Studentische Arbeiten

Investigating the underlying mechanisms of iron-oxide nanoparticle formation is crucial yet challenging via an in-situ experimental technique due to the high-temperature environment and fast-evolving kinetics. With increasing computational capabilities, empirical force-field-based molecular dynamics (MD) approaches have emerged as valuable complements to experiments for probing atomic interactions in complex physicochemical systems. In this thesis, the ReaxFF-MD method should be implemented to study the iron-oxide nanoparticle formation mechanism during metal powder combustion.

Im Rahmen der hier ausgeschriebenen Masterthesis soll untersucht werden, inwieweit LiDAR zur robusten Bestimmung der Absorptionslänge fasergekoppelter Messsysteme eingesetzt werden kann. Aufbauend auf Vorarbeiten soll dafür ein auf frequenzmoduliertem LiDAR basierendes Messsystem entwickelt und aufgebaut werden. Anschließend soll seine Eignung zur Messung von Absorptionslänge sowohl an vereinfachten Teststrecken als auch an typischen Messzellen untersucht werden.

Die Benetzung von Systemkomponenten durch Flüssigkeitsfilme tritt in den verschiedensten Prozessen, beispielsweise in Verbrennungskraftmaschinen infolge der Kraftstoffinjektion, in SCR-Systemen Abgasnachbehandlung oder in ölgekühlten Elektroantrieben, auf. Unabhängig davon, ob die Bildung von Flüssigkeitsfilmen erwünscht ist oder nicht, können diese die Robustheit, Effizienz und Regelbarkeit der Prozesse massiv beeinträchtigen. Die experimentelle Untersuchung solcher Flüssigkeitsfilme gestaltet sich allerdings aufgrund des Mangels an nicht-intrusiven Messmethoden schwierig. Ein vielversprechender Messansatz ist die Absorptionsspektroskopie, welche in der Gasphasendiagnostik bereits seit langem etabliert ist. Da Flüssigkeiten breitbandigere Absorbtionsfeatures aufweisen als Gase, erscheint insbesondere der Einsatz der Supercontinuum Laser Absorption Spectroscopy (SCLAS), welche Weißlichtlaserquellen nutzt, interessant.

Im Rahmen dieser Masterthesis soll experimentell untersucht werden, inwieweit sich die SCLAS zur Untersuchung dünner Flüssigkeitsfilme eignet. Aufbauend auf Vorarbeiten soll hierfür die vorhandene Weißlichtquelle in Betrieb genommen und ein geeignetes Messsystem aufgebaut werden. Zur Datenaufnahme kommen verschiedene Konzepte infrage, welche dafür vorab verglichen und bewertet werden sollen. Anschließend soll das Messsystem an generischen Flüssigkeitsfilmen bekannter Eigenschaften validiert werden.

Die Expertise des Fachgebiets RSM soll zukünftig zur Diagnose industrieller katalytischer Verfahren eingesetzt werden. Konkret sollen Prozesse analysiert werden, welche nachhaltige Materialien einsetzen und effizientere Synthesepfade erlauben. Zur Entwicklung eines besseren phänomenologischen Verständnisses sowie zur Validierung von numerischen Modellen werden daher experimentelle Daten benötigt.

Für die Applikation der laserbasierten Messtechnik in geringem Abstand zur katalytischen Oberfläche wird ein spezieller, optisch zugänglicher Strömungskanal benötigt. Dieser muss zum einen die Anwendung verschiedener Messtechniken direkt im Prozess (operando) ermöglichen, zum anderen aber auch kontrollierte und definierte Randbedingungen bieten. In vorangegangenen Arbeiten wurden jeweils das neuartige Raman-Spektrometer (siehe Abbildung) und der katalytische Strömungskanal getrennt voneinander entwickelt. In dieser Arbeit sollen die Teilsysteme erstmals kombiniert und erste quantitative Messungen durchgeführt werden.

RSM focuses on fundamental combustion research and has established world-class combustion laboratories with novel optical diagnostics methods. Advanced imaging methods combing modern lasers and cameras enable an understanding of complex gas and solid combustion processes. Reducing the carbon footprint in the energy sector has become a key challenge to mitigate climate change. Hydrogen (H2) will be widely used as a renewable clean fuel in the future energy mix. However, the combustion characteristics of H2 still require extensive investigation and understandings, especially by extending conventional data evaluation methods to explore in-depth information behind the data. This requires fundamental research in developing advanced computational algorithms and deep-learning driven approaches to explore the large amount of experimental data.

The institute of Reactive Flows and Diagnostics focuses on fundamental combustion research and has established world-class combustion laboratories with novel optical diagnostics methods. Advanced imaging methods combing modern lasers and cameras enable an understanding of complex gas and solid combustion processes. Reducing the carbon footprint in the energy sector has become a key challenge to mitigate climate change. Hydrogen (H2) will be widely used as a renewable clean fuel in the future energy mix. However, the combustion characteristics of H2 still require extensive investigation and understandings, especially under lean and turbulent conditions.This requires fundamental research, especially laboratory experiments. Currently, we are looking for one student assistant (HiWi) for our on-going H2 projects.

Die Expertise des Fachgebiets RSM soll zukünftig zur Diagnose industrieller katalytischer Verfahren eingesetzt werden. Konkret sollen Prozesse analysiert werden, welche nachhaltige Materialien einsetzen und effizientere Synthesepfade erlauben. Zur Entwicklung eines besseren phänomenologischen Verständnisses sowie zur Validierung von numerischen Modellen werden daher experimentelle Daten benötigt.

In aktuellen Abschluss- und Forschungsarbeiten wird ein katalytischer Strömungskanal zu diesem Zweck entwickelt. Die Besonderheit liegt in einer aufwendigen elektrischen Vorheizung des Kanals bestehend aus 24 Heizelementen und 33 Thermoelementen, welche über Interfaces/Hardware der Firma Tinkerforge und ein LabVIEW Programm geregelt werden sollen.

Neben dem Heizsystem besteht eine weitere Aufgabe in der Dosierung der teilweise flüssigen Grundstoffe, die am Katalysator reagieren sollen. Dieses muss nun in Betrieb genommen und validiert werden.

Zur Charakterisierung dieser Oxidationseigenschaften in verschiedenen Brennerkonfigurationen ist es von hohem Interesse, Partikelgrößen, -abstand und -geschwindigkeit in situ zu bestimmen. Digital Holography stellt hierfür eine geeignete Messtechnik dar, die in der Literatur bereits in vielen Arbeiten dokumentiert wurde. Innerhalb dieser Arbeit soll ein Auswertetool erstellt werden, das Hologramme simuliert und die Rekonstruktion der zu messenden Parameter aus gemessenen Datensätzen erlaubt. Weiterhin sollen experimentelle Daten in generischen Konfigurationen aufgenommen werden und mit Hilfe des erstellten Programms ausgewertet werden.

