Forschungsprojekte

Die Forschungsarbeiten werden aktuell durch folgende Projekte gefördert. Die Institutsleitung und die wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter bedanken sich für die Förderung.

DFG, NE 822/31-1: Gottfried-Wilhelm-Leibniz Preis

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Förderung: DFG, NE 822/31-1
Starttermin: 2018
Endtermin: 2025

BMWi - ZIM: EmiFoam - Entwicklung und Erprobung eines Auf Metallschaum basierten induktiv beheizbaren Durchlauferhitzers

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) - ZIM
Starttermin: 2017
Endtermin: 2018

MWK und Europäischer Fonds für regionale Entwicklung: InSeL - Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau

Das Projekt wird gefördert durch den Europäischen Fonds für regionale
Entwicklung (EFRE) und durch das Land Baden-Württemberg im Rahmen des
Zentrums für Angewandte Forschung ZAFH ,,InSeL - Innovative
Schaumstrukturen für den effizienten Leichtbau''.
Wir danken EFRE und Baden-Württemberg für die Unterstützung des Vorhabens.

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Förderung: Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg (MWK) und Europäischer Fonds für regionale Entwicklung
Starttermin: 2017
Endtermin: 2020

BMWi: KerSOLife100 Vollkeramisches SOFC-Konzept für kosteneffiziente μ-CHPs: Langzeitverhalten, Degradationsmechanismen, Material- und Prozessoptimierung

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Starttermin: 2016
Endtermin: 2019

Energieforschung zählt zu den prioritären Zukunftsaufgaben im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung. Für einen ressourcenschonenden Umgang mit fossilen Brennstoffen stellt die Kraft-Wärmekopplung (KWK) im stationären Bereich eine zentrale Technologie dar. Den höchsten Wirkungsgrad mit rd. 90 % erreicht man dabei mit SOFC-basierten Systemen [1]. Für diese wird ein stark wachsender Markt prognostiziert [1], was die Forschung nach Produkten mit höherer Lebensdauer zu geringeren Kosten antreibt. Im Rahmen von KerSOLife100 wird durch ein Konsortium aus Industrie- und Wissenschaftspartnern ein innovatives, vielversprechendes vollkeramisches SOFC-Zellkonzept für kosteneffiziente μKWK erforscht, welches ein hohes Potential besitzt, die zukünftigen Marktanforderungen bzgl. Lebensdauer und Kosten zu erfüllen. Bei diesem Konzept sollen kostengünstige, bislang für SOFC nicht angewendete Materialien in Kombination mit neuartigen Prozesstechnologien eingesetzt werden. Daher besteht ein erhebliches Risiko, dass bislang unbekannte Alterungsphänomene und Schädigungen auftreten. Diese müssen beherrscht werden, um derartige Systeme erfolgreich am Markt zu platzieren. Die Erforschung der Degradationsmechanismen und verständnisbasierter Abhilfemaßnahmen auf den Ebenen Material, Aufbau- und Fertigungstechnik sowie Betriebsstrategie, sind daher aus wirtschaftlicher Sicht unabdingbar - und wissenschaftlich von hohem Interesse. Hierzu zählt auch die Entwicklung einer Vorgehensweise zur wissensbasierten beschleunigten Erprobung, um die Optimierung der Materialien und spezifischen Prozesstechnologien sicher bewerten und die geforderte Lebensdauer gewährleisten zu können.

 

BMBF: OptiProt - Optimierte Proteinverteilung durch Porositätsdesign der Diagnostikträger

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Starttermin: 2017
Endtermin: 2019

