Forschung aktuell 2018

100 Pages·2017·6.82 MB·German

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Liebe Leserinnen und Leser,
die Hochschule Karlsruhe – Tech- eines Doktorandenkonvents, die
nik und Wirtschaft gehört zu den Weiterentwicklung des bereits be-
forschungsstärksten Hochschulen stehenden Doktorandenstatus und
für Angewandte Wissenschaften eine verpflichtende Betreuungs-
(HAWs) in Deutschland. Die hier vereinbarung geplant. Die Einrich-
geleistete angewandte Forschung tungen zur Forschungsunterstüt-
beeindruckt durch ihre große zung sind zu einer zentralen, von
Bandbreite und internationale Ver- den Instituten unabhängigen Ver-
netzung. waltungseinheit, dem Center of Ap-
plied Research (CAR), zusammen-
Wie sehr auch elementare Bedürf- gelegt worden.
nisse der Menschen weltweit im
Mittelpunkt der Forschungsan- Zum ersten Dezember 2017 habe
strengungen an der Hochschule ich mein Amt als Prorektor für For-
stehen, zeigt exemplarisch der Ti- schung, Kooperationen und Quali-
telbeitrag der diesjährigen Aus- tätsmanagement angetreten. Ich
gabe: Die Forschungsgruppe von habe an der Hochschule Karlsruhe
Professor Dr.-Ing. Jan Hoinkis, dem die Professur für Kommunikations-
aktuellen Forschungspreisträger software und informationstech-
der Hochschule Karlsruhe, berich- nische Netze an der Fakultät für Mein Dank gilt auch in diesem Jahr
tet darin über die Entwicklung ei- Elektro- und Informationstechnik allen Kolleginnen und Kollegen, die
ner modularen Anlage zur Arsen- inne und freue mich auf die neue ihre Ergebnisse in diesem Bericht
entfernung und Entsalzung von zusätzliche Aufgabe. Meinem Vor- veröffentlichen. Mein besonderer
Grundwasser für die Trinkwasser- gänger Prof. Dr.-Ing. Markus Stöck- Dank gilt allen Mitarbeitern, die re-
versorgung in Vietnam. ner möchte ich an dieser Stelle für daktionell und organisatorisch an
sein elfjähriges Engagement als der Publikation dieses Forschungs-
Die Stärkung der Forschung ist ein Prorektor und insbesondere für berichts mitgewirkt haben.
strategisches Ziel der Hochschule seine Vorarbeit bei der Neuord-
Karlsruhe. Aufgrund des enormen nung der Forschungsstruktur und Ihnen als Leserinnen und Lesern
Entwicklungspotenzials dieses Be- -organisation danken. wünsche ich bei der Lektüre in-
reichs sowie dem immer stärker teressante Einblicke in die For-
werdenden Wettbewerb zwischen In der aktuellen Ausgabe unse- schungsaktivitäten der Hochschu-
den Hochschulen hat die Hoch- res jährlich erscheinenden For- le Karlsruhe.
schule Karlsruhe eine Neuordnung schungsberichts möchten wir Ih-
der Forschungsstruktur und -or- nen in gewohnter Weise einen
ganisation eingeleitet. Inhaltliche Einblick in die vielfältigen For-
Kernpunkte sind die Institutsstruk- schungsaktivitäten und -projekte
tur, die Mitsprache der Forschen- der Hochschule geben. Schwer-
den, die Förderung des wissen- punkte dieser Ausgabe sind die Prof. Dr.-Ing. Franz Quint
schaftlichen Nachwuchses und die Themen: Prorektor für Forschung,
Forschungsunterstützung. In der Kooperationen und
neuen qualitätsgesicherten Ins- (cid:120) Elektro- und Informationstechnik Qualitätsmanagement
titutsstruktur auf zentraler Ebene (cid:120) Maschinenbau und Mechatronik
sind 2017 bereits vier Institute ge- (cid:120) Informatik und Wirtschaftsinfor-
gründet worden. Der beschlossene matik
wissenschaftliche Beirat dient als (cid:120) Wirtschaftswissenschaften
Ideenforum und zur Beratung von
Senat und Rektorat bei der strate- Die Rubrik „Schlaglichter“ stellt
gischen Weiterentwicklung der For- Ihnen weitere hochaktuelle For-
schung an der Hochschule. Für die schungsprojekte der Hochschule
Förderung des wissenschaftlichen Karlsruhe vor.
