitrag der Tech-nologien zur Entwicklung des Kraftwerk-Gesamt-wirkungsgrades.

    schritte zum Erreichen des Zielseines Gesamtwirkungsgradesvon 65 Prozent bestimmt. Durch eine weitere Verbesse-rung der Technologien insbe-sondere durch Einfhrung derGradierung knnen die weite-ren Potenziale der neuen Kon-zepte noch erschlossen werden,so dass bei Reduktion der Khl-fluidstrme und Steigerung derzulssigen Materialtemperatu-ren ein Wirkungsgrad von 65Prozent erreicht werden kann,siehe Bild 5.

    Im Bereich der Strmungs-mechanik, Werkstoffwissen-schaften und Fertigungstechnikzur Entwicklung thermisch hoch-belasteter offenporiger Kompo-nenten fr ein Kombi-Kraftwerkder Zukunft wurden im Rahmendes Sonderforschungsbereichserhebliche Fortschritte erzielt.Durch die Umsetzung der ge-wonnenen Erkenntnisse ergibtsich fr Kombi-Kraftwerke derZukunft somit ein Wirkungs-gradpotenzial um etwa zwlfProzent und ein CO2-Minde-rungspotenzial von etwa 15Prozent gegenber dem heuti-gen Stand der Technik.

    Autor:Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Bohnist Sprecher des Sonderfor-schungsbereichs 561Ther-misch hochbelastete, offenpori-ge und gekhlte Mehrschicht-systeme fr Kombikraftwerkeund Leiter des Instituts frDampf- und Gasturbinen.

    Wirkungsgradsteigerung

    1.Phase 2.Phase 3.Phase 4.Phase

    Hhere Materialtemperaturen

    Dampfturbinehhere DampfparameterDampfkhlung

    Gasturbinebessere Strmungsfhrung

    Referenz-Kraftwerk

    www.sfb561.rwth-aachen.de

  • Hubertus Murrenhoff

    Neue Beschichtungen und Schmierstoffe werden entwickeltZur Durchfhrung der For-schungsaufgaben sind Tribome-ter entwickelt worden, an de-nen hoch belastete Kontakteaus Maschinen nachgebildetwerden und anhand verein-fachter Modelluntersuchungenanalysiert und den Zielen fol-gend entwickelt werden kn-nen. Ein Beispiel ist der in Bild 1gezeigte Kolben einer Hoch-druck-Axialkolbenmaschine.Aufgrund der Querkraftbelas-tung am Kolben ist dieser hin-sichtlich seiner Mikro- und Ma-krogeometrie neu gestaltetworden, die konturierte Ober-flche ist mit bloem Augenicht zu erkennen und verlangthchste Przision in der Ferti-gung. In Bild 2 sind die Ergeb-nisse interdisziplinrer Forschungam Beispiel der Kolben-Buchsedargestellt. Im Prfstand sowieim spteren Einsatz im Getriebewird ein biologisch schnell ab-baubares Schmiermittel undDruckbertragungsmedium ein-gesetzt, das von Wissenschaft-lern im Institut fr Technischeund Makromolekulare Chemieentwickelt wurde. Zum Nach-weis der toxischen Unbedenk-lichkeit ist von den beteiligtenWissenschaftlern vom Institut frHygiene und Umweltmedizin ei-ne Methodik entwickelt worden.

    Ein wesentliches Ergebnis istin der Entwicklung gradierterKohlenstoffschichten zu sehen.Hier sind von den Materialwis-senschaftlern des Lehrstuhls frOberflchentechnik im Maschi-nenbau neue Beschichtungensowie deren Applikationspro-zesse erforscht worden. Siewerden aus der Gasphase aufden Oberflchen abgeschieden,physikal vapor deposition, kurzPVD. Diese Schichten zeichnensich durch eine mit zunehmen-der Tiefe angepasste Hrte aus.Ein Beispiel hierfr sind gradier-te Zirkonkarbidschichten, ZrCg.Der Index g steht fr die Koh-lenstoffgradierung, mit der dasgewnschte Eigenschaftsprofilerzeugt wird. Man kann sichden Einlaufvorgang so vorstel-len, dass weiche Partikel vomGegenkrper auf den Grund-krper der im Kontakt stehen-

    den Tribopartner bertragenwerden. Nach kurzer Einlaufzeitkommt dieser Verschlei durchzunehmende Schichthrte zumErliegen und der gewnschteEffekt der Eigenschaftsbertra-gung von Additiv-Eigenschaf-ten direkt in die Oberflche desTribopartner ist gelungen.

