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Molecular modeling is an important subdomain in the field of computational modeling, regarding both scientific and industrial applications. This is because computer simulations on a molecular level are a virtuous instrument to study the impact of microscopic on macroscopic phenomena. Accurate molecular models are indispensable for such simulations in order to predict physical target observables, like density, pressure, diffusion coefficients or energetic properties, quantitatively over a wide range of temperatures. Thereby, molecular interactions are described mathematically by force fields. The mathematical description includes parameters for both intramolecular and intermolecular interactions. While intramolecular force field parameters can be determined by quantum mechanics, the parameterization of the intermolecular part is often tedious. Recently, an empirical procedure, based on the minimization of a loss function between simulated and experimental physical properties, was published by the authors. Thereby, efficient gradient-based numerical optimization algorithms were used. However, empirical force field optimization is inhibited by the two following central issues appearing in molecular simulations: firstly, they are extremely time-consuming, even on modern and high-performance computer clusters, and secondly, simulation data is affected by statistical noise. The latter provokes the fact that an accurate computation of gradients or Hessians is nearly impossible close to a local or global minimum, mainly because the loss function is flat. Therefore, the question arises of whether to apply a derivative-free method approximating the loss function by an appropriate model function. In this paper, a new Sparse Grid-based Optimization Workflow (SpaGrOW) is presented, which accomplishes this task robustly and, at the same time, keeps the number of time-consuming simulations relatively small. This is achieved by an efficient sampling procedure for the approximation based on sparse grids, which is described in full detail: in order to counteract the fact that sparse grids are fully occupied on their boundaries, a mathematical transformation is applied to generate homogeneous Dirichlet boundary conditions. As the main drawback of sparse grids methods is the assumption that the function to be modeled exhibits certain smoothness properties, it has to be approximated by smooth functions first. Radial basis functions turned out to be very suitable to solve this task. The smoothing procedure and the subsequent interpolation on sparse grids are performed within sufficiently large compact trust regions of the parameter space. It is shown and explained how the combination of the three ingredients leads to a new efficient derivative-free algorithm, which has the additional advantage that it is capable of reducing the overall number of simulations by a factor of about two in comparison to gradient-based optimization methods. At the same time, the robustness with respect to statistical noise is maintained. This assertion is proven by both theoretical considerations and practical evaluations for molecular simulations on chemical example substances.
Qualitätsverbesserung und Zeitersparnis bei der Stipendienvergabe durch automatisierten Workflow
(2013)
Für die Vergabe der Deutschlandstipendien hatte die Hochschule anfangs ein Verfahren festgelegt, das viel manuelle Arbeitsschritte umfasst: Die Studierenden hatten ihre Bewerbungsunterlagen schriftlich einzureichen. Dazu gehörten neben einem Motivationsschreiben, einem Ausdruck des aktuellen Notenspiegels alle weiteren Referenzen zur Einschätzung der Bewerbung gemäß den gesetzlichen Auswahlkriterien. Als Grundlage zur Bewertung der „sozialen Kriterien“ sollten die Bewerberinnen und Bewerber ein Gutachten eines Professors oder einer Professorin der Hochschule einholen.
Das AD 2000-Regelwerk ist der dominierende Standard für den Druckbehälterbau in Deutschland. Die bereits in anderen europäischen Ländern verbreitete DIN EN 13445 findet kaum Berücksichtigung. Dies allerdings zu Unrecht, denn ein aktueller Vergleich, der im Rahmen einer Bachelorarbeit durchgeführte wurde, zeigt: Die EN 13445 ist zu einer echten Alternative gereift. Gerade das Hauptargument gegen eine Umstellung, die steigenden Kosten, ist längst überholt.