Nachwuchses sind die Einführung
Impressum
ISSN 1613-4958
Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft
Forschung aktuell 2018
Herausgeber
Rektorat der Hochschule Karlsruhe –
Technik und Wirtschaft
Redaktion und
Wissenschaftslektorat
Hendrik Hunsinger
Hochschule Karlsruhe
[email protected]
Layout
Alfons Muntean
Geschäftsstelle für Öffentlichkeitsarbeit
und Marketing der Hochschule Karlsruhe
Grafik
Erwin Fieber
Alfons Muntean
Titelbilder:
Papaya-Plantage im Mekongdelta,
Südvietnam (Foto: E. Cañas Kurz);
Innersphärischer, monodentaler
Oberflächenkomplex durch
Lewis-Base-Elektronentransfer von einem
Monohydrogenarsenat(V)-Anion
an eine Eisen(III)-hydroxidoxid-Matrix
(Grafik: Erwin Fieber);
Englisch-Lektorat
Lynn Beechey-Volz
Institut für Fremdsprachen der
Hochschule Karlsruhe
Für den Inhalt der Beiträge sind
die Autoren verantwortlich.
Satz, Anzeigen und Verlag
VMK Verlag für Marketing und
Kommunikation GmbH & Co. KG
Faberstraße 17, 67590 Monsheim
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2 | Forschung aktuell 2018
Inhalt
Stand der Forschung an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft 6
Franz Quint und Elena Stamm
Elektro- und Informationstechnik
Verbundprojekt WaKap: 8
Entwicklung eines nachhaltigen modularen Verfahrens zur Wasserentsalzung
und Entfernung von geogenem Arsen für die Trinkwasserversorgung in Vietnam
Edgardo E. Cañas Kurz, Ulrich Hellriegel und Jan Hoinkis
Hierarchically self-assembled metal-oxide gas-sensing materials 14
Navas Illyaskutty, Krishnaveni Krishnaramanujam, Sreeja Sreedharan Nair,
Christof Wöll, Hartmut Gliemann and Heinz Kohler
Simulation und Optimierung des Anteils von erneuerbaren Energien in elektrischen 18
Netzen und Automatisierung von Redox-Flow-Batterien mit quelloffener Hard- und Software
Jens Noack und Karsten Pinkwart
Direct Plenoptic Odometry – Visual Odometry based on a Light Field Camera 22
Niclas Zeller and Franz Quint
Gib Schatten keine Chance 28
Angelika Neumann und Rainer Merz
Maschinenbau und Mechatronik
Entwicklung eines Klima- und Höhensimulationsprüfstands 33
Artur Martel, Fino Scholl, Dennis Weierter und Maurice Kettner
Experimentelle Untersuchungen zur laminar-turbulenten Bypass-Transition 38
Holger Albiez, Christoph Gramespacher und Matthias Stripf
Direkte Numerische Simulation einer inkompressiblen turbulenten Kanalströmung 43
mit Rauheitselementen und gekoppeltem Wärmeübergang
Florian Theobald und Matthias Stripf
Numerical studies of crystal lattice rotation and pile-up patterns 48
during nanoindentation of tungsten single crystals
Tillmann Volz, Jin Wang, Ruth Schwaiger and Sabine M. Weygand
Aktuelle Fortschritte in der Entwicklung von Eisbreisystemen 52
Sebastian Gund und Michael Kauffeld
Forschung aktuell 2018 | 3
Inhalt
Informatik und Wirtschaftsinformatik
Computergestütztes Design gradierter Metallschäume 56
Anastasia August, Aron Kneer und Britta Nestler
Groundwater remediation – numerical models and experiments 59
Aron Kneer, Andres A. Gonzalez, Pavan Laxmipathy Veluvali, Patrick Altschuh, Eduard Alesi und Britta Nestler
Kontextsensitive Vorschläge für eine semantische Suchmaschine 64
Andreas Schmidt
Ausgewählte Data-Mining-Algorithmen zur Ermittlung von 67
Streckenalternativen im öffentlichen Nahverkehr
Yael Widmann und Karl Dübon
Akzeptanz des Notrufsystems eCall 70
Vjollca Sadikaj, Ingo Stengel und Stefanie Regier
Wirtschaftswissenschaften
Industrie 4.0: Aufgabenschwerpunkte der gegenwärtigen Technik 73
Maja Jeretin-Kopf und Rüdiger Haas
Digitale Geschäftsmodellinnovation im mittelständischen Maschinenbau 76
Roman Kerres, Larissa Herberger, Jessica Thomann und Carsten H. Hahn
Veränderung gestalten statt von ihr getrieben zu werden: Mit sozialen Lerntechnologien 80
die Weiterentwicklung des beruflichen Selbstverständnisses fördern
Andreas Peter Schmidt
Produktionslogistik im Zeitalter von Industrie 4.0: Entwicklung eines 83
vollautomatisierten, robotergestützten Logistikkonzepts für die Produktion
Christian Wurll