Um fossile Brennstoffe als dominierende Antriebsarten zu verdrängen, ist ein Mix an neuen Antriebsarten von Nöten. Als vielversprechend gilt dabei neben batteriebetriebenen Elektroautos die Energieversorgung mit einer Brennstoffzelle, welche insbesondere im Schwerlastverkehr ihre Vorteile hat. Die Brennstoffzelle besitzt gegenüber Batterien den Vorteil, dass das Nachtanken mit neuem Brennstoff – im mobilen Sektor i. d. R. Wasserstoff – erheblich schneller geht als der Aufladevorgang einer Batterie.

Am Fachgebiet Energiesysteme und Energietechnik (EST) wird die Untersuchung fester, staubförmiger Biomassebrennstoffe, wie zum Beispiel Walnussschalen, in einer Drallbrennkammer mit einer thermischen Leistung im Bereich von 1 MW durchgeführt. Das Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) erforscht Verbrennungsprozesse mithilfe modernster Lasermesstechnik. Im Rahmen dieser Arbeit soll diese Messkampagne vorbereitet und durchgeführt werden.

Das Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) nutzt Laser-diagnostische Methoden zur messtechnische Erfassung komplexer Vorgänge in der Gas- und Feststoffverbrennung. Um die Zusammensetzung von Gasen zu untersuchen, bietet abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS) ein Messverfahren, das zeitlich hochaufgelöst in-situ verschiedenste chemische Spezies detektieren kann. Multipfadzellen bieten die Möglichkeit, durch die Anordnung optischer Elemente die Absorptionsstrecke zu erhöhen und damit die Nachweisgrenzen für die Spezieskonzentrationen zu erweitern. Eine spezielle Multipfadzelle ist die Ringzelle, in der Spiegel ringartig angeordnet werden.

Aufgabe dieser Arbeit ist es zunächst durch Simulation und Literaturrecherche ein Verständnis für Ringzellen zu erarbeiten. Anschließend wird eine Ringzelle für einen realen Prozess ausgelegt und konstruiert. Ziel der Arbeit ist es, die Zelle an einem institutseigenen Abgasprüfstand zum Einsatz zu bringen und in einer Messkampagne die Robustheit im Prozess zu untersuchen.

Chemical energy carriers are essential building blocks for a future carbon-free energy economy, mitigating wind and solar energy fluctuations due to weather and geographical limitations. One suitable candidate is ammonia (NH3) which can be synthesized with renewable energy and are employable for mobile and remote applications. However, pure NH3 is subject to high ignition temperatures, lower laminar burning velocities, narrow flammability limits, and lower extinction strain rates. One very promising technology to overcome these difficulties is to use plasma to enhance ignition and flame. Recent experiments also showed that NOx emission could be largely reduced by introducing plasma into combustion. To better understand the mechanism of plasma impact on reactions, fundamental experiments under well-defined boundary conditions are highly desired.

This project aims to set up a laminar slot burner (LSB) with the assistance of nanosecond plasma discharges. A schematic layout of a conventional LSB is shown in Fig.1 [Boushaki et al.]. The LSB consists of three main parts: a mixer, a homogenizer, and a convergent nozzle. A premixed laminar flame can be stabilized on the burner exist. This existing concept should be adapted for plasma generation with a dielectric barrier discharge (DBD). The DBD should be installed in the position of the parallel nozzle, which mainly consists of two electrodes, a nanosecond high-voltage plasma pulse generator, and corresponding control units. The designed plasma-assisted LSB should have optical access into the nozzle to characterize the plasma homogeneity. This work aims to design, construct and test this burner in the combustion laboratory of RSM.

Partikelbeladene Strömungen sind in einer Vielzahl von Anwendungen in Natur und Technik allgegenwärtig. Am RSM umfasst dies beispielsweise die thermochemische Oxidation von Eisenstaub in einem Brenner oder die klimaneutrale Nutzung von Biomasse. Hierbei ist die gleichzeitige Messung der Strömungs- und Partikelgeschwindigkeit von hohem Interesse, da so die Interaktion der Partikel- und Fluidbewegung bestimmt werden kann. Klassischerweise werden der Strömung mikrometergroße Partikel zugegeben, die mithilfe eines Lasers angestrahlt werden. Das Streulicht der Partikel wird mittels einer Kamera aufgenommen und die Bewegung der kleinsten Teilchen wird mithilfe von Algorithmen wie der Particle Image Velocimetry (PIV) ausgewertet. Der große Nachteil der PIV liegt aber in der Generierung des Strömungsvektorfeldes in Auswertefenstern, die eine Verschlechterung der räumlichen Auflösung des Vektorfeldes gegenüber des ursprünglichen Kamerabildes mit sich bringt.

In den letzten Jahren haben sich alternativ zu PIV neuartige Algorithmen aus dem Bereich der Computer Vision hervorgetan, die nicht innerhalb von Auswertefenstern arbeiten, sondern ein dichtes Vektorfeld für jeden Pixel bestimmen. Ein solcher Optical-Flow-Algorithmus wurde bei unseren Projektpartnern an der University of Edinburgh entwickelt und steht für einphasige turbulente Strömungen zur Verfügung. Innerhalb dieser Arbeit soll die bereits vorhandene Implementierung in MATLAB für Mehrphasenströmungen erweitert werden und anhand verschiedener generischer Datensätze und vorhandenen experimentellen Daten getestet werden. Hierzu sind vorhandene Kenntnisse der Bildprozessierung in MATLAB hilfreich.

Accurate measurement of burning particle temperature is important to understand solid fuel combustion. Currently, the commonly adopted technique for this task is imaging two-color pyrometry, which acquires radiation intensities at two wavelengths and thus the temperature can be derived using Wien’s approximation. However, two-color pyrometry is based on the grey-body assumption, which is not always valid or cannot be easily verified in experiments. Therefore, the accuracy of two-color pyrometry sometimes is uncertain. Hyper-spectrum thermometry is one promising technique that can significantly improve the measurement certainty and accuracy of solid particle temperature. It records the spectra of hot particles over a wide range of wavelength. By compare the recoded spectrum with Planck’s law, often a part the spectrum obeying grey-body emission can be selected and thus particle temperature can be determined more accurately.

Reducing the carbon footprint in the energy sector has become a key challenge of this century that requires global collaborative efforts. Chemical storage of renewable energy, such as wind and solar, followed by thermochemical conversion for energy utilization, is an important pathway to ensure a smooth transition to a carbon-neutral economy. In the future energy mix, hydrogen (H2) will be widely used as a clean fuel, and its combustion characteristics require extensive investigations, especially under lean and turbulent conditions, which is important for gas turbine applications.

In this work, the turbulent flame and flow field structures of NH3/H2 mixtures will be experimentally measured under turbulent conditions. The existing multi-regime burner (MRB), a special design for investigating the transition of premixed and non-premixed combustion, will be used to stabilize turbulent NH3/H2 flames. In the first step, constructive improvements should be performed on the MRB burner and operation conditions will be determined based on fuel mixture and laminar flame properties from simple 1D flame calculations in Cantera. To study the turbulence-flame interactions, the flame reaction zone will be measured by planar laser-induced fluorescence of OH radicals (OH-PLIF). From the OH-PLIF images, the curvature and flame surface density of the reactive flame front can be statistically determined. Simultaneously, the flow field will be determined by particle image velocimetry (PIV) or particle tracking velocimetry (PTV) measurements. By combining PIV with OH-PLIF, the local strain rates and their impact on the flame front topology could be analyzed.

