Modellansatz 218
In dieser Folge spricht Gudrun mit Anne Bayer und Tom Braun. Sie sind im Bachelorstudiengang Wirtschaftsmathematik bzw. Mathematik am KIT eingeschrieben und haben 2019 das Projektorientierte Softwarepraktikum in Gudruns Arbeitsgruppe absolviert. Das Gespräch dreht sich um ihre Erfahrungen in dieser Lehrveranstaltung. Das Projektorientierte Softwarepraktikum wurde 2010 als forschungsnaher Lernort konzipiert. Studierende unterschiedlicher Studiengänge arbeiten dort ein Semester lang an konkreten Strömungssimulationen. Es wird regelmäßig im Sommersemester angeboten. Seit 2014 liegt als Programmiersprache die Open Source Software OpenLB zugrunde, die ständig u.a. in der Karlsruher Lattice Boltzmann Research Group weiter entwickelt wird. Außerdem wird das Praktikum seit 2012 vom Land Baden-Württemberg gefördert als eine Möglichkeit für Studierende, sich im Studium schon an Forschung zu beteiligen. Konkret läuft das Praktikum etwa folgendermaßen ab: Die Studierenden erhalten eine theoretische Einführung in Strömungsmodelle und die Idee von Lattice-Boltzmann-Methoden und finden sich für ein einführendes kleines Projekt in Zweiergruppen zusammen. Anschließend wählen sie aus einem Katalog eine Frage aus, die sie bis zum Ende des Semesters mit Hilfe von Computersimulationen gemeinsam beantworten. Diese Fragen sind Teile von Forschungsthemen der Gruppe, z.B. aus Promotionsprojekten oder Drittmittelforschung. Während der Projektphase werden die Studierenden von dem Doktoranden/der Doktorandin der Gruppe, die die jeweilige Frage gestellt haben, betreut. Am Ende des Semesters werden die Ergebnisse in Vorträgen vorgestellt und diskutiert. Hier ist die ganze Arbeitsgruppe beteiligt. In einer Ausarbeitung werden außerdem die Modellbildung, die Umsetzung in OpenLB und die konkreten Simulationsergebnisse ausführlich dargelegt und in den aktuellen Forschungsstand eingeordnet. Diese Ausarbeitung wird benotet. Die Veranstaltung wird mit 4 ECTS angerechnet. Anne und Tom betrachten einen Würfel, in dem zwei Flüssigkeiten enthalten sind, die sich nicht mischen können. Konkret ist eine Tropfen von Fluid 1 ist in ein Fluid 2 eingebettet. Dadurch entsteht insbesondere eine diffuse Grenzfläche zwischen beiden, die durch mehrere physikalische Faktoren beeinflusst ist, wie z.B. die Viskosität der Flüssigkeiten oder die Größe des Tropfens. Wo die Grenzfläche verläuft ist Teil des physikalischen Problems. Grundlage des verwendeten sehr einfachen Modells ist die Oberflächenspannung. Der Tropfen hat aufgrund dieser Oberflächenspannung einen anderen Druck im Inneren als im das Fluid im außen. Dies kann mit dem Laplace-Operator modelliert und berechnet werden. Sie berechnen die im numerischen Modell vorliegende Druckdifferenz, indem der Druck im kugelförmigen Tropfen und dem Punkt am weitesten entfernt betrachtet wird (in diesem Fall den Punkt aus der linken unteren Ecke).
