abgeschlossene Projekte

Die Forschungsaktivitäten an unserer TUHH sind in der ingenieurwissenschaftlichen Grundlagenforschung verankert. Ein Indikator für den Erfolg in der Grundlagenforschung und für deren Qualität ist die Vergabe von Forschungsmitteln durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Bislang konnten drei Sonderforschungsbereiche, drei Forschergruppen und vier Graduiertenkollegs an der TUHH eingerichtet werden.

„Kunst und Technik”

Leitung: Prof. Dr. Margarete Jarchow

Das Ziel des Graduiertenkollegs Kunst und Technik – Material und Form in künstlerischen und technischen Gestaltungsprozessen besteht darin, ingenieur- und geisteswissenschaftliche Forschungsgebiete durch übergeordnete Fragestellungen zusammenzuführen.

Das gemeinsame Forschungsinteresse richtet sich auf die Bedeutung von Material und Form in Kunst und Technik. Im Zentrum steht die Frage der Formfindung bzw. der Abhängigkeiten zwischen den technischen Eigenschaften von Materialien und den Möglichkeiten der Formgebung. Ein spezielles Augenmerk liegt auch auf den Gestaltungsprozessen (Vorgehens- und Produktionsweisen) in Kunst und Technik, ihrer Unterscheid- und Vergleichbarkeit, ihren Grenz- und Überlappungszonen und den durch wechselseitige Inspiration oder Impulse bedingten Parallelentwicklungen.

Die Forschung im Kolleg ist sowohl interdisziplinär als auch transdisziplinär angelegt und soll zwischen naturwissenschaftlich-technischen und künstlerisch-geisteswissenschaftlichen Disziplinen eine Verständigung schaffen.

„Seehäfen für Containerschiffe zukünftiger Generationen”

Leitung: Prof. Dr. Jürgen Grabe

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat den Antrag der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) auf Einrichtung eines Graduiertenkollegs zum Thema Seehäfen für Containerschiffe zukünftiger Generationen bewilligt.

Weltweit werden enorme Wachstumsraten im Containerumschlag verzeichnet. Die größten Schiffseinheiten liegen derzeit bei 8.000 TEU. Es gibt bereits Entwurfsstudien für Schiffsgrößen von 18.000 TEU mit einer Länge von über 400 m, einer Breite von 70 m und einem Tiefgang von 21 m. Mit dem Bau von Seehäfen sind hiermit zukünftig enorme Herausforderungen verbunden. Die Manövrierbarkeit dieser Schiffsriesen unter Flachwasserbedingungen im beengten Fahrwasser ist offensichtlich schwierig. Die Wahrscheinlichkeit von Berührungen bzw. Kollisionen dieser Schiffe mit Hafenanlagen nimmt zu. Durch Nutzung von leistungsstarken Bugstrahlrudern können tiefreichende Kolke entstehen, die ihrerseits wieder das Tragverhalten der Hafenanlagen negativ beeinflussen. Der Anlegedruck der Schiffe an den Kai ist erheblich größer als bei kleinen Einheiten. Des weiteren können durch die Schiffe Schwall und Hafenresonanzen in komplexen Hafengeometrien entstehen. Die großen Schiffseinheiten erfordern hohe Umschlagsleistungen der Containerbrücken. Die Folge sind höhere dynamische Lasten für die Kaikonstruktion. Für vorhandene Kaikonstruktionen sind Konzepte zur Verstärkung und Vertiefung auszuarbeiten. Für die gestiegenen Anforderungen an Seehäfen zukünftiger Containerschiffsgenerationen sind Grundlagenforschungen auf dem Gebiet der Interaktion von Schiff, Fluid, Struktur und Boden erforderlich. Ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG bewilligtes Graduiertenkolleg soll diese Grundlagen erarbeiten. Das Forschungsprogramm ist thematisch unterteilt in Fragestellungen zur Herstellung von Kaikonstruktionen großer Abmessungen, betriebliche Belastungszustände und extreme Belastungssituationen. Aufgrund der Komplexität ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Forschern aus dem Schiffbau, der Mechanik und Meerestechnik, des Stahl- und Massivbaus sowie der Geotechnik vorgesehen. Dieser ganzheitliche Betrachtungsansatz ist innovativ und eine notwendige Voraussetzung zur Bewältigung der weltweit anstehenden Herausforderungen für den Seehafenbau für Containerschiffe zukünftiger Generationen.