Die Entwicklung und Optimierung von Lateral-Flow-Tests erfordert die Steigerung der Sensitivität, die Verringerung der Reagenzmenge und des Bedarfs an Probenmenge. Zur Erreichung dieser Ziele liegt die Herausforderung an die Forschung und Entwicklung in der Bereitstellung von Methoden zur Herstellung neuer Membranstrukturen. Diese Methoden erfordern die Betrachtung multipler Einflussparameter wie Eigenschaften der Fluide, der Grenzflächen und der Struktur. Simulationsmodelle der Testabläufe unterstützen die Optimierung bestehender Membranen hinsichtlich der geforderten Eigenschaften der Sensitivitätssteigerung und Reduktion an Proben- und Reagenzmenge. Die Berechnungen führen zu einem besseren Verständnis der physikalischen Prozesse und geben dem Hersteller Sartorius wesentliche Hinweise für einen verbesserten Membranaufbau. Im Rahmen des Projekts werden neue Simulationsmethoden zur Beschreibung der Ausbreitung einer Flüssigkeit in porösen Membranstrukturen, zur Erfassung der Proteinadsorption und zur Optimierung der Strömungskanäle in mikrostrukturierten Membranen entwickelt. Die Simulationen erlauben eine detaillierte Analyse des Eindringens und der Propagationsdynamik der Flüssigkeit in Abhängigkeit der Membran-, der Grenzflächen- und Flüssigkeitseigenschaften. Als Ergebnis der Simulationen können Systemgrößen wie die Porosität der Membran, die Stegstruktur, der Aufbau der Kanalgeflechte, die Kontaktwinkel, Oberflächenspannung und Proteinkonzentrationen vorausbestimmt werden, die eine Verbesserung der Membran bewirken. Weiterhin lässt sich aus den Berechnungen das Proteinadsorptionsvermögen vorhersagen. Aufbauend auf den erstellten Rechenmodellen der Mikrostrukturskala und einer Validierung durch Daten aus gemessenen Prozessläufen bei Sartorius Stedim Biotech GmbHsoll gemeinsam mit dem Partner TinniT Technologies GmbH ein Herleiten effektiver Systemgrößen für die Nutzung auf der Makroskala erfolgen. Durch die angestrebte Multiskalenmodellierung sollen für die neu ausgelegten Membranen vollständige Lateral-Flow-Tests gerechnet und durch Vergleich mit Experimenten bewertet werden.

BMBF: Skampy - Ultra-Skalierbare Multiphysiksimulationen für Erstarrungsprozesse in Metallen

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Starttermin: 2016
Endtermin: 2019

In diesem Antrag soll ein hochskalierendes und benutzerfreundliches Simulationsframework für Phasenfeldmodelle in den Materialwissenschaften realisiert werden, das eine extrem feine räumliche und zeitliche Auflösung und damit die Abbildung aller relevanten physikalischen Effekte ermöglicht. Dies führt zu extrem hohen Anforderungen an die Rechenleistung. Um eine hohe Energieeffizienz zu erreichen, muss bei der Entwicklung von Simulationssoftware in Zukunft wesentlich mehr als bisher auf die absolute Performanz, also einen möglichst geringen Ressourcenverbrauch bei vorgegebener Simulationsgenauigkeit, hin optimiert werden. Neben einer exzellenten Skalierung muss dazu ein immer größerer Teil der Rechenleistung durch feingranulare Nebenläufigkeit innerhalb der Rechnerknoten erbracht werden. Am Lehrstuhl für Systemsimulation in Erlangen wird hierzu das Framework waLBerla entwickelt, das für eine erste, prototpyischen Phasenfeldsimulation bereits eine exzellente Performanz demonstrieren konnte. Das Erfolgsrezept liegt dabei in der Spezialisierung sowohl der benutzten Modelle und der numerischen Algorithmen, als auch der Datenstrukturen und in der systematischen Optimierung für die jeweilige Plattform, typischerweise eine Many-Core-Architektur. Dabei zielt das Projekt auch auf Portabilität, Flexibilität und Produktivität durch Verwendung eines nachhaltigen, strukturierten Entwicklungsprozesses ab.

BMBF: MERID - Mikrostruktureller Einfluss auf die Reservoirintegrität bei variablen hydromechanischen Druckbedingungen