    Im Betrieb einer Maschineist von Bedeutung, dass diePVD-Schicht prozesssicher aufdem Bauteil haftet und sichbeim Betrieb der Gleitpaarungnicht verbraucht. Ein Einlauf-vorgang ist gewollt; er muss je-doch zeitlich begrenzt sein. DieMikrogeometrie sorgt dafr,dass die Rauigkeitsspitzen inder Oberflche mit dieser An-forderung in Einklang stehen.Die Makrogeometrie ist dafrverantwortlich, dass maximalzulssige Spannungen zwischenden berhrenden Teilen nichtberschritten werden. Hier sinddie Wissenschaftler der Ingeni-eursdisziplinen mit ihren For-schungsarbeiten gefragt.

    Umweltvertrglichkeit wird getestetIm Rahmen der Forschungsar-beiten am Institut fr Hygieneund Umweltmedizin ist eineMethodik angepasst worden,die es mit einem schnellen Testermglicht, eine Abschtzungder Wirkung der entwickeltenFluide auf menschliche Zellenzu erforschen. Hierzu wird un-ter anderem der Comet as-sey-Test mit in Kultur gehalte-nen Leberzellen durchgefhrt,Bild 3. Bei diesem Test werdenmit Hilfe einer elektrophoreti-schen Technik mgliche Schdi-gungen an der DNA und Repa-raturen in einzelnen Zellen de-tektiert. Die exponierten Zellenwerden in eine Gelmatrix ein-gebunden, die Zellmembranwird zerstrt und es erfolgt ei-ne Elektrophorese. Whrendder Elektrophorese wandert dienegativ geladene DNA zumPluspol. Die geschdigte, bruch-stckhafte DNA ist in der Lage,aus dem Zellkern herauszuwan-dern. Die Bruchstcke trennensich der Gre nach auf, da klei-nere Bruchstcke in bestimmterZeit eine weitere Strecke zu-rcklegen als die greren. Un-ter dem UV-Mikroskop erschei-

    nen die beschdigten Zellen,welche vorher mit einem Flu-oreszenzfarbstoff wie Ethidium-bromid behandelt wurden, nunmit einem Schweif aus DNA-Bruchstcken, welcher ihnendas Aussehen eines Kometengibt.

    Die Leberzellen wurden 24Stunden gegenber den wssri-gen Eluaten der Schmierstoffe60.HISM und 60.HISM +Additive + Metalle exponiert.Es wurde der alkalische Komet-Test bei einem pH-Wert von 13durchgefhrt. Unter diesen pH-Bedingungen knnen Strang-brche, Exzisions-Reparaturstel-len, alkalilabile Stellen und cross-links detektiert werden. Zurberprfung des Testablaufeswurden bei jedem Test eine Ne-gativ- und eine Positivkontrollemitgefhrt, die die minimalebeziehungsweise maximaleWirkung auf die Zelle wieder-geben. Die Testauswertung er-mittelt den Olive tail moment,kurz OTM, das heit das Pro-dukt von Schweiflnge undSchweifintensitt des Kometen. Wie in Bild 3 deutlich wird,zeigt das wssrige Eluat von60.HISM keine DNA-schdi-gende Wirkung bei den Leber-zellen, da die Werte nicht signi-fikant hher sind als die Werteder Negativkontrolle.

    Die gleiche Wirkung konnteauch bei 60.HISM + Additive+ Metalle beobachtet werden.Hier liegen die Werte deutlichunterhalb der Negativkontrolle,damit zeigt das Eluat keineschdigende Wirkung auf dieDNA der Leberzellen. Mit die-sem Biotest sowie mit weiterenToxizittstests konnte die Um-weltvertrglichkeit der ent-wickelten Schmierfluide aufge-zeigt werden.