„Aktive und abstimmbare mikrophotonische Systeme auf der Basis von Silicon-On-Insulator (SOI)”

Leitung: Prof. Dr. Ernst Brinkmeyer

Die Silizium-Photonik ist seit mehr als einem Jahrzehnt ein attraktives Teilgebiet der Integrierten Optik, besonders stürmisch hat sie sich jedoch in den letzten Jahren entwickelt (siehe z.B. G.T. Reed „The optical age of silicon” in Nature, 2004). Die volle Kompatibilität der Silicon-On-Insulator-Photonik mit den Prozessen der Mikroelektronik eröffnet die Perspektive, mittelfristig eine hochkompakte Integration elektronischer und photonischer Komponenten auf einem gemeinsamen Substrat erreichen zu können. Der hohe Indexkontrast von SOI-Wellenleitern verspricht kleinste Krümmungsradien und kompakteste Komponenten mit niedrigen Wellenleiterdämpfungen bis hinab zu weniger als 0,1 dB/cm. Wesentliche Materialeigenschaften sind der breite optische Transparenzbereich vom nahen bis weit zum mittleren Infrarot und die sehr gute Eignung für photonische Kristallstrukturen. Jüngst erzielte faszinierende Fortschritte sprechen dafür, dass sich die SOI-Technologie in Zukunft als Plattform für die Integrierte Optik etablieren wird.

Mit den Forschungsvorhaben der DFG-Forschergruppe sollen in einer ersten Phase zentrale Fragestellungen adressiert werden, die einen Durchbruch der SOI-Photonik zur Zeit noch behindern. Insbesondere sollen effiziente optische Verstärker und Laser auf der Basis stimulierter Ramanstreuung realisiert, Abstimmungs- und Modulationsmöglichkeiten mit mikromechanischen Mitteln wie auch solche auf der Basis organischer und anorganischer elektrooptischer Cladding-Materialien untersucht, realisiert, verglichen, wichtige Basiskomponenten wie Bragg-Gitter, Umlenkspiegel und langperiodische Gitter entwickelt und grundlegende Anwendungen wie programmierbare Resonatoren, abstimmbare Dispersionskompensatoren und Pulsformer demonstriert werden. In einer sich anschließenden Phase sollen diese und gegebnenfalls weitere neuartige Komponenten und Subsysteme zu einem komplexen integriert-optischen System vereinigt werden, um so die Integration auf kleinster Fläche in einer mit der Mikroelektronik kompatiblen Prozesstechnik zu demonstrieren.

Plastizität in Nanokristallinen Metallen und Legierungen

Leitung:   Prof. Dr.-Ing. Jörg Weißmüller

Metalle mit einer Kristallitgröße im Bereich von 30nm und darunter zeichnen sich durch einzigartige mechanische Eigenschaften mit einem erheblichen Anwendungspotential aus. Dies resultiert aus den geänderten oder gar völlig neuartigen Mechanismen, welche bei derart kleinen Korngrößen die Verformung tragen und damit die Festigkeit und Duktilität des Werkstoffs bestimmen. Weil zur Zeit nur ein rudimentäres Verständnis dieser Mechanismen vorhanden ist, hat ihre Untersuchung seit kurzem  intensives wissenschaftliches Interesse gefunden.

Die Forschergruppe "Plastizität in Nanokristallinen Metallen und Legierungen" verfügt über weitreichende Expertise auf den Arbeitsgebieten Nanomaterialien und mechanische Eigenschaften, und die teilnehmenden Institutionen sind in ein einzigartiges wissenschaftliches Umfeld eingebunden. Die Forschungsaktivitäten auf den Gebieten Herstellung, Charakterisierung, und Modellierung zielen auf die Beantwortung der folgenden Fragen:

• Welche Verformungsmechanismen dominieren bei einem Werkstoff mit einer bestimmten Korngröße, Legierungszusammensetzung und Stapelfehlerenergie bei gegebenen Verformungsbedingungen wie     Temperatur, Dehnrate oder Spannungszustand,
• Wie lauten die resultierenden konstitutiven Materialgesetze, und
• Welche Strategien bei der Gestaltung des Gefüges und der Zusammensetzung führen zu Werkstoffen mit optimalen Eigenschaften in Bezug auf Herstellbarkeit und mechanisches Verhalten.