Schlaglichter
Modell- und Sensorintegration zum integrierten 3D-Geomonitoring in moderner 87
Datenkommunikationsstruktur mit Anwendung auf dem Stuttgarter Fernsehturm
Reiner Jäger
Entwicklung ressourcenschonender Betone durch Einbindung von 100 % Recyclingmaterial: 92
Vorgehen und technische Hintergründe für die Praxisumsetzung
Sandra Lichtblau, Stefan Linsel und José Fernando Martirena Hernández
4 | Forschung aktuell 2018
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Stand der Forschung an der Hochschule Karlsruhe –
Technik und Wirtschaft
Um ihre Spitzenposition als eine der forschungs- verzeichnen die Drittmitteleinnahmen der Hochschule
stärksten Hochschulen für Angewandte Wissenschaf- gegenüber 2016 einen durch Einmaleffekte bedingten
ten (HAWs) in Baden-Württemberg und Deutschland Rückgang, aber im Vergleich zu 2015 und den Vorjah-
auch in Zukunft zu sichern, stellt der weitere Ausbau ren eine Steigerung. Mit Ausnahme der Jahre 2012 und
der angewandten Forschung ein strategisches Ziel zur 2015 war die Hochschule Karlsruhe jeweils die dritt-
Profilbildung der Hochschule Karlsruhe – Technik und mittelstärkste HAW in Baden-Württemberg. Aktuell ar-
Wirtschaft dar. Anwendungsorientierte Forschung er- beiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
gänzt gewinnbringend den primären Auftrag der Hoch- der Hochschule Karlsruhe an rund 144 Forschungspro-
schule: die wissenschaftliche Ausbildung der Studie- jekten.
renden. Durch die breit gefächerten und aktuellen
Forschungstätigkeiten an der Hochschule Karlsruhe 9,0 0,45
8,5
und den daraus resultierenden Angeboten an Studi-
8,0
enprojekten werden Lehre und Studium enorm berei-
7,5
chert. Aufgrund der Anwendungsorientierung sind die
7,0
Forschungsergebnisse der Hochschule Karlsruhe be-
6,5
0,17
sonders für Industrie und Wirtschaft interessant. 6,0 2,11
0,39
0,20
5,5
0,32
Die immer umfangreicheren Forschungsaktivitäten 5,0
0,27
der Hochschule Karlsruhe wurden bis zur Neuordnung 4,5
0,13 1,22
der Forschungsstruktur und -organisation im Winter- 4,0 1,92
1,16 1,49
semester 2017/18 in zwei zentralen Forschungsein- 3,5
3,0 1,32
richtungen gebündelt – dem Institut für Angewandte
1,28
2,5
Forschung (IAF) und dem Institute of Materials and €
o. 2,0
Processes (IMP). Während das IAF als zentrale anwen- Mi1,5
dungsorientierte Forschungs- und Entwicklungsein- z in 1,0
richtung allen Forschenden offen stand, konzentrierte sat0,5
m 2,49 2,88 3,57 4,05 3,58 6,05 3,81
sich das IMP thematisch auf die Materialforschung U 0
und die Entwicklung neuer Fertigungsverfahren. Ne- 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
ben diesen beiden zentralen Instituten bestanden bis- IAF IMP Sonstige
her weitere dezentrale Forschungseinrichtungen an
Abb. 1: Umsatzentwicklung IAF, IMP und Sonstige von 2011 bis
den Fakultäten. Wie bereits im Vorwort erläutert, wird 2017
die Forschung zukünftig in qualitätsgesicherten und
zentralen Forschungsinstituten durchgeführt. Damit 2. Promotionsaufkommen
wird eine bessere Unterstützung der Forschenden ge- Insgesamt 76 laufende Promotionsvorhaben wurden
währleistet und die Sichtbarkeit ihrer Ergebnisse wird Ende 2017 kooperativ in Form einer Individual- oder
erhöht. einer strukturierten Promotion an der Hochschule
Karlsruhe betreut und 13 Doktoranden schlossen ihre
Die Forschungsstärke der Hochschule Karlsruhe spie- Promotion 2017 ab. Zusammen mit dem Karlsruher
gelt sich auch in ihrem Drittmittel-, Promotions- und Institut für Technologie (KIT) werden strukturierte Pro-
Publikationsaufkommen wider. Aufgrund der unter- motionsvorhaben im Rahmen des von der Deutschen
jährigen Umstrukturierung und übergangsweise noch Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Gradu-
fortbestehenden bisherigen Institute werden die Zah- iertenkollegs und des vom Land Baden-Württemberg
len des diesjährigen Statusberichts ein letztes Mal unterstützten kooperativen Promotionskollegs durch-
nach IAF, IMP und Sonstigen unterteilt. geführt.