    Die Beispiele sollen einenkleinen Einblick in Ergebnisseaus den Forschungsarbeiten desSonderforschungsbereichs er-mglichen. Die noch verblei-bende Zeit bis zum Ablauf desSonderforschungsbereichs imJahr 2009 wird genutzt, um dieErgebnisse an ganzen Prozes-sketten aufzuzeigen. Mit diesenProzessketten sind sowohl Pro-zesse zur Herstellung von Flui-den, Metallverbunden und sol-che, die auf Werkzeugmaschi-

    Werkstoffe bernehmen Schmier- und Verschleischutzeigenschaften

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    ICHERReibungsbehaftete Kontaktstel-len von relativ zu einander be-

    wegten Bauteilen werden Tri-bosysteme genannt und sindgrundstzliche Bestandteiletechnischer Gerte. Sie kom-men in unterschiedlichsten Aus-fhrungsformen im Maschinen-bau zum Einsatz. Dieser ist inder Bundesrepublik Deutsch-land ein traditionsgem star-ker Wirtschaftsfaktor mit einemhohen Anteil am Export unddamit von Innovationen abhn-gig, bei denen Rohstoffe einge-spart und intelligenter einge-setzt werden knnen.

    Die Anwendungen der Tri-bosysteme liegen sowohl imBereich der Leistungsbertra-gung als auch bei den formge-benden Prozessen. Dort tragensie nicht nur zur Funktionserfl-lung bei, sondern beeinflussensignifikant sowohl die kono-mische als auch kologische Bi-lanz der technischen Systeme.Diese wird insbesondere durchdas hohe kotoxikologischeGefhrdungspotenzial der mi-nerallbasierten und mit Additi-ven legierten Zwischenstoffegeprgt. Denn durch Leckagenknnen die Zwischenstoffe indie Umwelt gelangen und dortzu Schden fhren. Aber auchdurch unsachgemen Umgangmit den Schmierstoffen im wei-teren Sinn werden Verschwen-dungen von Ressourcen inenormer Hhe verursacht.

    Der fr den Sonderfor-schungsbereich daraus abgelei-tete Leitgedanke besteht in derbertragung tribologischer Funk-tionen von den Fluiden auf dieWerkstoffe der Tribopartner.Dies bedeutet, dass biologischschnell abbaubare und nicht to-xische Fluide entwickelt undeingesetzt werden, die nur ge-ring und umweltvertrglich ad-ditiviert sind. Die dann dem Sys-tem fehlenden Schmier- undVerschleischutzeigenschaftenmssen von den Materialiender Tribopartner bernommenwerden, wozu Verbundwerk-stoffe erforscht und entwickeltwerden.

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    Umweltvertrgliche Tribosysteme im Blick

  • nen ablaufen, gemeint. Zustz-lich werden auch Prozesskettenzur Herstellung bestimmterBauteile wie Zahnrder oderganze Getriebe sowie der Auf-bau und Betrieb eines Alte-rungsprfstandes betrachtet.Als Ziel steht ein Expertensys-tem zur Auslegung umweltver-trglicher Tribosysteme zur Ver-fgung, das den Zugriff auf dieForschungsergebnisse mglichmacht, so dass der Sonderfor-schungsbereich ber die Exper-tise im Umwelt- und Werkstoff-forum auch dann weiter lebt,wenn die Frderung durch dieDeutsche Forschungsgemein-schaft ausluft.

    http://www.sfb442.rwth-aachen.de/

    Autor:Univ.-Prof. Dr.-Ing. HubertusMurrenhoff ist Sprecher desSonderforschungsbereichs 442Umweltvertrgliche Tribosys-teme durch geeignete Werk-stoffverbunde und Zwischen-stoffe am Beispiel der Werk-zeugmaschine und Leiter desInstituts fr fluidtechnische Antriebe und Steuerungen.

    THEMEN

    SONDER-FORSCHUNGS-BEREICHE

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    Bild 1: Beschichtete Kolben werden im Reibungs-

    prfstand am Institut fr fluidtechnische Antriebe

    und Steuerungen getestet.Foto: Institut fr Fluidtechnische

    Antriebe und Steuerungen.

    Bild 2: Erzielte Ergebnisse am Beispiel des Tribokontaktes

    Kolben-Buchse.