Das Forschungsvorhaben konzentriert sich auf die wenig untersuchte Stoffklasse am unteren Ende der Korngrößenskala, einphasige nanokristalline Volumenmaterialien mit einer Kristallitgröße im Bereich von 30nm und kleiner.

Es werden neben elementaren Metallen erstmals systematisch nanokristalline Mischkristalle untersucht und dazu systematische Messreihen durchgeführt. Dabei wird mit unterschiedlichen Verformungs- und Charakterisierungsmethoden für identisch hergestellte Proben gearbeitet, um größtmögliche Vergleichbarkeit in Bezug auf das Gefüge sicherzustellen. Dies erlaubt eine vergleichende Diskussion der Ergebnisse. Ein Arbeitsschwerpunkt ist bei in-situ Methoden angesiedelt, mit den Verfahren Röntgenbeugung mit Synchrotronstrahlung, Transmissions- sowie Rasterelektronenmikroskopie. Die Forschung erstreckt sich auf die Gebiete Herstellung und Charakterisierung nanokristalliner Materialien, experimentelle Untersuchung der Plastizität sowie deren Modellierung.

„1163: Techniken, Algorithmen und Konzepte für zukünftige COFDM Systeme (TakeOFDM)”

Leitung: Prof. Dr. Hermann Rohling

Die Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Übertragungstechnik ist heute deshalb so populär, weil sie in breitbandigen Funkkanälen mit Mehrwegeausbreitungseffekten ein robustes Verhalten zeigt. Das Ziel des seit 2004 aktiven DFG 1163 Schwerpunktprogramms TakeOFDM liegt in der Betrachtung und Analyse von OFDM basierten Nachrichtensystemen.

Es werden schichtenübergreifende Verfahren und Algorithmen modellhaft entworfen und deren Zusammenwirken wird ausführlich untersucht. Im Rahmen des Programms werden insbesondere die Protokolle, Vielfachzugriffsverfahren und Techniken der Linkadaption auf der Datensicherungsschicht ausführlich, aber immer gemeinsam und in Abstimmung mit den Fragen der OFDM basierten physikalischen Schicht analysiert und neu entworfen. Das Schwerpunktprogramm ist interdisziplinär angelegt, weil die Thematik dies dringend erfordert. Wissenschaftler und Experten aus den Bereichen Hochfrequenztechnik, Nachrichtentechnik, Protokollarchitektur, Codierungstheorie und Netzwerksicherheit arbeiten daher zusammen, und Verbundvorhaben werden deshalb insbesondere gefördert. Insgesamt beteiligen sich Wissenschaftler aus 18 deutschen Universitäten an diesem Schwerpunktprogramm. Bislang wurden 37 Teilprojekte gefördert. Einige beispielhafte Forschungsthemen sind im Folgenden aufgelistet:

• Mehrantennensysteme basierend auf der OFDM-Übertragungstechnik zur wesentlichen Steigerung der Datenrate,
• gemeinsame Optimierung der physikalischen und Datensicherungsschicht (DLC),
• flexible Vielfachzugriffstechniken und selbstorganisierende Ressourcenvergabe für OFDM Systeme auch in zellularen Netzen,
• neue Kanalcodier-, Synchronisations- und Entzerrerkonzepte für OFDM basierte Systeme.

In den Systementwürfen werden Fragen der Flexibilität und Adaptivität ausführlich betrachtet. Darüber hinaus werden auch Implementierungsaspekte berücksichtigt, die häufig wichtige und nicht vernachlässigbare Randbedingungen für das Verhalten und die wirtschaftliche Bedeutung der betrachteten Systeme setzen.