Erschienen: 03.10.2019
Dauer: 19:24
Modellansatz 217
Gudrun traf sich im August 2019 in Karlsruhe zum Gespräch mit Kerstin Göpfrich. Die beiden hatten sich im April 2019 persönlich beim Nawik Symposium 'Und jetzt Du' kennengelernt, wo Kerstin ihr Projekt Ring-a-Scientist vorgestellt hat. Dieses Projekt hat sie gemeinsam mit Karl Gödel initiiert und umgesetzt. Ring-a-Scientist wurde initial durch Wikimedia, die VolkswagenStiftung und den Stifterverband im Fellowverband Freies Wissen gefördert. Ring-a-Scientist ist ein moderner Weg, wie Wissenschaft in die Schulen kommen kann – per Videokonferenz und Live-Schalte aus dem Labor. Ring-a-Scientist möchte Wissenschaft ins Klassenzimmer bringen. Dies geschieht ohne Reisen und viel Organisationsaufwand einfach live per Videokonferenz. Die Inhalte können dabei von der Studienberatung über Diskussionsrunden mit Expertinnen und Experten bis hin zu virtuellen Laborführungen, Experimenten und Einblicken in die aktuelle Forschung reichen. Wie? www.Ring-a-Scientist.org ist eine Webplattform, über die Lehrerende und Wissenschaftler unbürokratisch Termine für ein Videotelefonat vereinbaren können. Auf der Plattform legen Wissenschaftler – vom Erstsemester zur Professorin – ein Profil an. Lehrpersonen können Wissenschaftler ihrer Wahl kontaktieren und den Inhalt des Videotelefonats abstecken. Ring-a-Scientist freut sich auf viele Anfragen von Lehrerinnen und Lehrern! Wieso? Ein Videotelefonat ist weniger zeit- und kostenaufwendig als Schulbesuche. Es lässt sich einfach und flexibel im Unterricht einsetzen und ist mit dem Tagesgeschäft in der Wissenschaft gut ver- einbar. Das soll Schul- und Laborbesuche nicht ersetzen sondern ergänzen und Schulen über das lokale Umfeld hinaus erreichen – denn Unterricht im 21. Jahrhundert verdient Technologie des 21. Jahrhunderts! Kerstin Göpfrich war zum Zeitpunkt des Gespräches Marie Skłodowska-Curie Fellow am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Stuttgart. Ab dem 1. Oktober leitet sie eine Max-Planck-Forschungsgruppe in Heidelberg. Im April 2017 schloss sie ihre Promotion in Physik an der University of Cambridge (UK) ab, wo sie bei Prof. Ulrich Keyser an DNA Origami Nanoporen arbeitete. Nebenbei hat Sie für verschiedene Medien gearbeitet, darunter The Naked Scientists (BBC - Radio 5 live), Cambridge TV, Spektrum der Wissenschaft und The Huffington Post. In ihrer Forschung beschäftigt sie sich mit der Frage: Was ist Leben und könnte es auch anders sein? Anstatt das Leben, wie wir es kennen, zu kopieren, versucht sie, synthetische Zellen zu entwickeln, die nicht nur aus natürlichen Bausteinen bestehen und neue Arten der Informationsverbreitung und Replikation aufweisen. Dadurch wird es möglich sein, die Randbedingungen des Lebens zu erforschen und aus praktischer Sicht neue Schnittstellen zwischen natürlichen und synthetischen Zellen aufzubauen. Bioorthogonale synthetische Zellen werden als biokompatible aktive Sonden ("Phantomzellen") in lebenden Geweben und Organismen einsetzbar sein, die in der Lage sind, (...)
Erschienen: 12.09.2019
Dauer: 37:17
Modellansatz 216
Stephan Ajuvo (@ajuvo) vom damals(tm) Podcast, Damon Lee von der Hochschule für Musik und Sebastian Ritterbusch trafen sich zu Gulasch-Programmiernacht 2019 des CCC-Erfakreises Entropia e.V., die wieder im ZKM und der HfG Karlsruhe stattfand. Es geht um Musik, Mathematik und wie es so dazu kam, wie es ist. Damon Lee unterrichtet seit einem Jahr an der Hochschule für Musik und befasst sich mit Musik für Film, Theater, Medien und Videospielen. Im aktuellen Semester verwendet er Unity 3D um mit räumlicher Musik und Klängen virtuelle Räume im Gaming-Umfeld umzusetzen. Auch im Forschungsprojekt Terrain wird untersucht, in wie weit räumliche Klänge eine bessere Orientierungsfähigkeit im urbanen Umfeld unterstützen können. Die Idee zu dieser Folge entstand im Nachgang zur gemeinsamen Aufnahme von Stephan und Sebastian zum Thema Rechenschieber, da die Musik, wie wir sie kennen, auch ein Rechenproblem besitzt, und man dieses an jedem Klavier wiederfinden kann. Dazu spielte Musik auch eine wichtige Rolle in der Technikgeschichte, wie beispielsweise das Theremin und das Trautonium. Die Klaviatur eines herkömmlichen Klaviers erscheint mit den weißen und schwarzen Tasten alle Töne abzubilden, die unser gewöhnliches Tonsystem mit Noten abbilden kann. Der Ursprung dieses Tonsystems entstammt aus recht einfachen physikalischen und mathematischen Eigenschaften: Wird eine Saite halbiert und im Vergleich zu zuvor in Schwingung gebracht, so