    Bild 3: Comet assey Test zum Nachweis mglicher

    Toxizitten.

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    Bild 4: Am Institut fr Fluidtechnische Antriebe undSteuerungen werden hydrau-lische Verdrngereinheitenentwickelt, die sich durch einesehr gute Umweltvertrglich-keit auszeichnen und somiteinen unbedenklichen Einsatzin unterschiedlichen Einsatzge-bieten ermglichen.Foto: Peter Winandy

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  • Ulrich Dilthey, Thomas Dorfmller

    zu fgen. Dabei mssen dieunterschiedlichen produktions-spezifischen Randbedingungender Mikrosystemtechnik berck-sichtigt werden. Fr die Erarbei-tung der sehr speziellen Frage-stellungen bei der Montage hy-brider Mikrosysteme haben sichsechs Aachener Forschungsein-richtungen aus unterschied-lichen Disziplinen zusammenge-funden: die Institute fr Kunst-stoffverarbeitung in Industrieund Handwerk, fr Schwei-technik und Fgetechnik, frWerkstoffe der Elektrotechnik,der Lehrstuhl fr Oberflchen-technik im Maschinenbau so-wie die Fraunhofer-Institute frLasertechnik und Produktions-technologie. In enger Zusam-menarbeit dieser Institute wer-den grundlegende Fragestellun-gen zur Handhabung und zumFgen der Teilkomponentenvon Mikrosystemen mit Mikro-meter-Genauigkeit bearbeitet.Im Folgenden sind beispielhafteinige Forschungsaufgaben undErgebnisse dargestellt.

    Entwicklung eines FlexogripEinen wesentlichen Beitrag zurMontage hybrider Mikrosyste-me liefert die Handhabung. So-wohl vor als auch nach demFgeprozess mssen Bauteilegegriffen, positioniert, justiertund magaziniert werden. Auf-grund der geringen Baugreder Bauteile knnen die aus dermakroskopischen Handhabungbekannten Verfahren nicht oh-ne weiteres auf die Mikrosys-temtechnik bertragen werden.Dies hngt beispielsweise mitdem deutlich greren Einflussvon Adhsionskrften beimGreifen von Mikrobauteilen zu-sammen. Daher sind bekannteTechniken anzupassen oderneue zu entwickeln. Eine flexibleAutomatisierung der Mikro-montage beispielsweise erfor-dert Greifwerkzeuge, die angenderte Aufgaben angepasstwerden knnen. Dieser Forder-ung entsprechend wurde derGreifer Flexogrip, siehe Bild 1,zur Handhabung und Feinjusta-ge von biegeschlaffen Mikro-bauteilen entwickelt. DieserGreifer zeichnet sich durch einGesamtgewicht von etwa 350Gramm und Abmaen von 115mal 75 mal 40 Kubikmillimetersowie einer integrierten Vier-achsigen Feinjustage-Einheitaus. Die zwei integrierten Line-arachsen weisen einen Verfahr-weg von 140 Mikrometer beieiner Schrittweite von 0,1 Mi-krometer auf. Die zwei rotato-

    rischen Achsen ermglichen dieAusrichtung mit einer Aufl-sung von 0,001 Grad. DerFlexogrip ist zudem mit einemhydrostatischen Wegbertra-gungssystem ausgestattet, daseinen sehr kompakten und ro-busten Achsaufbau ermglicht.Die hoch genau justierbareGreiferspitze besteht aus einemV-Nut-strukturierten Vakuum-Greifer zur przisen Bauteilauf-nahme. Die Fhrungen der Li-nearachsen sowie die Lagerungder Kippachsen sind ber rei-bungs- und wartungsfreie Fest-krpergelenke realisiert. DieAuslegung dieser Elemente er-folgte mittels Finite-Elemente-Methode.