„1155: Molekulare Modellierung und Simulation in der Verfahrenstechnik”

Leitung: Prof. Dr. Frerich Keil

In der Verfahrenstechnik werden zur Modellierung bislang überwiegend phänomenologische Methoden eingesetzt, deren Möglichkeiten jedoch mittlerweile auf vielen Gebieten ausgelotet sind. Hingegen bieten molekulare Methoden für die Verfahrenstechnik neue Möglichkeiten, deren Potential bislang kaum genutzt wird. Damit molekulare Methoden Eingang in die verfahrenstechnische Praxis finden können, müssen vor allem bessere quantitative Modelle der zwischenmolekularen Wechselwirkungen und effiziente Simulationsverfahren entwickelt werden, die technischen Genauigkeitsanforderungen bei vertretbarem Aufwand genügen. Diese Ziele sollen in dem beantragten Schwerpunkt durch Projekte auf Gebieten verfolgt werden, in denen klassische Ansätze versagen oder nur unbefriedigende Ergebnisse liefern.

Arbeitsschwerpunkte sind:

• Prädiktive Stoffdatenmodelle, z.B. für Elektrolyt- und Tensidlösungen,
• Vorgänge in metastabilen Phasen, z.B. Keimbildung und –wachstum,
• Vorgänge an Fluid-Feststoff Grenzflächen, z.B. bei der Adsorption,
• Vorgänge in porösen Medien, wie Zeolithen, z.B. Diffusion, Reaktion, Phasenübergänge, Permeabilität, Selektivität,
• Membranprozesse und -materialien, z.B. Diffusion, Reaktion, Permeabilität, Selektivität, Leitfähigkeit.

Das Fehlen von Modellen und Simulationswerkzeugen auf diesen Gebieten behindert die Entwicklung vieler neuer Prozesse und Produkte. Ein Durchbruch ist hier nur mit molekularen Methoden möglich, da nur diese Einsicht in die tatsächlich ablaufenden Vorgänge erlauben, so dass ein gezieltes Design eines Prozesses möglich wird. Ziel des Schwerpunkts ist es, methodische Grundlagen hierfür bereitzustellen.

Mit seinem Ziel, eine Brücke zwischen molekularen Eigenschaften und makroskopischem Stoffverhalten zu schlagen, gehört der hier beantragte Schwerpunkt inhaltlich zur DFG-Projektgruppe „Vom Molekül zum Material“. Die Ziele des Schwerpunktprogramms lassen sich nur durch eine enge interdisziplinäre Kooperation erreichen, bei der die zentralen Aufgaben an den Schnittstellen der Gebiete Verfahrenstechnik, Chemie und Physik liegen.

In den Schwerpunkt sind leistungsstarke Gruppen aus Nachbarländern eingebunden. Dies stärkt die internationale Profilierung und nachhaltige Entwicklung des Arbeitsgebiets.

Die Einrichtung des Schwerpunkts ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt besonders wichtig, weil auf dem Gebiet der Anwendung molekularer Methoden in den Ingenieurwissenschaften in Deutschland im Vergleich zu anderen Industrieländern ein akuter Nachholbedarf in Forschung und Lehre besteht. Mit dem international orientierten Schwerpunkt wären günstige Voraussetzungen vorhanden, die Entwicklungen auf diesem zukunftsweisenden Arbeitsgebiet aktiv mit zu gestalten. Ohne die gezielte Bündelung und den Ausbau der Aktivitäten in dem Schwerpunkt und seine Ausstrahlung in benachbarte Gebiete laufen wir Gefahr, den Anschluss an die internationale Spitze auf diesem Forschungsgebiet zu verlieren.