verdoppelt sich die Frequenz und wir hören den einen gleichartigen höheren Ton, der im Tonsystem auch gleich benannt wird, er ist nur um eine Oktave höher. Aus einem Kammerton a' mit 440Hz ändert sich in der Tonhöhe zu a'' mit 880Hz. Neben einer Verdopplung ergibt auch eine Verdreifachung der Frequenz einen für uns Menschen angenehmen Klang. Da aber der Ton über eine Oktave höher liegt, wird dazu der wieder um eine Oktave tiefere Ton, also der Ton mit 1,5-facher Frequenz betrachtet. Dieses Tonintervall wie beispielsweise von a' mit 440Hz zu e'' mit 660Hz ist eine (reine) Quinte. Entsprechend des Quintenzirkels werden so alle 12 unterschiedlichen Halbtöne des Notensystems innerhalb einer Oktave erreicht. Nur gibt es hier ein grundsätzliches mathematisches Problem: Gemäß des Fundamentalsatzes der Arithmetik hat jede Zahl eine eindeutige Primfaktorzerlegung. Es ist also nicht möglich mit mehreren Multiplikationen mit 2 zur gleichen Zahl zu gelangen, die durch Multiplikationen mit 3 erreicht wird. Somit kann der Quintenzirkel nicht geschlossen sein, sondern ist eigentlich eine niemals endende Quintenspirale und wir müssten unendlich viele unterschiedliche Töne statt nur zwölf in einer Oktave haben. In Zahlen ist 1,5^12=129,746... nicht gleich 128=2^7. Nach 12 reinen Quinten erreichen wir also nicht genau den ursprünglichen Ton um 7 Oktaven höher, doch der Abstand ist nicht sehr groß. Es ist grundsätzlich unmöglich ein endliches Tonsystem auf der Basis von reinen Oktaven und reinen Quinten zu erzeugen, ...
Erschienen: 05.09.2019
Dauer: 1:02:48
Modellansatz 215
In dieser Folge spricht Gudrun mit Ayca Akboyraz und Alejandro Castillo. Beide sind im Masterstudiengang Chemieingenieurwesen bzw. Bioingenieurwesen am KIT eingeschrieben und haben 2019 das Projektorientierte Softwarepraktikum in Gudruns Arbeitsgruppe absolviert. Das Gespräch dreht sich um ihre Erfahrungen in dieser Lehrveranstaltung. Ayca stammt aus der Türkei und Alejandro ist in Mexico aufgewachsen. Beide haben in ihren Heimatländern deutsche Schulen besucht. Anschließend haben sie sich jeweils um ein Studium in Deutschland beworben. Ayca hatte sich zunächst für Wirtschaftsingenieurwesen entschieden, hat aber nach einiger Zeit gemerkt, dass ihr Chemieingenieurwesen viel mehr liegt. Das Projektorientierte Softwarepraktikum wurde 2010 als forschungsnaher Lernort konzipiert. Studierende unterschiedlicher Studiengänge arbeiten dort ein Semester lang an konkreten Strömungssimulationen. Es wird regelmäßig im Sommersemester angeboten. Seit 2014 liegt als Programmiersprache die Open Source Software OpenLB zugrunde, die ständig u.a. in der Karlsruher Lattice Boltzmann Research Group weiter entwickelt wird. Außerdem wird das Praktikum seit 2012 vom Land Baden-Württemberg gefördert als eine Möglichkeit für Studierende, sich im Studium schon an Forschung zu beteiligen. Konkret läuft das Praktikum etwa folgendermaßen ab: Die Studierenden erhalten eine theoretische Einführung in Strömungsmodelle und die Idee von Lattice-Boltzmann-Methoden und finden sich für ein einführendes kleines Projekt in Zweiergruppen zusammen. Anschließend wählen sie aus einem Katalog eine Frage aus, die sie bis zum Ende des Semesters mit Hilfe von Computersimulationen gemeinsam beantworten. Diese Fragen sind Teile von Forschungsthemen der Gruppe, z.B. aus Promotionsprojekten oder Drittmittelforschung. Während der Projektphase werden die Studierenden von dem Doktoranden/der Doktorandin der Gruppe, die die jeweilige Frage gestellt haben, betreut. Am Ende des Semesters werden die Ergebnisse in Vorträgen vorgestellt und diskutiert. Hier ist die ganze Arbeitsgruppe beteiligt. In einer Ausarbeitung werden außerdem die Modellbildung, die Umsetzung in OpenLB und die konkreten Simulationsergebnisse ausführlich dargelegt und in den aktuellen Forschungsstand eingeordnet. Diese Ausarbeitung wird benotet. Die Veranstaltung wird mit 4 ECTS angerechnet. In der klassischen Theorie der Strömungsmechanik werden auf der Grundlage der Erhaltung von Masse, Impuls und Energie und unter berücksichtigung typischer Materialeigenschaften die Navier-Stokes-Gleichungen als Modell für das Strömungsverhalten von z.B. Wasser hergeleitet. Die beiden unbekannten Größen in diesem System partieller Differentialgleichungen sind das Geschwindigkeitsfeld und der Druckgradient. Wenn geeigneten Rand- und Anfangsbedingungen für die Geschwindigkeit vorgeschrieben werden, liegt im Prinzip die Lösung des Gleichungssystem fest. Sie kann aber in der Regel nur numerisch angenähert berechnet werden. (...)