    Lotsysteme im BlickDie Schwerpunkte der Untersu-chungen im ProjektbereichWerkstoffe beinhalten nebender Entwicklung, Optimierungund Bereitstellung von Fge-werkstoffen vor allem derengrundlegende Charakterisie-rung im Hinblick auf ihre Eig-nung fr Fgeaufgaben in derMikrosystemtechnik. Hierzuwerden fr die VerfahrenWeichaktivlten an Atmosph-re und das Transient-Liquid-Phase-Bonding grundlegende,fr den Montageprozess rele-vante Eigenschaften ermitteltund entsprechend der spezifi-schen Fgeaufgaben modifi-ziert. Wichtige Kennwerte frdie Entwicklung mikrotechnischrelevanter Fgewerkstoffe sindzum Beispiel die Duktilitt oderDehnbarkeit einer Lotmatrixund die Hrte und Breite inter-metallischer Phasen, die einenentscheidenden Einfluss auf dieFestigkeit von Fgeverbindun-gen haben. Als Beispiel fr dieunterschiedlichen Anforderun-gen an Lotwerkstoffe sei derenEntwicklung fr einen Hochleis-tungsdiodenlaser genannt, wiein Bild 2 dargestellt. DieserHochleistungsdiodenlaser be-steht aus einer Kupfer-Wrme-senke, dem Laserbarren ausGalliumarsenid und der Linse.Der Laserbarren setzt minde-stens 60 Prozent seiner Leis-tung in Wrme und maximal40 Prozent in Laserleistung um.Die derzeitige maximal erreich-bare Laserleistung hngt vonder Khlung ab. Die Verbin-dung Laserbarren-Wrmesenkemuss den Transport der Tempe-ratur vom Laserbarren zur Wr-mesenke gewhrleisten und da-bei stabil bleiben. Auerdemerfolgt die elektrische Kontak-tierung ber die Wrmesenke.

    Forschungsziel Punktionsnadel Die in Bild 3 abgebildete Punk-tionsnadel stellt einen der bear-beiteten Demonstratoren dar,an denen einerseits die engverknpfte gemeinsame Arbeitder Forschungseinrichtungendeutlich und andererseits eineAusrichtung der theoretischenArbeiten an Anforderungen ausder Praxis mglich wird. DiePunktionsnadel ist ein strungs-frei abbildbares Operationsin-strument, dass eine artefakt-freie Darstellung des Operati-onsgebiets ermglicht. Die 120Millimeter lange Punktionsna-del aus kohlenstofffaserver-strktem Kunststoff hat einenueren Durchmesser von1200 Mikrometer. Durch dreiintegrierte Arbeitskanle mitDurchmessern von 700 Mikro-meter, 400 Mikrometer und300 Mikrometer kann nach derPositionierung der Punktionsna-del innerhalb des Operations-gebiets der medizinische Zugrifferfolgen.

    In die Arbeitskanle einge-schobene Lichtleitfasern dienenzur Darstellung des durchge-fhrten Eingriffs sowie zur Koa-gulation der zu entfernendenGewebestrukturen und der Wr-mebehandlung von vorgefalle-nem Bandscheibengewebedurch Laserstrahlung. Der dritteArbeitskanal ermglicht das Ein-bringen von konzentriertemKortison in den Wundherd. Andiesem Demonstrator wurdensmtliche Technologien aus denverschiedenen Projektbereichenzur Montage der Biokompa-tiblen Schneidplatte erprobt.

    http://www.isf.rwth-aachen.de/arbeitsg/forschung/mikro/sfb440/

    Autoren:Univ.-Prof. Dr.-Ing. UlrichDilthey ist Sprecher des Sonderforschungsbereichs 440 Montage hybrider Mikro-systeme und Leiter des Instituts fr Schweitechnikund Fgetechnik. Dipl.-Ing.Thomas Dorfmller ist Wissen-schaftlicher Mitarbeiter am Institut fr Schweitechnik und Fgetechnik.

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    ICHEDDie industrielle Bedeutung derMikrosystemtechnik hat in den

    vergangenen Jahren rapide zu-genommen. Die stndige Mi-niaturisierung zahlreicher beste-hender, aber auch die Entwick-lung neuer Produkte erweitertdas Anwendungsgebiet der Mi-krosystemtechnik in allen Le-bensbereichen. Das gewaltigeWachstum der Mikrosystem-technik erfordert dabei gleich-zeitig die Entwicklung und Op-timierung neuer und bestehen-der Produktionsverfahren.