1. Drittmittelaufkommen
Die Drittmitteleinnahmen der Hochschule Karlsruhe
in der Forschung beliefen sich in 2017 auf insgesamt
ca. 5,9 Mio. Euro. Wie in Abbildung 1 zu erkennen ist,
6 | Forschung aktuell 2018
Ende 2017 waren 59 Professorinnen und Professoren
90
am IAF und IMP tätig, die von insgesamt 260 Mitarbei-
80
70 terinnen und Mitarbeitern in den jeweiligen Instituten
60 unterstützt wurden. Diese arbeiteten entweder in den
50 Projekten selbst und in der Verwaltung oder brachten
40 sich beispielsweise als Netzwerkadministratoren,
n
ne 30 Übersetzer oder als wissenschaft liche Hilfskräft e ein.
o
oti 20 Auch in anderen Organisationseinheiten der Hoch-
m 10
Pro 0 65 6 73 8 77 9 73 10 76 13 schule Karlsruhe betätigten sich Professorinnen und
2013 2014 2015 2016 2017 Professoren sowie Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
in der Forschung; sie wurden aber nicht gesondert
laufende P. abgeschlossene P.
erfasst. Die Finanzierung der Projektmitarbeiter der
Abb. 2: Entwicklung der kooperativen Promotionen 2013 bis 2017 beiden zentralen Forschungseinrichtungen IAF und
IMP erfolgt ausschließlich aus Drittmitteln. Zusätzlich
3. Publikationsaufk ommen stellt die Hochschulleitung Forschungskoordinatoren
Die Professorinnen und Professoren sowie die Mitar- für die fachliche Organisation der Forschung in den
beiterinnen und Mitarbeiter der Hochschule haben verschiedenen Forschungsbereichen zur Verfügung.
2017 insgesamt 155 wissenschaft liche Publikationen
200
veröff entlicht, wovon 40 als Zeitschrift enaufsatz oder
Dissertation erfolgreich ein Peer-Review-Verfahren
150
durchlaufen. 50
100
4. Forschungsprofi l 6 21
Das Forschungsprofi l der Hochschule Karlsruhe wird 50
durch drei interdisziplinäre Schwerpunkte geprägt. 4
53 109 71 5
0
Diese wurden von der Hochschulrektorenkonferenz
professorale Projekt- und studentische sonstige
(HRK) positiv evaluiert und sind deshalb auf der HRK- Mitglieder Verwaltungs- Hilfskräfte Mitarbeiter
mitarbeiter
Forschungslandkarte vertreten. Kälte- und Umwelt-
technik, energieeffi ziente Mobilität, Verkehrsplanung IAF IMP
und Inf rastrukturmanagement sind Thema im For-
Abb. 3: Anzahl der Professorinnen und Professoren sowie der
schungsschwerpunkt „Energieeffi zienz und Mobili- Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des IAF und des IMP 2017
tät“. Im Forschungsschwerpunkt „Intelligente Syste-
me“ werden solche Systeme erforscht, die sich über
die Verarbeitung von Signalen oder die Interpretati-
on des Nutzerverhaltens an die Gegebenheiten oder Autoren
den individuellen Nutzer anpassen. Der Fokus des Prof. Dr.-Ing. Franz Quint
Forschungsschwerpunkts „Materialien, Prozesse und Prorektor für Forschung, Kooperationen
Systeme“ liegt auf neuen Modellierungstechniken für und Qualitätsmanagement
die Werkstoff simulation, Optimierungen in der Pro- Elena Stamm, M.A.
duktions- und Fertigungstechnik sowie auf der Fluid- Referentin des Rektorats
dynamik.