Um neuartige, regenerative Kraftstoffe (eFuels, z.B. Wasserstoff) in Motoren einsetzen zu können, müssen die Auswirkungen auf die physikalischen Prozesse verstanden werden. Mit einer Saugrohreinspritzung (PFI) kann ein homogenes, mageres Gemisch erzeugt werden, um dann gezielt die Auswirkung einer Direkteinspritzung zu untersuchen.

In dieser Arbeit geht es darum, die aktuell verwendeten Injektoren in Bezug auf die eingespritzte Masse zu charakterisieren. Dabei müssen verschiedene atmosphärische Drücke und Temperaturen berücksichtigt werden. Nach Konzeption des Messaufbaus sollen die Messungen durchgeführt und ausgewertet werden.

Climate change and rising health concerns have led to increasingly strict regulatory emission standards for combustion engines over the past few years.

In order to investigate the compliance with these regulations, special measurement techniques are required. Specifically, in the context of Real Driving Emissions (RDE), compact systems that allow for in situ measurement at engine tailpipe are necessary.

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is a measurement technique well suited for this task, as it allows simultaneous high speed in-situ measurement of a variety of gases. A large benefit of this technique is the application of small diode lasers which can be connected via glass-fibers and thus allowing for very small measurement devices outside the vehicles.

The extension of the regulatory requirements made the implementation of new free-space diode lasers necessary, which are not yet fiber-coupled and thus cannot be connected to existing hardware.

The goal of this work is the development and application of a fiber-coupling system for these free space mid-infrared diode lasers.

The project Clean Circles is dedicated to solving global energy problems by using iron as CO2-free, renewable and efficient chemical energy carrier. First, electricity from renewables is used to reduce iron oxide (energy storage). Then, the iron is oxidized to release thermal energy for electricity generation at a different place and time (energy release). In the collaborative research project, scientists and students from different Universities work closely on numerous experiments and simulations.

In this student work, a new metal particle ignition reactor (MPIR) with well-defined boundary conditions should be designed and tested for single iron particle experiments. MPIR will include three modules: electrostatic-based single particle generator, an optically accessible ignition channel, and an external heating system by an annular gas flame. The concept of MPIR originates from the so-called micro-flow reactor (see Fig. 1), which has been successfully applied for gaseous and liquid fuel ignition studies. The advantage of this setup is to study the ignition/reaction kinetic by converting the trainsient process to a space-dependent process. Within this work, this concept should be realized for metal fuel ignition measurements.

The topic is suitable for ADP, Bachelor and Master theses, and the work tasks are adapted accordingly.

Reducing the carbon footprint in the energy sector has become a key challenge of this century that requires global collaborative efforts. Chemical storage of renewable energy, such as wind and solar, followed by thermochemical conversion for energy utilization, is an important pathway to ensure a smooth transition to a carbon-neutral economy. In the future energy mix, hydrogen (H2) will be widely used as a renewable clean fuel. However, its combustion characteristics still require extensive investigations, especially under lean and turbulent conditions, which is crucial for gas turbine applications.

In this work, the turbulent H2 flame and flow field structures should be experimentally investigated by using laser diagnostics measurements. For this purpose, a high-velocity flame supplied by H2 or CH4/H2 mixtures from the central jet will be sustained by a pilot flat flame in a McKenna burner. The jet bulk velocity will be increased from 10 m/s (laminar) to approximately 200 m/s (highly turbulent) while the pilot remains at a constant exit velocity. Reactive mixtures with increasing H2 mole fractions will be used to investigate the preferential diffusion effect of H2 on the turbulent flame behavior. The flame reaction zone will be measured by single-shot planar laser-induced fluorescence of OH radicals (OH-PLIF). Simultaneously, the flow field will be determined by particle image velocimetry (PIV) or particle tracking velocimetry (PTV) measurements. From the OH-PLIF images, the curvature and flame surface density of the reactive flame front should be statistically determined. By combining PIV data, the local strain rate and its orientation to the flame front direction should be analyzed, providing insights into turbulence-chemistry interactions.

Climate change and rising health concerns have led to increasingly strict regulatory emission standards for combustion engines over the past few years.

In order to investigate the compliance with these regulations, special measurement techniques are required. Specifically, in the context of Real Driving Emissions (RDE), compact systems that allow for in situ measurement at engine tailpipe are necessary.

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is a measurement technique well suited for this task, as it allows simultaneous high speed in-situ measurement of a variety of gases. A large benefit of this technique is the application of small diode lasers which can be connected via glass-fibers and thus allowing for very small measurement devices outside the vehicles.

The Laser Diode and Temperature control (LDC & TEC) of these lasers needs to be very precise but at the same time also compact.

The goal of this work is the software development and application of a high-speed modular FPGA (Field Programmable Gate Array) based Laser Diode and Temperature control system in LabVIEW.

Das Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) befasst sich mit moderner Verbrennungsforschung. Laser-diagnostische Methoden ermöglichen auf diesem Gebiet die messtechnische Erfassung komplexer Vorgänge in der Gas- und Feststoffverbrennung.

Im transdisziplinären Forschungsverbund Clean Circles wird ein innovativer Energie-Stoffkreislauf untersucht. Hierbei wird elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen in Eisen eingespeichert, welche über thermochemische Oxidation ausgespeichert und in thermischen Kraftwerken rückverstromt werden kann. Hierfür ist es notwendig ein tiefgehendes Verständnis der Oxidationsprozesse der Eisenpartikel zu haben.

Zur Untersuchung der Oxidationseigenschaften von Eisenpartikelgruppen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen soll ein Brenner konstruiert bei der eine Eisenstaub/Luft Bunsenflamme stabilisiert werden kann. Zur Erzeugung der zu untersuchenden Suspension ist ebenso der Aufbau eines sogenannten Seeders erforderlich, der die Partikel in die Gasströmung einbringt. Zur Bestimmung der Partikelkonzentration soll ebenso eine Laserextinktionsmessung implementiert werden. Der Prüfstand soll dabei über ein LabView Programm angesteuert werden können, sowie relevante Parameter aufgezeichnet werden.

Das Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) befasst sich der Entwicklung Methoden zur laserdiagnostischen Untersuchung von Hochtemperaturprozessen. Das Ziel besteht darin, bestehende Prozesse zur Energiewandlung zu verbessern und neue Techniken für ein nachhaltige Resourcennutzung zu entwickeln. Dabei sind reaktive Gasströmungen für die Energietechnik hochrelevant, ihre experimentelle Charakterisierung jedoch alles andere als einfach. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die gegebenen Randbedingungen und Anforderungen hinsichtlich Robustheit, Prozesszugang, Beeinflussung des Prozesses, Messgenauigkeit sowie Zeit- und Ortsauflösung die Anwendung vieler etablierter Messmethoden ausschließen. Am RSM wird deswegen derzeit eine neue Messtechnik entwickelt, die eine ortsaufgelöste Charakterisierung der Gasphase in partikelbeladenen Strömungen ermöglichen soll.