    In den letzten Jahren beherr-schten vor allem monolithischaufgebaute Mikrosysteme aufSiliziumbasis den Markt. Heutegewinnen zunehmend hybrid,aus mehreren Komponenten,aufgebaute Mikrosysteme anBedeutung, da die Fertigungtechnischer Mikrosysteme aufalleiniger Basis der Siliziumtech-nologie an ihre Grenzen stt.Gerade im Bereich der Optikund der Analytik mssen mi-kroelektronische Bauteilkompo-nenten in grere Struktureneingefgt oder mit weiterenmechanischen Strukturen ver-bunden werden, zum BeispielLinsen, Strahlteiler, Fluidleiteroder Ventile. Hieraus ergibt sichdie Notwendigkeit zur automa-tisierten Montage hybriderBauteile der Mikrosystemtech-nik. Erst durch die sichere Be-herrschung der Montagetech-nologie knnen Mikrosystemewirtschaftlich in der erforderli-chen Stckzahl produziert wer-den.

    Ziel des Sonderforschungs-bereichs 440 Montage hybri-der Mikrosysteme ist es, hand-habungs- und fgetechnischeGrundlagen fr die Herstellungvon Mikrosystemen in hybriderBauweise zu erarbeiten. Dienotwendigen Verfahren fr ei-ne automatisierte Klein- undMittelserienmontage sind nurpunktuell entwickelt. Daherrichtet sich der Sonderfor-schungsbereich nicht auf dieEntwicklung und Herstellungvon Mikrosystemen, sondernvielmehr auf die Entwicklungvon Verfahren und Methoden,um hybride Bauteile zu einemMikrosystem zu montieren und

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    Handhabungs- und Fgetechniken

  • THEMEN

    SONDER-FORSCHUNGS-BEREICHE

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    Bild 1: Der Flexogrip stellt ein System zum Greifen

    biegeschlaffer Bauteile dar.

    Bild 2: Entwickelte Lotwerk-stoffe kommen zum Beispiel in

    einem Hochleistungsdiodenlaserzum Einsatz.

    Bild 3: Die modifizierte mikroinvasive Punktionsnadel

    besitzt einen Adapterflanschfr die Modulkopplung am

    distalen und eine Schneide amproximalen Ende.

    fr die Mikrosystemtechnik

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    Bild 4: Der im Fraunhofer-Institut fr Produktionstechno-logie entwickelte Montagekopffr die Justage von Sigle-Mode-Glasfasern verfgt ber vierhoch przise Bewegungsachsenund ist dennoch mit Beschleu-

    nigungen bis zur fnffachenErdbeschleunigung belastbar.Diese robuste Bauweise er-laubt einen effizienten undprozesssicheren Einsatz desMontagekopfs.Foto: Peter Winandy

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  • Wolfgang Schrder

    Temperatur des Strmungsme-diums bis auf minus 160 GradCelsius abgesenkt und der Ka-naldruck auf 4,5 bar erhhtwird. Mitte 2006 wurden imETW in Kooperation mit Airbusund dem Deutschen Zentrumfr Luft- und Raumfahrt unterderartigen Bedingungen Versu-che zu aeroelastischen Effektenim Grenzbereich durchgefhrt.Dabei entstehen Luftkrfte vonbis zu drei Tonnen auf das ent-worfene Flgelmodell, dessenGrundrissflche knapp 0,4Quadratmeter betrgt. Dieseextremen Strmungsbedingun-gen erfordern einen besonde-ren Werkstoff fr das schwin-gende Modell, das auch bei mi-nus 160 Grad Celsius seine Elas-tizitt und Festigkeit beibehal-ten muss.

    Bei diesen international ers-ten aeroelastischen Versuchenunter Reiseflugbedingungenwurde die Schwingungsanre-gung des Tragflgels durch pe-riodisch wirkende Krftepaarean der Flgelwurzel realisiert. Inden ber 180 Einzelversuchenwurden unabhngig voneinan-der die Fluggeschwindigkeitund die Schwingungsanregungvariiert. Fnf Techniken zurMessung der Krfte und Mo-mente mittels einer eigens imSonderforschungsbereich 401konstruierten Piezowaage, derFlgelverformung durch opti-sche Verfolgung von Markernauf der Flgeloberflche, derZeitverlufe des Drucks mittelsMiniatursensoren in sieben Pro-filsschnitten sowie der Dehnun-gen und Beschleunigungenwurden angewandt.