Forschung aktuell 2018 | 7
Elektro- und Informationstechnik
Verbundprojekt WaKap: Entwicklung eines nachhaltigen
modularen Verfahrens zur Wasserentsalzung und Entfer-
nung von geogenem Arsen für die Trinkwasserversorgung
in Vietnam
Edgardo E. Cañas Kurz, Ulrich Hellriegel und Jan Hoinkis
Einleitung ist natürlich auch ein bedeutender Faktor in der sozio-
Trinkwassermangel zählt zu den Hauptproblemen ökonomischen Entwicklung Vietnams [2].
der Weltbevölkerung. Heute leiden etwa 700 Millio-
nen Menschen in 43 Ländern an Wasserarmut und es Die Arsen(III)-Verbindungen, vornehmlich Arsenolith
wird erwartet, dass diese Zahl bis 2025 auf etwa 1,8 As O , reicherten sich sekundär als oxidative Verwit-
2 3
Milliarden Menschen ansteigt. Auch die Trinkwas- terungsprodukte arsenhaltiger Eisensulfiderze (v. a.
serversorgung vieler Länder Südostasiens ist durch Arsenopyrit FeAsS) aus dem Himalaja durch geologi-
stark ansteigende Bevölkerungszahlen und den Kli- sche Transportprozesse in den grundwasserführen-
mawandel bedroht. In vielen dieser Ländern, wie etwa den Sedimenten Südostasiens an. Als Anhydrit der
in Vietnam, kommt noch hinzu, dass viele Grundwas- arsenigen Säure H AsO ist es als solche in Wasser
3 3
serquellen hohe Konzentrationen sehr giftiger Arsen- löslich (37 g/l bei pH 7). Bei gleichzeitiger Anwesen-
verbindungen aufweisen [1]. Zur Entwicklung einer heit von wasserunlöslichen Eisen- und Manganhydro-
nachhaltigen Lösung startete im September 2016 das xidoxiden bliebe sie aber unter oxischen Bedingungen
Verbundprojekt WaKap mit dem Ziel, ein Verfahren zur aufgrund von Sorption an diesen zumindest teilweise
Arsenentfernung und Entsalzung von Grund-, Meer- in den Sedimenten gebunden. Durch organisches Ma-
und Brackwasser zu entwickeln. Die modulare Anlage terial und Mikroorganismen, die ersteres unter Sauer-
soll in Deutschland konzipiert und dann in Vietnam stoffzehrung abbauen, entstehen aber reduzierende
aufgebaut und getestet werden [10]. Bedingungen, wodurch das As(III) als arsenige Säure
H AsO im Grundwasser freigesetzt wird.
3 3
Die Problemstellung
Durch das Eindringen von Meerwasser in küstennah- Modulares Lösungskonzept durch Kapazitive
en Regionen Südostasiens, wie z. B. dem Mekongdel- Deionisierung und in-situ-Arsenentfernung
ta im Süden Vietnams, weist das Grundwasser einen durch Sauerstoffeinleitung
hohen Salzgehalt auf. In den nächsten Jahren wird Capacitive Deionisation (CDI) ist eine neuartige und
der Meeresspiegel aufgrund des Klimawandels noch energieeffiziente Technologie zur Entsalzung wäss-
deutlich ansteigen, was zu einer weiteren Versalzung, riger Lösungen mit geringem Energieverbrauch [8].
insbesondere während der Trockenzeiten, führen wird Durch die Kombination von CDI und klassischen Ver-
[3]. Zusätzlich ist das Grundwasser in vielen dieser fahren wie Umkehrosmose (UO) und Nanofiltration
Regionen mit teilweise sehr hohen geogenen, also (NF) soll im Vergleich zu bestehenden Entsalzungsver-
aus der Natur stammenden Arsen-Konzentrationen fahren der Energieverbrauch deutlich reduziert und
belastet, die den empfohlenen Grenzwert der World die produzierte Trinkwassermenge erhöht werden.
Health Organization (WHO) von 0,01 mg/l bis um das Beim CDI-Verfahren fließt das salzhaltige Wasser zwi-
300-fache übersteigen, wodurch Millionen Menschen schen zwei porösen Elektroden aus Aktivkohle, an die
schwersten Erkrankungen ausgesetzt sind. Am giftigs- eine Spannung angelegt wird. Die im Wasser gelösten
ten sind anorganische Arsen(III)-Spezies und genau Ionen (v. a. Alkali-Kationen und Halogenid-Anionen)
diese Verbindungen gelangen durch geochemische werden dabei von den jeweils gegenteilig geladenen
Prozesse gelöst ins Grundwasser besagter Regionen. Elektroden angezogen und können entfernt werden
Sie wirken auf menschliches Gewebe und Organe to- (s. Abb. 1). Durch die Nutzung regenerativer Energie-
xisch und sind zusätzlich karzinogen wirksam. Krebs- quellen wie Sonne und Wind soll der Gesamtprozess
erkrankungen wie Lungen-, Blasen-, Nieren- und Pro- energieautonom erfolgen.
statakrebs sind die Folge sowie Leberschädigungen
und schwerste Hauterkrankungen (z. B. „black foot
disease“). Der Mangel an unbelastetem Süßwasser
8 | Forschung aktuell 2018