Automated parameterization of intermolecular pair potentials using global optimization techniques
(2014)
In this work, different global optimization techniques are assessed for the automated development of molecular force fields, as used in molecular dynamics and Monte Carlo simulations. The quest of finding suitable force field parameters is treated as a mathematical minimization problem. Intricate problem characteristics such as extremely costly and even abortive simulations, noisy simulation results, and especially multiple local minima naturally lead to the use of sophisticated global optimization algorithms. Five diverse algorithms (pure random search, recursive random search, CMA-ES, differential evolution, and taboo search) are compared to our own tailor-made solution named CoSMoS. CoSMoS is an automated workflow. It models the parameters’ influence on the simulation observables to detect a globally optimal set of parameters. It is shown how and why this approach is superior to other algorithms. Applied to suitable test functions and simulations for phosgene, CoSMoS effectively reduces the number of required simulations and real time for the optimization task.
Das sogenannte „Deutschlandstipendium“ ist 2010 ins Leben gerufen worden. Gemäß den gesetzlichen Vorgaben sollen die Stipendien nach Begabung und Leistung vergeben werden. Darüber hinaus sollen auch gesellschaftliches Engagement oder besondere soziale, familiäre oder persönliche Umstände berücksichtigt werden. Bei der Finanzierung sind die Hochschulen zunächst auf das Einwerben privater Fördermittel angewiesen, die von Bund und Land um denselben Betrag aufgestockt werden. Die privaten Mittelgeber können für die von ihnen anteilig finanzierten Stipendien festlegen, aus welchen Studiengängen ihre Stipendiaten ausgewählt werden sollen. Die Hochschulen haben jedoch darauf zu achten, dass ein Drittel aller zu vergebenden Stipendien ohne eine entsprechende Zweckbindung vergeben werden. Einen direkten Einfluss auf die Auswahl einzelner Kandidaten dürfen die Förderer nicht haben. Vor diesem Hintergrund sind die Hochschulen angehalten, Anreize für private Förderer zu schaffen und parallel Bewerbungs- und Auswahlverfahren zu konzipieren, die die genannten gesetzlichen Vorgaben einhalten. Dadurch entsteht bei den Hochschulen ein erheblicher Verwaltungsaufwand. Zu dessen Reduzierung wird in diesem Artikel ein transparenter, nachvollziehbarer, zeit- und kostensparender Prozess durch einen programmierten Workflow beschrieben.
Das Thema Prozessorganisation hat die gfo in den letzten Jahren intensiv begleitet und auf mehreren Tagungen eingehend diskutiert. Um den aktuellen Umsetzungsstand der Prozessorganisation in Deutschland zu untersuchen wurde im Jahr 2014 eine empirische Studie durchgeführt. Neben der Ist-Situation liefert die Studie Einsichten in Erwartungen über zukünftige Entwicklungen, Hindernisse und Erfolgsfaktoren der Einführung einer Prozessorganisation sowie zur Zielerreichung durch prozessorientierte Organisationen.
Solar energy is one option to serve the rising global energy demand with low environmental impact.1 Building an energy system with a considerable share of solar power requires long-term investment and a careful investigation of potential sites. Therefore, understanding the impacts from varying regionally and locally determined meteorological conditions on solar energy production will influence energy yield projections. Clouds are moving on a short term timescale and have a high influence on the available solar radiation, as they absorb, reflect and scatter parts of the incoming light.2 However, the impact of cloudiness on photovoltaic power yields (PV) and cloud induced deviations from average yields might vary depending on the technology, location and time scale under consideration.
Polyether and polyether/ester based TPU (thermoplastic polyurethanes) were investigated with wide-angle XRD (X-ray diffraction) and SAXS (small angle X-ray scattering). Furthermore, SAXS measurements were performed in the temperature range of 30 °C to 130 °C. Polyether based polymers exhibit only one broad diffraction signal in a region of 2 θ 15° to 25°. In case of polyurethanes with ether/ester modification, the broad diffraction signal arises with small sharp diffraction signals. SAXS measurements of polymers reveal the size and shape of the crystalline zones of the polymer. Between 30 °C and 130 °C the size of the crystalline zone changes significantly. The size decreases in most of investigated TPU. In the case of Desmopan 9365D an increase of the particle size was observed.