    Die bereinstimmung derErgebnisse aus den bisher aus-gewerteten Experimenten mitden Vorhersagen aus Berech-nungen erwies sich als exzel-lent. Somit stellt dieses Experi-ment einen Meilenstein dar, umauch in Zukunft anhand dieserermittelten Daten numerischeMethoden zu qualifizieren, diezur Entwicklung neuer Tragfl-gelgeometrien herangezogenwerden.

    Die numerische Simulationderartiger komplexer Strmungs-vorgnge, wie sie im Reiseflug

    oder in der Hochauftriebsphaseauftreten, ist zu einem unver-zichtbaren Standbein der tech-nologischen Entwicklung ge-worden. Sie liefert Erkenntnissein physikalische Ablufe, dieexperimentell nur unter immen-sem Aufwand beziehungsweiseteilweise berhaupt nicht zu-gnglich wren.

    Den Ausgangspunkt fr nu-merische Simulationen bildenmathematische Beschreibungenfr die betreffenden Strmungs-prozesse. Bei realistischen An-wendungen bedeutet das, dassMillionen von Gleichungssyste-men mit Millionen von Unbe-kannten zu lsen sind. DieseGleichungen entstehen durchAufteilung des Strmungsge-bietes in Millionen von kleinenVolumina, die insgesamt als Re-chennetz bezeichnet werden.Bei Bewegungen der umstrm-ten Konfiguration, zum Beispielaufgrund der Auslenkung undVerwindung des Tragflgelsdurch die Wechselwirkung zwi-schen Strmung und Struktur,mssen im Verlauf des Lsungs-prozesses die Rechennetze hin-sichtlich Lage und Auflsungangepasst werden. Diese An-forderungen an eine generelleAdaptivitt bei gleichzeitigerGenauigkeit sind durch verfg-bare kommerzielle Software beiweitem nicht erfllt.

    Die Lsung derartiger Auf-gaben erfordert nicht nur dieSteigerung der Rechnerkapa-zitten, sondern auch neuartigemathematische Anstze ver-bunden mit informatischenKonzepten wie Parallelisierungund Datenstrukturen. Als Ant-wort auf derartige Herausfor-derungen wurde ein neuerStrmungslser entwickelt. Ersttzt sich auf mehrere innova-tive Konzepte wie wavelet-ba-sierte Adaptionstechniken, dieje nach der individuellen loka-len Struktur der Lsung Rech-nerressourcen nur dort konzen-trieren, wo sie fr eine ge-wnschte Lsungsgenauigkeiterforderlich sind. Zur effizientenUmsetzung wurde ein neuesGittergenerierungskonzept ent-wickelt, das auf lokalen B-Spline-Techniken beruht. Infolge der

    neu implementierten mathema-tischen Konzepte kann der Str-mungslser als wegweisend frzuknftige Strmungslser ange-sehen werden.

    Weiterhin werden die Str-mungsverhltnisse beim Startund bei der Landung anhandzahlreicher Experimente in Wind-kanlen sowie numerischer Un-tersuchungen an Flgel- oderauch Flugzeugmodellen analy-siert. Zum Beispiel wird die Wir-kung oszillierender Ruderaus-schlge oder vernderter Ru-dergeometrien zur Reduktionder Gefhrdung durch Flgel-randwirbel erforscht. Windkanal-versuche mit Triebwerksmodel-len zeigen den Einfluss derTriebwerksstrahlen auf das Wir-belsystem in unmittelbarerNhe des Tragflgels. Die expe-rimentellen Ergebnisse werdenals Eingabedaten in Computer-simulationen verwendet, mitwelchen das Strmungsfeld bisweit stromab vom Tragflgelberechnet wird. Somit deckt dieKombination von Experimentenund Computerberechnungenden gesamten Bereich der Ge-schwindigkeiten und rumli-chen Ausdehnung des Str-mungsgebietes eines realenFlugzeuges ab.

    Die Kooperation im Sonder-forschungsbereich kann als Pa-radebeispiel fr eine in Zukunftimmer bedeutend