Poröse Reservoirgesteine werden als Kohlenwasserstoffreservoire exploriert und als geothermische oder Gaszwischenspeicher genutzt. Sie beinhalten sedimentäre und strukturelle Grenzflächen (bounding surfaces, Störungen, Deformationsbänder) und durch Kompaktion während der Druckreduktion innerhalb des Reservoirs verursachte Strukturen (Drucklösung, Deformationsbänder), die als Permeabilitätsanisotropien während der hydromechanischen Druckänderung die Reservoirintegrität beeinflussen. Gleichzeitig werden die Gesteine von einem Zweiphasenfluss (injiziertes Fluid vs. Formationswasser, Öl vs. Formationswasser) durchströmt, wobei die relativen Permeabilitäten von den Benetzungseigenschaften der mineralogischen Mikrostrukturen abhängen. Ziel des interdisziplinären Projekts ist die Modellierung des mikrostrukturellen Einflusses auf den Zweiphasenfluss und die Reservoirintegrität. Hierzu werden die während der Fluiddruckänderungen variierenden vertikalen und horizontalen Permeabilitäten in porösen Reservoiren experimentell und numerisch analysiert und modelliert. Durch gekoppelte geomechanische und hydrodynamische Modelle wird die dreidimensionale Hydrodynamik des Mehrphasenflusses unter Berücksichtigung der Benetzungseigenschaften auf der Kornskala berechnet und das repräsentative Volumen für die Reservoirskala abgeleitet. Die Ergebnisse werden anhand vorhandener Reservoirdaten validiert und die gewonnenen Erkenntnisse zur Reservoirintegrität quantifiziert. In dem integrierten interdisziplinären Ansatz werden erstmalig kornskalige Prozesse in Reservoirprozessen appliziert und digitale Gesteinsmodelle erstellt. Die Ergebnisse finden Anwendung in der effizienteren Nutzung von tiefen Reservoiren bei der Exploration und als Energiespeicher.

DFG Graduiertenkolleg 1483 - Prozessketten in der Fertigung: Wechselwirkung, Modellbildung und Bewertung von Prozessketten

Das Graduiertenkolleg ist im interdisziplinären Forschungs- und Entwicklungsfeld ,,Computational Engi-neering – Werkstoffwissenschaft – Produktionstechnik’’ angesiedelt. Das Leitthema ist die Prozesskette vom Halbzeug zum Bauteil, deren ganzheitliche Betrachtung und prozessübergreifende simulatorische Abbildung die Grenzen des ingenieurwissenschaftlichen Wissens in einer Schlüsseltechnologie ver-schieben werden. Auf der Grundlage seines inhaltlich wie organisatorisch wohldurchdachten Gesamt-konzeptes ist das Graduiertenkolleg in der ersten Förderphase sehr rasch arbeitsfähig geworden und kann sichtbare Erfolge in der forschungsintensiven Graduiertenausbildung vorweisen. Dieser Weg soll in der zweiten Förderphase konsequent weiter beschritten werden. Wie in der ersten Förderphase befas-sen sich die Forschungsarbeiten mit Prozessketten zur Fertigung von Blechbauteilen mit den Schritten Walzen, Zwischenglühen und Tiefziehen sowie von Massivbauteilen mit den Schritten Weichbearbei-tung, Wärmebehandlung und Hartbearbeitung. Während die Arbeiten bei den Blechbauteilen ausgehend von einem einfachen Tiefziehstahl auf Dualphasen- und später TRIP-Stähle ausgeweitet werden, sollen bei den Massivbauteilen konkurrierend Prozessketten mit einsatz- und induktionshärtbaren Stählen be-trachtet werden und mechanische Oberflächenbehandlungen sowie die Energieeffizienz in die Betrach-tung eingeschlossen werden. Die Verbindung zwischen den Bereichen soll durch Betrachtung des Presshärtens gestärkt werden. Die enge Zusammenarbeit der Kollegiaten entlang dieser Prozessketten wird durch die Bildung von Arbeitskreisen unterstützt, die sich mit dem Umformen, der Zerspanung und der Wärmebehandlung beschäftigen. Sämtliche Arbeiten sind interdisziplinär angelegt und verknüpfen fertigungstechnische Laborversuche, experimentelle Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung und ska-lenübergreifende Werkstoff- und Prozesssimulation. Die fachlichen und überfachlichen Qualifikationen der Kollegiaten werden mit dem forschungsbegleitenden Studienprogramm „CAMP – Computer Applica-tion in Materials Processing“ gestärkt, um sie für den nationalen und internationalen akademischen und nicht-akademischen Arbeitsmarkt zu qualifizieren. Dabei werden den Kollegiaten in einem Pflicht- und Individualcurriculum wesentliche technisch-wissenschaftliche Kenntnisse vermittelt und über die Perso-nalentwicklung des KIT (PEW) und das House of Competence (HoC) des KIT werden methodische Kenntnisse und Schlüsselqualifikationen gestärkt.