„1570: Poröse Medien mit definierter Porenstruktur in der Verfahrenstechnik -- Modellierung, Anwendungen, Synthese”

Leitung: Prof. Dr. Frerich Keil

Das Problem der Behandlung von Transportprozessen und Reaktionen in porösen Medien begleitet die Verfahrenstechnik bereits seit den dreißiger Jahren des vorigen Jahrhunderts. Katalysatorträger, Membranen, Adsorbentien, Chromatographiesäulen, zu trocknende Materialien, wie z. B. Kohle oder Torf, sind porös. Die poröse Feststoffstruktur wurde zunächst als effektives Medium modelliert. Zu Beginn der fünfziger Jahre setzte langsam eine detailliertere Modellierung der Porenstruktur ein, die in den neunziger Jahren einen raschen Aufschwung nahm. Zum ersten Mal wurden von weltweit etwa fünf Gruppen Optimierprobleme anhand von Porenstrukturen gemäß vorgegebener Kriterien gelöst, die klar gezeigt haben, dass sich die Optimierung von Porenstrukturen lohnt, um z. B. Ausbeuten von Katalyseprozessen zu erhöhen. Es gab jedoch ein wesentliches Hindernis: man konnte die optimalen Strukturen nicht gezielt herstellen.

Diese Situation hat sich in den letzten zehn Jahren drastisch geändert. Durch Einsatz neuer Templattechniken, der Verwendung neuer Precursoren, polymerkontrollierte Phasentrennung mit z. B. Polyethlyenoxid (PEO), Direktschäumungsverfahren sowie lithographischer Methoden etc. ist es nun möglich geworden, Porenstrukturen auf der Nano-, Meso- und Makroskala entsprechend Vorgaben herzustellen. Dadurch wird die kontrollierte Synthese berechneter optimaler Strukturen möglich. In den letzten Jahren wurde daher der Terminus "Engineered Porous Materials" geprägt. Weiterhin wurden in den letzten Jahren wesentliche Fortschritte in der Charakterisierung poröser Materialien gemacht, zum einen aufgrund deutlich besserer Modelle, wie z. B. der "non-local density functional theory" (NLDFT), und zum anderen aufgrund bildgebender Verfahren, wie z. B. "Magnetic Resonance Imaging" (MRI), mehrdimensionale NMR oder Kombination von Physisorptionsexperimenten mit Kleinwinkelröntgenstreuung (in situ SANS/SAXS-Physisorption). Das MRI gestattet eine in-situ Beobachtung von Gaszusammensetzungen und Flüssigkeitsverteilungen im Inneren einzelner Pellets mit einer örtlichen Auflösung, die vor wenigen Jahren nicht möglich war, sowie die Messung von Diffusionskoeffizienten. In den letzten Monaten ist es zum ersten Mal gelungen, auf molekularer Ebene Reaktionen in Zeolithen einschließlich der Diffusionsvorgänge bis hin zum Reaktor durch Mehrskalenmethoden zu beschreiben.

Die neuen Möglichkeiten der Synthese, Charakterisierung und Modellierung sollen im beantragten Schwerpunkt für verfahrenstechnische Anwendungen genutzt werden. Dazu sollen Verfahrenstechniker und einschlägig bekannte Synthesechemiker sowie Werkstoffwissenschaftler gemeinsam das Potential definierter Porenstrukturen in der Verfahrenstechnik ausloten. Die Hauptgebiete sollen Modellierung, Anwendungen und Synthese von definierten Porenstrukturen in der Verfahrenstechnik sein. Es sollen einige paradigmatische Beispiele als Anwendungen herangezogen werden, überwiegend aus dem Bereich Umweltschutz und Energietechnik, z. B. Adsorption von Fluiden, Membrantrennungen und -Reaktoren, Trocknungstechnik, katalytische Mehrphasenreaktoren, Reinigung von Kraftwerksabgasen. Die benutzten porösen Materialien sollen entsprechend den Vorgaben optimaler verfahrens-technischer Erfordernisse synthetisiert und dann im Betrieb getestet werden. Um vertiefte Einsichten in die Beziehungen zwischen Porenstruktur und Eigenschaften zu gewinnen, sollen detaillierte Porenmodelle und Modelle der Reaktions-/Diffusionsvorgänge erstellt werden, in Einzelfällen bis zur molekularen Auflösung (Monte Carlo, Molekulardynamik, DFT), deren Daten anhand der erwähnten Messmethoden geprüft werden sollen. Insbesondere sollen auch Analogien in der Modellierung verschiedener verfahrenstechnischer Anwendungen herausgearbeitet werden.