Ein neues Thema am Institut für Reaktive Strömungen und Diagnostik (RSM) ist die Anwendung der Laserdiagnostik zur Untersuchung der Wirkung von Flammschutzmitteln in wandnahen Flammen und Grenzschichtflammen.

Flammschutzmittel in Polymeren werden bei der Verbrennung freigesetzt und wirken durch verschiedene Mechanismen an der Oberfläche des Polymers oder in der brennenden Gasphase. Auf diese Weise können Flammschutzmittel die Entflammbarkeit von Materialien verringern, die Ausbreitung von Feuern aufhalten und Leben retten

Es soll ein Szenario nachgeahmt werden, bei dem ein Flammschutzmittel während eines Brandes aus einer Polymer-Oberfläche freigesetzt wird. Um die Wirkung von Flammschutzmitteln auf eine Flamme entlang einer Oberfläche zu verstehen, soll ein neuer Aufbau entwickelt werden, bei dem ein Gas homogen aus einem Einlass in einer Wand eingebracht werden kann. Dadurch kann eine Grenzschichtflamme erzeugt und die Wirkung von Flammschutzmitteln, die in diese Flamme eingebracht werden, untersucht werden.

Ziel ist es, ein System zu schaffen, das experimentell untersucht werden kann und eine simulative Validierung ermöglicht. Die Konstruktion soll daher durch Messung der Strömungsgeschwindigkeiten mittels Laserdiagnostik charakterisiert werden. Dazu soll ein PIV-Ansatz (Particle Image Velocimetry) aufgebaut werden.

Das Thema ist geeignet für Bachelor- oder Masterarbeit und die Arbeitsaufgaben werden dementsprechend angepasst.

Das Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) befasst sich mit moderner Verbrennungsforschung. Laser-diagnostische Methoden ermöglichen auf diesem Gebiet die messtechnische Erfassung komplexer Vorgänge in der Gas- und Feststoffverbrennung. Ein neues Themenfeld stellt die laserdiagnostische Untersuchung der Wirkung von Flammschutzmittlen in Polymeren dar.

Flammschutzmittel in Polymeren werden bei der Verbrennung zusammen mit den anderen Produkten der Pyrolyse freigesetzt und wirken dann über unterschiedliche Mechanismen an der Oberfläche des Polymers oder in der brennenden Gasphase. So können Flammschutzmittel z.B. die Entflammbarkeit von Materialien hemmen und die Ausbreitung von Feuern aufhalten und Leben retten.

Zur einfacheren Untersuchung soll die Freisetzung der Pyrolyseprodukte von der zu untersuchenden beeinflussten Flamme getrennt werden. Dazu ist ein Reaktor zu entwickeln, in dem Polymere pyrolysiert werden können, um die austretenden Gase zu sammeln und kontrolliert in ein Probevolumen einzuleiten.

Das Thema ist geeignet für ADP, Bachelor- oder Masterarbeit und die Arbeitsaufgaben werden dementsprechend angepasst.

Das Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) befasst sich mit optischen Untersuchungen reaktiver Strömungen. Einer dieser Messtechniken ist die Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) mittels derer im Rahmen des Clean-Circles-Projekts ein CO2-freier Kreislaufprozess zur Energiespeicherung untersucht werden soll. Speicher mit langen Ausspeicherzeiten und hohen Energiedichten gewinnen bei fortscheidendem Ausbau von erneuerbaren Energien immer mehr Bedeutung. In dem Kreislaufprozess des Clean-Circles-Projekts erfolgt die Einspeicherung der regenerativ erzeugten Energie mittels Reduktion von Eisenoxidpartikeln. Die entstehenden Eisenpartikel können zeitlich und räumlich getrennt durch eine Oxidation (bzw. Verbrennung des Eisens) die Energie wieder ausspeichern.

Zur Entwicklung eines besseren Verständnisses, sowie zur Validierung und Verbesserung von Modellierungen der im Detail ablaufenden Prozesse während der Reduktion und Oxidation, werden experimentelle Daten benötigt. Hierfür soll die elementare Zusammensetzung von Eisen- und Eisenoxidpartikeln mittels der Laser Induced Breakdown Spectroscopy erforscht werden.

Nachdem in vorangegangenen Masterarbeiten der Messaufbau in Betrieb genommen wurde, soll mithilfe dieser Arbeit die Detektionseinheit noch erweitert werden um den gesamten relevanten spektralen Wellenlängenbereich detektieren zu können. Im Anschluss sollen weitere Parameter untersucht werden, die einen Einfluss auf das Messsignal aufweisen (bspw. Laserpulslänge, zeitaufgelöste Analyse des Plasmas, …). Nach der Durchführung verschiedener Messreihen sollen zwei Auswertemethoden zur Bestimmung des Fe-O-Verhältnisses der einzelnen Partikel getestet und gegeneinander verglichen werden.

Das Fachgebiet RSM beschäftigt sich mit der optischen und spektroskopischen Untersuchung reaktiver Strömungen. Diese Expertise soll zukünftig zur Diagnose industrieller katalytischer Verfahren eingesetzt werden. Konkret sollen heterogen-katalytische Prozesse analysiert werden, bei denen hohe Temperaturen und kurze Kontaktzeiten der Reaktanden mit dem Katalysator vorherrschen. Um die auftretenden Gasphasenreaktionen besser zu verstehen, soll eine neue Sensorik entwickelt werden, welche es erlaubt, erstmalig die Konzentrationen als Funktion des räumlichen Abstands vom Katalysator zu messen. Als Messprinzip wird die spontane Raman-Spektroskopie eingesetzt. Zur räumlichen Auflösung der Gaskonzentrationen, soll ein neuartiges, speziell auf die Anforderungen in katalytischen Prozessen ausgerichtetes Spektrometer entwickelt und konstruiert werden. Im Detail gilt es, die das Messsignal störende, breitbandige Hintergrundstrahlung glühender Katalysatoroberflächen im Spektrometer mittels eines neuen, bereits erarbeiteten Konzepts möglichst weit zu reduzieren.

The project Clean Circles is dedicated to solving global energy problems by using iron as CO2-free, renewable and efficient chemical energy carrier. First, electricity from renewables is used to reduce iron oxide (energy storage). Then, the iron is oxidized to release thermal energy for electricity generation at a different place and time (energy release). In the collaborative research project, scientists and students from different Universities work closely on numerous experiments and simulations.

In this thesis, the ignition and burn time of single iron particles should be experimentally investigated. Using an existing laminar flow reactor, iron particles will be seeded in high-temperature and oxygen-rich environments, which are generated by lean methane flames. The ignition delay time and entire burn time will be measured with high-speed scientific cameras. At the same time, the particle size will be in-situ detected by measuring the shadow of particles. Different particle sizes will be investigated with increasing oxygen concentration in the gas atmospheres. By evaluating the data, the influences of particle size and oxygen concentration on the particle ignition and burn time should be focused on. This would provide a better understanding of oxidation stages at the single-particle level.