Solar energy is one option to serve the rising global energy demand with low environmental Impact [1]. Building an energy system with a considerable share of solar power requires long-term investment and a careful investigation of potential sites. Therefore, understanding the impacts from varying regionally and locally determined meteorological conditions on solar energy production will influence energy yield projections. Clouds are moving on a short term timescale and have a high influence on the available solar radiation, as they absorb, reflect and scatter parts of the incoming light [2]. However, modeling photovoltaic (PV) power yields with a spectral resolution and local cloud information gives new insights on the atmospheric impact on solar energy.
Wireless sensor networks are widely used in a variety of fields including industrial environments. In case of a clustered network the location of cluster head affects the reliability of the network operation. Finding of the optimum location of the cluster head, therefore, is critical for the design of a network. This paper discusses the optimisation approach, based on the brute force algorithm, in the context of topology optimisation of a cluster structure centralised wireless sensor network. Two examples are given to verify the approach that demonstrate the implementation of the brute force algorithm to find an optimum location of the cluster head.
Reliable and regional differentiated power forecasts are required to guarantee an efficient and economic energy transition towards renewable energies. Amongst other renewable energy technologies, e.g. wind mills, photovoltaic systems are an essential component of this transition being cost-efficient and simply to install. Reliable power forecasts are however required for a grid integration of photovoltaic systems, which among other data requires high-resolution spatio-temporal global irradiance data. Hence the generation of robust reviewed global irradiance data is an essential contribution for the energy transition.
Tierexperimentell konnte nachgewiesen werden, dass spezifische Ionenkanäle (vor allem TRPA1) des nozizeptiven Systems nachhaltig durch die Exposition mit blauem Licht moduliert werden können. Durch Nachweis der Wirksamkeit von nicht-visuellen Effekten einer Lichtexposition auf Somatosensorik und Nozizeption beim Menschen könnte der Einsatz einer Lichttherapie bei Patienten mit Erkrankungen des somatosensorischen Systems, insbesondere neuropathischen Schmerzen, von großer Bedeutung sein.
Die allgemeine Konnotation von Technik mit Männlichkeit hat Auswirkungen auf die Berufswahlentscheidungen und das Technikverständnis von jungen Frauen. Nur gut 22 Prozent aller Studierenden in den Ingenieurswissenschaften waren 2014 in Deutschland weiblich (vgl. MonitorING)1. Seit Jahren wird versucht, diese Zahlen nach oben zu korrigieren, indem man Programme für Mädchen und junge Frauen anbietet, die erste Kontakte zu technischen Arbeitsfeldern her stellen. Auch für bereits berufstätige Ingenieurinnen gibt es zahlreiche Förderprogramme, um den Drop-out hochqualiizierter Frauen auf der Karriere leiter zu verhindern. Dennoch verändern sich die prozentualen Anteile von Frauen in ingenieurswissenschaftlichen Studiengängen und Berufen kaum. Aktuelle Studien belegen, dass vor allem kulturell bedingte Erwartungen und Einstellungen hierfür verantwortlich sind (vgl. Paulitz 2012).
Reliable and regional differentiated power forecasts are required to guarantee an efficient and economic energy transition towards renewable energies. Amongst other renewable energy technologies, e.g. wind mills, photovoltaic (PV) systems are an essential component of this transition being cost-efficient and simply to install. Reliable power forecasts are however required for a grid integration of photovoltaic systems, which among other data requires high-resolution spatio-temporal global irradiance data.
Solar energy is one option to serve the rising global energy demand with low environmental impact. Building an energy system with a considerable share of solar power requires long-term investment and a careful investigation of potential sites. Therefore, understanding the impacts from varying regionally and locally determined meteorological conditions on solar energy production will influence energy yield projections.