BMWi-ZIM: Enhanced Biostimulation of Indigenous Microbes via Groundwater Recirculation (IEG-GCW®)

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) - ZIM
Starttermin: 2016
Endtermin: 2017

Auf einem mit LHKW belasteten Industriestandort in Barcelona wird ein Kombinationsverfahren zur mikrobiologischen in situ-Grundwassersanierung entwickelt, das aus einem zentralen Grundwasser-Zirkulations-Brunnen (GCW) mit umliegenden Multilevel-Injektionsbrunnen besteht. In Laborversuche wird eine Nährstoffmischung entwickelt. Durch zyklischen Betrieb des Brunnens werden komplexe Strömungszustände erzeugt, die zur Vermischung von Kontaminanten und Nährstoffen im Grundwasser führen. Die Wirksamkeit des Verfahrens wird durch Laboranalytik, molekularbiologische und isotopentechnische Untersuchungen weiterentwickelt. In bestehenden Modellierungswerkzeuge werden die Strömungen und Prozesse in den Porenkanälen überarbeitet, um Sanierungskonfigurationen exakter zu dimensionieren. Am IMP wird in Simulationsstudien das Strömungsverhalten durch die poröse Mikrostruktur unter induzierter Saugkraft untersucht. Die Mikroströmungssimulationen unterstützen die Auslegung des GCW, indem sie in 3D Computermodellen durch Variation der induzierten Strömungsrichtung Vorschläge für eine geeignete Sandstruktur mit integriertem Mikrokanalsystem sowie optimierten Strömungs- und Prozesssteuerungen liefern.

MWK: Leistungsorientierte Förderung des akademischen Mittelbaus für Forschungsgruppen an HAW: Multiskalen- und Multiphysik-Materialsimulation durch den Einsatz von Hochleistungsrechnen

Leistungsorientierte Förderung des akademischen Mittelbaus für Forschungsgruppen an HAW: Multiskalen- und Multiphysik-Materialsimulation durch den Einsatz von Hochleistungsrechnen

Im Rahmen der durchgeführten Forschungsprojekte der letzten 15 Jahre wurden in der Entwicklung neuer Materialien und neuer Gefügestrukturen insbesondere in zellulären Medien sowie in der Multiskalen- und Multiphysik-Materialmodellierung zukunftsweisende und bahnbrechende Ergebnisse und Dimensionen der Materialsimulation erreicht, die für die zukünftige Weiterentwicklung ein weitreichendes Potenzial versprechen. Daher sollen die im Rahmen des Mittelbauprogramms beantragten Nachwuchswissenschaftler die in der ersten Förderphase aufgebauten Kompetenzfelder: (i) Elektrochemie und (ii) Fluid-Struktur-Interaktion weiterführen und in die folgenden neuen Großprojekte und Einzelinitiativen mit Schwerpunkt auf thermische und elektrische Energiespeicher einbringen.

MFW: Substitution toxischer Werkstoffe für die Thermoelektrik durch die Herstellung von Magnesiumsilicid aus infiltrierten Metallschäumen (MagicMetal), Verbundprojekt mit der AG Prof. Dr. Norbert Jost der Hochschule Offenburg

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Förderung: Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg (MFW)
Starttermin: 2015
Endtermin: 2017

Das gesamtheitliche Ziel des Projektvorhabens „MagicMetal“ ist die Herstellung unterschiedlicher offenporiger Metallschaumstrukturen, welche in nachfolgenden Fertigungsprozessschritten definiert infiltriert werden und somit als hybrider Verbundwerkstoff für eine gezielte und die Eigenschaften einstellende Festkörperumwandlung zur Verfügung stehen. Dabei wird eine entsprechende stöchiometrische Zusammensetzung aller beteiligten Elemente im Metallschaum und in der Matrix gewählt, die zunächst der Mg2Si-Verbindung und im Anschluss daran der Mg2(SiSn)-Verbindung entsprechen. Durch begleitende Simulationen der Mikrostrukturausbildung werden für die einzelnen Prozesse der Metallschaumherstellung und Infiltration Wirkzusammenhänge zwischen Werkstoffeigenschaften und Prozessbedingungen analysiert. Für die theoretischen Betrachtungen wird ein Phasenfeldmodell weiterentwickelt und Simulationsstudien durchgeführt. Während das Modell anhand von experimentellen Daten validiert und verfeinert wird, liefert die Werkstoffsimulation die Möglichkeit, einen umfangreichen Parameterraum kontrolliert und detailliert abzutasten sowie gezielte Hinweise für die experimentelle Versuchsführung abzuleiten. Die für die endgültige Herstellung eines TEG´s noch notwendigen weiteren Produktionsschritte wie z. B. die Zugabe geeigneter Dotierungselemente zur Erzielung der p- bzw. n-leitenden Eigenschaften, sind hier nicht projektrelevant, da sie vollumfänglich dem heutigen Stand der Technik entsprechen.