Im Rahmen der Energiewende kommt grünem Wasserstoff eine zentrale Bedeutung als chemischer Energieträger für Hochtemperaturprozesse oder als Ausgangsstoff für synthetische CO2-neutrale Brennstoffe zu. Eine Möglichkeit, Wasserstoff in großen Mengen zu produzieren, ist die alkalische Wasserelektrolyse, die in großskaligen Anlagen überschüssige elektrische Energie aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen für den Betrieb nutzen.

Bei der Elektrolyse kommt es zur Blasenbildung an den Elektroden. Insbesondere die Effizienz auf der Sauerstoffseite ist potentiell durch den Mehrphasentransport limitiert. Anschaulich gesprochen ist die Elektrode in den Bereichen, in denen sie nicht mit Elektrolyt benetzt ist, sondern eine Sauerstoffblase anhaftet, in ihrer Aktivität behindert. Den Prozess der Blasenbildung und -ablösung im Detail zu untersuchen ist Ziel dieser Arbeit. Hierzu sollen an generischen Konfigurationen optische Messungen durchgeführt werden.

Die Arbeit ist innerhalb des PrometH2eus-Verbundes im Rahmen des Leitprojekts H2Giga, gefördert durch das BMBF, angesiedelt. Es bestehen enge Kooperationen mit Partnern aus der Industrie sowie weiteren Forschungseinrichtungen inner- und außerhalb der TU Darmstadt.

Partikelbeladene Strömungen sind in einer Vielzahl von Anwendungen in Natur und Technik allgegenwärtig. Dies umfasst beispielsweise die thermochemische Oxidation von Eisenstaub in einem Brenner oder den Transport von Sedimenten in Flüssen oder Wolken. Zur experimentellen Untersuchung der physikochemischen Phänomene in solch komplexen Strömungen liefern optische Methoden wie die Diffuse Back-Illumination (DBI) Daten, deren Messfehler unter anderem aufgrund von hohen Partikeldichten sehr groß werden können.

Eine Quantifizierung der Messfehler und deren Einflussparameter erfordert die gleichzeitige Kenntnis der wahren und gemessenen Größen. Da dies in der Realität jedoch nur unter eingeschränkten Bedingungen möglich ist, soll eine solche Messung in Software simuliert und die Messfehler des optischen Systems idealisiert quantifiziert werden. Ein solches Imaging-Tool wurde am RSM bereits erfolgreich programmiert und eingesetzt und soll innerhalb dieser Arbeit weiter verbessert werden. Hierbei soll das Tool insbesondere genutzt werden um die wichtigsten Einflussgrößen auf die Messfehler unterschiedlicher Parameter wie Partikelanzahldichte, -größe, -volumen etc. zu identifizieren und Handlungsanweisungen für Experimentatoren abzuleiten. Hierzu sind sowohl Kenntnisse der analytischen Geometrie im Kontext von Computer Vision, der Programmierung solcher Zusammenhänge in MATLAB und der Datenauswertung hilfreich.

The institute of Reactive Flows and Diagnostics focuses on fundamental combustion research and has established world-class combustion laboratories with novel optical diagnostics methods. Advanced imaging methods combing modern lasers and cameras enable understanding complex processes in gas and solid combustion.

Reducing the carbon footprint in the energy sector has become a key challenge of this century that requires global collaborative efforts. Germany has committed to achieving carbon neutrality by 2045. Chemical storage of renewable energy such as wind and solar, followed by thermochemical conversion for energy utilization, is an important pathway to ensure a smooth transition to a carbon-neutral economy. The carbon-free nature of hydrogen (H2) and ammonia (NH3) has attracted considerable attention as potential substitutes for carbonaceous fuels. Both hydrogen and ammonia have very distinct combustion characteristics compared to hydrocarbons. Strategically cofiring NH3 and H2 appears to be well suited to remedy the difficulties in utilizing either fuel. However, NH3 and NOx emission and combustion instabilities are of critical importance in NH3/H2 combustion. To enable industrial facilities to be operated with NH3/H2 blends, fundamental understandings of the combustion characteristics under various conditions are urgently needed.

For studying both emission and flame stabilization, quantitative multi-scalar data are of essential importance and provide novel insights into combustion chemistry. Simultaneous measurements of temperature and concentration of major species are only possible with combined Raman/Rayleigh scattering. However, due to incomplete spectral data libraries for high temperatures, this method requires careful calibrations in a flame with know temperature and concentrations, usually in a flat flame burner. Previous burner design used for hydrocarbon fuels are not suited for operating with NH3/H2 fuels. A new flat flame burner needs to be constructed and tested for a large variety of operation conditions (e.g., mixtures and equivalence ratio). The burner should be experimentally characterized using advanced laser diagnostics.

The topic is suitable for both Bachelor and Master theses, and the work tasks are adapted accordingly.

Das Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) befasst sich mit optischen Untersuchungen reaktiver Strömungen. Einer dieser Messtechniken ist die Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) mittels derer im Rahmen des Clean-Circles-Projekts ein CO2-freier Kreislaufprozess zur Energiespeicherung untersucht werden soll. Speicher mit langen Ausspeicherzeiten und hohen Energiedichten gewinnen bei fortscheidendem Ausbau von erneuerbaren Energien immer mehr Bedeutung. In dem Kreislaufprozess des Clean-Circles-Projekts erfolgt die Einspeicherung der regenerativ erzeugten Energie mittels Reduktion von Eisenoxidpartikeln. Die entstehenden Eisenpartikel können zeitlich und räumlich getrennt durch eine Oxidation (bzw. Verbrennung des Eisens) die Energie wieder ausspeichern.

Zur Entwicklung eines besseren Verständnisses, sowie zur Validierung und Verbesserung von Modellierungen der im Detail ablaufenden Prozesse während der Reduktion und Oxidation, werden experimentelle Daten benötigt. Hierfür soll die elementare Zusammensetzung von Eisen- und Eisenoxidpartikeln mittels der Laser Induced Breakdown Spectroscopy erforscht werden.

Nachdem in einer vorrangegangenen Masterarbeit ein erster vereinfachter Messaufbau in Betreib genommen wurde soll dieser mithilfe der erarbeiteten Verbesserungen optimiert werden. Hierbei ist vor allem die Inbetriebnahme einer verbesserten Detektionseinheit zur Analyse der Plasmastrahlung entscheidend für eine genaue Bestimmung des Fe-O-Verhältnisses der einzelnen Partikel. Die Aufgabe umfasst anschießend die Durchführung von Experimenten unter Variation verschiedener Einflussparameter auf das LIBS-Signal. Mit den erzielten Daten ist anschließend ein Auswertungsschema zu Erstellen mit dem vom LIBS-Signal der Oxidzustand einzelner Partikel bestimmt werden kann.