Impact of atmospheric aerosols on photovoltaic energy production - Scenario for the Sahel zone
(2017)
Photovoltaic (PV) energy is one option to serve the rising global energy need with low environmental impact. PV is of particular interest for local energy solutions in developing countries prone to high solar insolation. In order to assess the PV potential of prospective sites, combining knowledge of the atmospheric state modulating solar radiation and the PV performance is necessary. The present study discusses the PV power as function of atmospheric aerosols in the Sahel zone for clear-sky-days. Daily yields for a polycrystalline silicon PV module are reduced by up to 48 % depending on the climatologically-relevant aerosol abundances.
Today, more than 70 million tons of lignin are produced by the pulp and paper industry every year. However, the utilization of lignin as a source for chemical synthesis is still limited due to the complex and heterogeneous lignin structure. The purpose of this study was a selective photodegradation of industrially available kraft lignin in order to obtain appropriate fragments and building block chemicals for further utilization, e.g. polymerization. Thus, kraft lignin obtained from soft wood black liquor by acidification was dissolved in sodium hydroxide and irradiated at a wavelength of 254 nm with and without the presence of titanium dioxide in various concentrations. Analyses of the irradiated products via SEC showed decreasing molar masses and decreasing polydispersity indices over time. At the end of the irradiation period the lignin was depolymerised to form fragments as small as the lignin monomers. TOC analyses showed minimal mineralisation due to the depolymerisation process.
TREE Jahresbericht 2017
(2018)
Knapp fünf Jahre nach Gründung als Fachbereichsinstitut und zwei Jahre nach Verankerung als zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Hochschule präsentieren wir - nicht ganz ohne Stolz - den ersten Jahresbericht des Instituts TREE. Er soll in seiner Breite als auch in seiner Tiefe die Stärken unserer gemeinschaftlichen Anstrengungen im Forschungsfeld der nachhaltigen Technologien aufzeigen: interdisziplinär, forschungsstark, nachwuchsfördernd und gesellschaftszugewandt. TREE ist weiterhin ein im Aufbruch begriffenes Institut, aber gerade das Jahr 2017 zeigt auch, dass wir uns schon in der Wissenschaftslandkarte einen Namen machen konnten: nach NaWETec konnte mit dem Themenkomplex "Effiziente Transportalternativen" ein zweiter Forschungsschwerpunkt drittmittelgefördert etabliert werden. Erste Promotionen im Rahmen des TREE konnten erfolgreich abgeschlossen und interessante Nachwuchswissenschaftler für "FHKarrierewege" gewonnen werden.
Bei Thymian (Thymus vulgaris) handelt es sich um eine sehr varietätenreiche Art, die aufgrund ihres Gehaltes an therapeutisch wirksamen Inhaltsstoffen als Arzneipflanze monographiert ist. Insbesondere das ätherische Öl mit dem Hauptbestandteil Thymol (ca. 50%) hat eine hohe antioxidative Wirkung. Ziel ist es, dieses Potential als nachhaltig produzierte Additive zu nutzen. Hierfür eignen sich antioxidativ bzw. antimikrobiell wirksame sowie UV-absorbierende Substanzen, die das Produkt bei Zusatz vor oxidativem Stress, mikrobiellem Abbau und Qualitätsverlust schützen.
Hierzu werden zunächst sechs Varianten auf verschiedene Parameter analysiert, um die potenteste Variante auszuwählen. Auf diese Variante wird sich die weitere Forschung konzentrieren.
Daher wird das ätherische Öl durch azeotrope Destillation extrahiert und mittels GCMS analysiert. In Extrakten werden zudem das AP und Absorptionsverhalten bestimmt. Auch die chemische Zusammensetzung des Extrakts sowie die flüchtigen Stoffe des Thymians werden untersucht. Generell gibt es wenig qualitative, teilweise jedoch quantitative Unterschiede: Eine Variante weist u.a. einen deutlich höheren Thymolgehalt im Öl (ca. 65 %) und ein hohes hydrophiles AP auf. Somit ist eine vielversprechende Variante für die weitere Entwicklung und Optimierung bioaktiver Additive gefunden.