BMWi: AIF - Textilbasierter Kollektor mit integriertem Latentwärmespeicher zur solarthermischen Energienutzung (Textile Solarthermie)

Ansprechpartnerin: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Starttermin: 2015
Endtermin: 2017

Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll ein Textilkollektor in Hybridtechnologie entwickelt werden, d.h. Sonnenkollektor und Wärmespeicher sind in einer Einheit untergebracht: Die Absorberschicht aus einem schwarzen Abstandstextil ist mit Luft durchströmbar ausgebildet. Unterhalb oder am Ende des Kollektors ist das Speichermedium für die Wärmeenergie angeordnet. Aufgrund der hohen Speicherdichte ist ein Latentwärmespeicher vorgesehen, der aus verstrickten Monofilamenten besteht und damit enorme Vorteile hinsichtlich eines schnellen und effizienten Wärmeaustausches bietet. Das Speichermedium kann so direkt mit der Sonnenenergie beladen werden. Gleichzeitig kann Luft durchfließen und wird auch durch die Sonne erwärmt. Bei Abruf der gespeicherten Wärmeenergie wird das System ebenfalls durchströmt, jedoch wird die Lufterwärmung nicht durch die Sonnenstrahlung, sondern durch den Wärmespeicher realisiert. Die Schichten für die Wärmedämmung und Luftführung sind durch Vorausberechnungen geschickt anzuordnen und zu dimensionieren, um eine Überhitzung einer evtl. darunter liegenden Gebäudewand zu vermeiden und um die Wärmeverluste im Heizfall minimal zu halten.
Der zu entwickelnde Textilkollektor soll folgende Merkmale aufweisen:
• Flexible Materialkomposition zur Herstellung eines textilen Kollektorverbundes,
• Integrierter Wärmespeicher als Tag-Nacht-Speicher,
• Industrielle Fertigung des Verbundes und der Kollektorsysteme,
• Leichte Integrierbarkeit an Gebäuden, zum Beispiel an Fassaden und Dächern,
• Mehrwert bei der Nutzung,
• Gute Wirtschaftlichkeit.
Ein weiteres Ziel des Projektes ist die Integration des Hybrid-Solarkollektorsystems in das Wärmemanagementkonzept von Gebäuden.

MWK: Kooperatives Promotionskolleg: Gefügestrukturanalyse und Prozessbewertung 2 (Förderung von 12 Promotionsstipendien für je 3 Jahre - Kooperation zwischen Hochschule Karlsruhe und KIT)

Ansprechpartner: Prof. Dr. rer. nat. Britta Nestler
Förderung: Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg (MWK)
Starttermin: 2015
Endtermin: 2019

Kooperative Promotion:Thermomechanische Simulatoin von Gusseisenmikrostrukturen in Bremsscheiben (zusammen mit der Daimler AG)

Das Ziel dieses Projektes ist die Weiterentwicklung der numerischen Belastbarkeitsvorhersage von Bremsscheiben aus Gusseisen mit Lamellengraphit. Häufig kommt es vor, dass numerische Modelle ein Versagen von Bauteile prognostizieren, welches in der Realität nicht eintritt. Diese Diskrepanz zwischen Simulation und Wirklichkeit lässt sich oft auf zu einfache Modelle zurückführen, z.B. werden wichtige Phasenumwandlungsprozesse, Inhomogenitäten und/oder mechanische Phänomene, z.B. die Plastizität, nicht betrachtet. Im Rahmen dieses Projektes werden die thermo-mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit in Abhängigkeit der Mikrostruktur durch numerische Simulationen an mesoskopischen Repräsentativen Volumenelementen berechnet. Des weiteren wird der Einfluss von Phasenumwandlungsprozessen, wie bspw. der Martensittransformation, auf die thermo-mechanischen Eigenschaften untersucht. Unter Verwendung der berechneten Materialparameter wird schließlich die Rissbildung auf Bremsscheiben mittels mehrskalen Simulationen erforscht.

Center of Computational Materials Science and Engineering (CCMSE)