Fossile Energieträger müssen in absehbare Zeit durch erneuerbare Energiequellen ersetzt werden. Die Speicherung und der Transport großer Mengen erneuerbarer Energie stellt bei der Energiewende eine zentrale Herausforderung dar.

Im Zuge des Verbundvorhabens Clean Circles wird Eisenpulver als Energieträger erforscht. Eisen wird hierbei in einem Energie- Stoffkreislauf geführt. Zunächst wird Eisenoxid mit Hilfe von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen zu Eisen reduziert. Das so gewonnene Eisen kann gelagert und transportiert werden. Durch die Oxidation (Verbrennung) des Eisens zu Eisenoxid kann die Energie zurückgewonnen werden. Dieser Prozess ist vollkommen CO2-frei.

Fossile Energieträger müssen in absehbare Zeit durch erneuerbare Energiequellen ersetzt werden. Die Speicherung und der Transport großer Mengen erneuerbarer Energie stellt bei der Energiewende eine zentrale Herausforderung dar.

Im Zuge des Verbundvorhabens Clean Circles wird Eisenpulver als Energieträger erforscht. Eisen wird hierbei in einem Energie- Stoffkreislauf geführt. Zunächst wird Eisenoxid mit Hilfe von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen zu Eisen reduziert. Das so gewonnene Eisen kann gelagert und transportiert werden. Durch die Oxidation (Verbrennung) des Eisens zu Eisenoxid kann die Energie zurückgewonnen werden. Dieser Prozess ist vollkommen CO2-frei.

Mit laserbasierter, optischer Diagnostik können nicht-intrusiv und hochauflösend komplexe physikalische Systeme untersucht werden. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) eignet sich um räumlich und zeitlich aufgelöst Informationen über z.B. die Temperatur oder die Mischung in einer Strömung zu erlangen. Dabei werden die Moleküle mit einem Laser angeregt und die charakteristische Fluoreszenzemission mit (Hochgeschwindigkeits-)Kameras detektiert.

In dieser Arbeit geht es darum mittels sogenannter zwei-Farben bzw. zwei-Linien-LIF Mischungsvorgänge in einem optisch zugänglichen Motor zu untersuchen. Ziel dieses Grundlagenexperimentes ist es, den Gasaustausch zwischen Zyklen und die Interaktion zwischen der Gasströmung und einem eingespritzten Spray zu visualisieren und zu charakterisieren.

Im Rahmen der Arbeit soll dafür die genaue Methodik ausgewählt, das Experiment aufgebaut und durchgeführt und die gesammelten Daten ausgewertet und analysiert werden.

Ziel der Arbeit ist es, die Spezies-Konzentrationen aus einer Raman-Messung in einer Ethanol-Flamme mittels der sog. „Spectral Fit“ Methode auszuwerten. Dazu bedarf es im ersten Schritt der Messung der Raman Roh-Daten bei einem geeigneten Betriebspunkt. Die Rohdaten beinhalten dann die Signal-Antworten aller bei der Verbrennung bzw. im Probelvolumen des Lasers vorkommenden Spezies. Die verschiedenen Signal-Antworten und z.B. Hintergrund-Signal sind teilweise spektral sehr stark überlagert und müssen im post-processing entsprechend zugeordnet werden. Hierzu soll ein spektraler Fit Algorithmus entwickelt werden, der die Einzelsignale (aus einer Bibliothek, die in zahlreichen Vorarbeiten erarbeitet wurde) auf das Roh-Signal fittet bzw. in einem iterativen Verfahren optimiert.

Regenerative synthetisierte Kraftstoffe, sogenannte E-Fuels, bieten ein hohes Potenzial hinsichtlich der sektorübergreifenden Nutzung erneuerbarer Energien. Dabei gilt Oxymethylenether (OME) aufgrund der nahezu rußfreien Verbrennung als vielversprechender Dieselersatzkraftstoff. Zur Weiterentwicklung dieser Brennstoffe bedarf es der Charakterisierung hinsichtlich ihrer strömungs- und verbrennungstechnischen Eigenschaften. Diese Experimentaldaten sind zur Validierung der relevanten numerischen Modelle sowie Simulationen unabdingbar. Als Messprinzip werden die laserbasierten Techniken der particle image velocimetry (PIV) und der planaren laserinduzierten fluoreszenz (PLIF, hier speziell das OH-Molekül) eingesetzt. Ziel ist die Gewinnung von konditionierten Informationen über das Geschwindigkeitsfeld und der Flammenstruktur eines vorverdampften synthetischen Kraftstoffes und seiner laminaren Brenngeschwindigkeit in einer Gegenstrombrennerkonfiguration.

Die Elektromobilität ist einer der Megatrends der heutigen Zeit. Um die Leistungsfähigkeit von Elektromotoren zu steigern und über einen längeren Zeitraum aufrecht zu erhalten, müssen Motoren performanter Elektrofahrzeuge gekühlt werden. Je effizienter die Kühlung, desto leistungsfähiger und ressourcenschonender der Antrieb. In einem Kooperationsprojekt mit der Mercedes-Benz AG werden am Fachgebiet Reaktive Strömung und Messtechnik (RSM) neuartige Kühlsysteme für Elektromotoren experimentell untersucht.

Infolge der Einspritzung von Kühlöl bilden sich während des Betriebs dünne Filme auf den Oberflächen der Bauteile, welche die Effizienz des Kühlsystems und des gesamten Motors erheblich beeinflussen können. Um ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Phänomene zu erlangen, sollen an einem generischen Elektromotor-Prüfstand relevante Prozessparameter wie Dicke und Temperatur der Ölfilme erfasst werden.

Aufbauend auf Vorarbeiten soll im Rahmen des hier ausgeschriebenen Advanced Design Projects ein vorhandener laser-optischer Filmdickensensor so angepasst werden, dass er die Charakterisierung von Ölfilmen im Elektromotor-Prüfstand des Fachgebiets RSM ermöglicht. Anschließend soll der Sensor charakterisiert und seine Eignung für Messungen am Elektromotor-Prüfstand im Rahmen einer ersten Messkampagne nachgewiesen werden.

Das Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) befasst sich mit moderner Verbrennungsforschung. Laser-diagnostische Methoden ermöglichen auf diesem Gebiet die messtechnische Erfassung komplexer Vorgänge in der Gas- und Feststoffverbrennung.

Im transdisziplinären Forschungsverbund Clean Circles wird ein innovativer Energie-Stoffkreislauf untersucht. Hierbei wird elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen in Eisen eingespeichert, welche über thermochemische Oxidation ausgespeichert und in thermischen Kraftwerken rückverstromt werden kann. Hierfür ist es notwendig ein tiefgehendes Verständnis der Oxidationsprozesse der Eisenpartikel zu haben.

Um diese Oxidationsprozesse von Eisen in einer laminaren Eisenpartikel-Luft-Flamme untersuchen zu können wurde ein Seeder- und Brennerkonzept entwickelt. In der ausgeschriebenen Masterarbeit ist anhand von diversen Messtechniken dieser Aufbau mit unterschiedlichen Eisenproben zu charakterisieren und zu optimieren. Abschließend sollen Messungen zu den Oxidationseigenschaften der Eisenproben anhand des optimierten Versuchsaufbaus stattfinden und ausgewertet werden.

Die Arbeitsgruppe Hochtemperatur-Prozessdiagnostik im Fachgebiet Reaktive Strömung und Messtechnik (RSM) entwickelt auf Absorptionsspektroskopie basierende Sensoren zur Untersuchung wandnaher reaktiver Strömungen, wie sie z.B. in SCR-Systemen zur Reduktion von Stickoxiden vorkommen. Infolge der Einspritzung von Flüssigkeiten bilden sich in solchen Umgebungen häufig dünne Filme auf den Systemwänden, welche die Effizienz und Robustheit der Prozesse erheblich beeinflussen können. Um ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Phänomene zu erlangen, sollen in generischen Experimenten unter vereinfachten Randbedingungen relevante Prozessparameter erfasst werden. Eine entscheidende Größe hierbei ist die Dicke der sich ausbildenden Flüssigkeitsfilme.

Ein bestehender Filmdickensensor ermöglicht die Messung von Flüssigkeitsfilmdicken an einem einzelnen Punkt. Ziel der ausgeschriebenen Arbeit ist es, das Sensorsystem mithilfe einer Kamera so anzupassen, dass es mehrdimensionale Filmdickenmessungen ermöglicht. Anschließend soll anhand erster Messungen in einem Strömungskanal am Fachgebiet eine Validierung des Sensors durchgeführt werden.

Für die Analyse von Injektoren in verschiedenen Brennräumen ist die Interaktion der eingespritzten Kraftstoffmenge mit der Wand des Brennraumes von großer Bedeutung. Es sammelt sich hierbei Kraftstoff lokal an und verdampft anschließend nur langsam an der Oberfläche. Bei dem verwendeten Spray-G Injektor ist zusätzlich die einzelne Benetzung der unterschiedlichen Einspritzlöcher von Interesse.

In der Arbeit soll eine neuartige Indiumzinnoxid (ITO) Beschichtung auf Tauglichkeit für Messungen der Spray-Benetzung untersucht werden. Dieses Material ist ein elektrischer Halbleiter und gleichzeitig im sichtbaren Licht weitestgehend transparent, wodurch die Wandbenetzung mittels einer Infrarotkamera vermessen und gleichzeitig das Spray mit sichtbarem Licht charakterisiert werden kann.

Dieses Jahr ist mit Clean Circles ein Verbundprojekt gestartet, welches wegweisende Forschung in Richtung regenerativer Energie-Kreislaufwirtschaft macht. In Clean Circles soll ein Demonstrator zum Thema Kreislaufwirtschaft der Zukunft aufgebaut werden. Dabei werden Kreislaufthemen und z. B. Rohstoffrecycling adressiert.

Die Demonstrator-Versuche orientieren sich direkt an den aktuellen Forschungsfragestellungen. Mit regenerativ erzeugtem Strom wird Eisenoxid reduziert (Einspeicherung); örtlich und zeitlich davon getrennt wird das Eisen unter Energiefreisetzung zur Stromerzeugung oxidiert (Ausspeicherung). Dadurch wird erneuerbare Energie in großen Mengen gespeichert, transportiert und CO2-frei bereitgestellt – einer bisher ungelösten zentralen Herausforderung der Energiewende bei sich ändernden politischen Rahmenbedingungen. Eisen als Energiespeicher hat hervorragende physikalisch-chemische Eigenschaften bzgl. Transport, Lagerung und energetischer Nutzung. Wind- und sonnenreiche Standorte innerhalb und außerhalb Deutschlands können zur kostengünstigen Produktion regenerativer elektrischer Energie in eine CO2-freie Kreislaufenergiewirtschaft integriert werden.

Zwei Demonstrator-Experimente stehen hierbei im Fokus. Die Demonstration der Energieeinspeicherung sowie die Energieausspeicherung – also die Oxidation und die Reduktion von Eisen. Die Entwicklung der Demonstratoren soll auf kommerziell verfügbaren Bausätzen basieren. Diese gilt es auszuwählen, und nach der Beschaffung gemäß den spezifischen Interessen und eigenen Schwerpunkten in einen Demonstrator umzubauen.

The institute of Reactive Flows and Diagnostics focuses on fundamental combustion research and has established world-class combustion laboratories with novel optical diagnostics methods. Advanced imaging methods combing modern lasers and cameras enable the understanding of complex processes in gas and solid combustion.

Soot emission is one of the most important issues in the utilization of hydrocarbon fuels. A deep understanding of the soot and nano-sized particle formation in gas and solid fuel flames is an essential aspect of combustion research. In laboratory-scale experiments, in-situ laser diagnostics have been widely established to gain fundamental knowledge. Laser-induced incandescence (LII) has proven to be a powerful tool for particle-concentration and particle-size measurements in combustion systems. This technique has been implemented in previous work and applied for 2D soot imaging measurements in a laminar diffusion flame fueled by ethylene, e.g., in a Gülder-burner configuration. To quantify the soot volume fraction, 1D extinction measurements have been performed simultaneously to calibrate the qualitative LII signals. These combined methods should be further applied for solid fuel combustion studies on the single-particle level. In further steps, in a well-established laminar flow reactor, semi-quantitative 2D LII imaging has been first conducted on bituminous coal and biomass particles. Here, the reaction zone and PAH formation could be visualized at the same time, e.g., by using laser-induced fluorescence (LIF) techniques, to support the interpretation of the soot formation.

The comprehensive experimental data requires intelligent data processing algorithms. Within this work, simultaneously acquired image data should be evaluated in Matlab (image processing tools) using efficient programming structures (object orientated programming). The code structures should be friendly to further extension and maintenance. The main purpose of data evaluation is to extract essential parameters related to soot formation in solid fuel combustion. They are, e.g., 1D absorption ratio, 2D soot volume fraction, soot flame topology, particle positions, particle number density, particle size and shape and etc. Conditional statistical analysis that includes all parameters should be performed in a systematic way to enable a deep understanding of soot formation processes in single particle and particle group combustion.

The topic is suitable for ARP and Master's theses, and the work tasks are adapted accordingly.

The early flame kernel development in modern spark-ignition engines is crucial in determining the efficiency and emissions involved in their operation. An extensive database of early flame images has been acquired by using high-speed planar Mie scattering (from particle image velocimetry) to record the evaporation of seeded oil droplets in an optically accessible single cylinder research engine. To analyze the flame development, the raw images must first be binarized (such that the flame is separated from the particle images).

Despite the availability of advanced digital image processing algorithms, it remains a challenge to accurately binarize experimentally-obtained flame data due to a number of factors such as inhomogeneous lighting, reflections, and noise. The figure to the right shows an example raw image and overlain contours of a flame propagating adjacent to the spark plug. Even though the flame is easily recognizable to the human eye, it is difficult to algorithmically separate the flame from the surrounding features. Therefore, the goal is to use machine learning (ML) techniques such as DeepOtsu or convolutional neural networks, to achieve a more efficient and accurate universal model for flame binarization.

Dieses Jahr ist mit Clean Circles ein Verbundprojekt gestartet, welches wegweisende Forschung in Richtung regenerativer Energie-Kreislaufwirtschaft macht. In Clean Circles soll ein Schullabor zum Thema Kreislaufwirtschaft der Zukunft aufgebaut werden, um Interesse an den vielfältigen Berufsmöglichkeiten im MINT-Bereich zu wecken. Dabei werden Kreislaufthemen und z. B. Recycling allgemein adressiert. Spezifische Versuche orientieren sich aber direkt an den aktuellen Forschungsfragestellungen.

Mit regenerativ erzeugtem Strom wird Eisenoxid reduziert (Einspeicherung); örtlich und zeitlich davon getrennt wird das Eisen unter Energiefreisetzung zur Stromerzeugung oxidiert (Ausspeicherung). Dadurch wird erneuerbare Energie in großen Mengen gespeichert, transportiert und CO2-frei bereitgestellt – einer bisher ungelösten zentralen Herausforderung der Energiewende bei sich ändernden politischen Rahmenbedingungen. Eisen als Energiespeicher hat hervorragende physikalisch-chemische Eigenschaften bzgl. Transport, Lagerung und energetischer Nutzung. Wind- und sonnenreiche Standorte innerhalb und außerhalb Deutschlands können zur kostengünstigen Produktion regenerativer elektrischer Energie in eine CO2-freie Kreislaufenergiewirtschaft integriert werden.

Zur Erarbeitung eines Gesamtkonzeptes für das Schullabor und zum Aufbau der zentralen Experimente suchen wir eine interessierte Gruppe von Studierenden. Die Umsetzung des Schullabors findet in enger Kooperation mit dem DLR_School_Lab TU Darmstadt statt. Bei grundsätzlichem Interesse wird im persönlichen Gespräch entsprechend der Interessen und Erfahrungen eine konkrete Aufgabenstellung erarbeitet.

Für die Analyse von Injektoren in verschiedenen Brennräumen ist die Einspritzung und Verteilung des Kraftstoffes von großem Interesse. Hierüber kann die Einspritztiefe sowie die Verdampfungsgeschwidigkeit bestimmt und analysiert werden. Die übliche Beleuchtung der Einspritzmasse mittels herkömmlicher LED Beleuchtung und Mie-Streuung führt zu Mehrfachstreuung der Kraftstoffpartikel.

In der Arbeit soll die Messtechnik Structured Light Illumination Planar Imaging (SLIPI) zur Sprayanalyse eingesetzt werden. Mit Hilfe der SLIPI Technik können Streulichtanteile aus Mie und LIF Spray Bildern effektiv entfernt werden, wodurch Spray Strukturen in bisher unerreichter Qualität sichtbar werden.

Das Thema ist geeignet für ADPs oder Master/Bachelorarbeit und die Arbeitsaufgaben werden dementsprechend angepasst.

Auf Grund der hohen Energiedichte von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen wird es auch in Zukunft viele Anwendungen im Bereich Mobilität und Energieerzeugung geben, die auf Verbrennungsmotoren basieren. Hier gilt es gesetzlichen Anforderungen zu Schadstoffemissionen zu genügen, die Effizienz zu steigern und die Verwendung diversifizierter Kraftstoffe zu ermöglichen. Am Institut steht daher ein optisch zugänglicher direkteinspritzender Ottomotor zur Verfügung, an dem mittels laser-diagnostischer Methoden die innermotorische Energiewandlung untersucht wird.

In der Arbeit soll ein existierendes 0D/1D-Modell des Prüfstandes in GT-Power weiterentwickelt werden. Mithilfe solcher reduzierten Modelle können grundlegende Charakteristiken, wie die Gasdynamik, akustische Schwingungen, Wärmetransport, Perfomance und Emissionsbildung untersucht werden. Gerade die Sensitivität solcher Größen gegenüber den Randbedingungen, welche am realen Prüfstand unweigerlich variieren, ist relevant für die Interpretation von Experimenten und numerischen CFD- Simulationen.

Am Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik beschäftigt sich eine Arbeitsgruppe mit dem Schwerpunkt der Absorptionsspektroskopie unter Verwendung von abstimmbaren Diodenlasern. Hierbei werden die Konzentrationen verschiedenster Gase in einem Volumen mittels innovativer, laserdiagnostischer Verfahren berührungsfrei und hochdynamisch unter Verwendung von faser-gekoppelten Lasern vermessen.

Die Kohärente anti-Stokes Raman-Spektroskopie (CARS) ist eine weitverbreitete Lasermesstechnik zur Bestimmung von Gastemperaturen und Spezies-Konzentrationen. Die Messmethode ermöglicht die Bestimmung der Gastemperatur über einen großen Temperaturbereich und ist zugleich nicht-intrusiv. Dies sind zwei Eigenschaften, die CARS insbesondere interessant für die Untersuchung moderner Verbrennungs-mechanismen macht.

Für die Gastemperaturbestimmung mit CARS wird üblicherweise das Stickstoffmolekül geprobt. Um in Zukunft stickstofffreie Prozesse, wie z.B. das Oxyfuel-Verfahren, untersuchen zu können, soll die bestehende Messtechnik auf das Sauerstoffmolekül erweitert werden. Hierfür sollen innerhalb der Arbeit Untersuchungen an einem generischen Flachflammenbrenner durchgeführt werden. Das Ziel der Arbeit ist die Bestimmung der Genauigkeit der Gastemperatur anhand des O2-Moleküls in Abhängigkeit der Parameter Temperatur, Sauerstoffkonzentration und des Signal-zu-Rausch Verhältnisses. Für die Auswertung der aufgenommenen CARS-Spektren gilt es die bereits existierende Spektren Auswertung in Matlab zu erweitern.

Auf Grund der hohen Energiedichte von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen wird es auch in Zukunft viele Anwendungen im Bereich Mobilität und Energieerzeugung geben, die auf Verbrennungsmotoren basieren. Hier gilt es gesetzlichen Anforderungen zu Schadstoffemissionen zu genügen, die Effizienz zu steigern und die Verwendung diversifizierter Kraftstoffe zu ermöglichen. Am Institut steht daher ein optisch zugänglicher direkteinspritzender Ottomotor zur Verfügung, an dem mittels laser-diagnostischer Methoden die innermotorische Energiewandlung untersucht wird.

In der Arbeit soll eine neuartige Indiumzinnoxid (ITO) Beschichtung auf Tauglichkeit für Messungen der Spray-Benetzung untersucht werden. Dieses Material ist ein elektrischer Halbleiter und gleichzeitig im sichtbaren Licht weitestgehend transparent, wodurch die Wandbenetzung mittels einer Infrarotkamera vermessen und gleichzeitig das Spray mit sichtbarem Licht charakterisiert werden kann.