Erschienen: 15.08.2019
Dauer: 47:10
Modellansatz 214
In dieser Folge spricht Gudrun mit Larissa Dietz und Jonathan Jeppener. Beide sind im Masterstudiengang Verfahrenstechnik am KIT eingeschrieben und haben 2019 das Projektorientierte Softwarepraktikum in Gudruns Arbeitsgruppe absolviert. Das Gespräch dreht sich um ihre Erfahrungen in dieser Lehrveranstaltung. Das Praktikum wurde 2010 als forschungsnaher Lernort konzipiert. Studierende unterschiedlicher Studiengänge arbeiten dort ein Semester lang an konkreten Strömungssimulationen. Es wird regelmäßig im Sommersemester angeboten. Seit 2014 liegt als Programmiersprache die Open Source Software OpenLB zugrunde, die ständig u.a. in der Karlsruher Lattice Boltzmann Research Group (LBRG) weiter entwickelt wird. Außerdem wird das Praktikum seit 2012 vom Land Baden-Württemberg gefördert als eine Möglichkeit für Studierende, sich im Studium schon an Forschung zu beteiligen. Konkret läuft das Praktikum etwa folgendermaßen ab: Die Studierenden erhalten eine theoretische Einführung in Strömungsmodelle und die Idee von Lattice-Boltzmann-Methoden und finden sich für ein einführendes kleines Projekt in Zweiergruppen zusammen. Anschließend wählen sie aus einem Katalog eine Frage aus, die sie bis zum Ende des Semesters mit Hilfe von Computersimulationen gemeinsam beantworten. Diese Fragen sind Teile von Forschungsthemen der Gruppe, z.B. aus Promotionsprojekten oder Drittmittelforschung. Während der Projektphase werden die Studierenden von dem Doktoranden/der Doktorandin der Gruppe, die die jeweilige Frage gestellt haben, betreut. Am Ende des Semesters werden die Ergebnisse in Vorträgen vorgestellt und diskutiert. Hier ist die ganze Arbeitsgruppe beteiligt. In einer Ausarbeitung werden außerdem die Modellbildung, die Umsetzung in OpenLB und die konkreten Simulationsergebnisse ausführlich dargelegt und in den aktuellen Forschungsstand eingeordnet. Diese Ausarbeitung wird benotet. Die Veranstaltung wird mit 4 ECTS angerechnet. Das Projekt von Larissa und Jonathan betrachtete den Stofftransport von CO2-Gas in flachen Photobioreaktoren. Mit ihrer großen Oberfläche erlauben sie viel einfallendes Licht. Algenzucht im industriellen Maßstab ist unerlässlich, um die weltweite Nachfrage nach schnell nachwachsender Nahrung und erneuerbaren Energiequellen zu befriedigen. Derzeit nutzen die meisten Produzenten kosteneffiziente und einfach zu bedienende offene Teiche. Die Nachfrage nach gut steuerbaren geschlossenen Photobioreaktoren steigt durch die erhöhte Effizienz der gut einstellbaren Reaktorbedingungen. Weitere Vorteile gegenüber offenen Reaktoren sind ein geringerer CO2- und Wasserverlust und eine größere Vielfalt an kultivierbaren Arten. Für ein optimales Algenwachstum müssen die regulierende Flüssigkeitsdynamik, der Lichttransfer, biochemische Reaktionen und deren gegenseitige Wechselwirkung optimiert werden. Die Untersuchung dieser Parameter mit Hilfe gekoppelter numerischer Simulationen vermeidet teure Experimente und trägt somit zur Verbesserung (...)
Erschienen: 08.08.2019
Dauer: 29:19
Modellansatz 213
Gudrun hat sich Ende Mai 2019 in Mannheim mit Kerstin Lux und Benjamin Unger verabredet, um mit ihnen über ihre Erfahrungen als GAMM Junioren zu sprechen. Benjamin ist aktuell Sprecher dieses Nachwuchsgremiums der Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik (kurz GAMM). Kerstin wurde Ende 2018 als GAMM Juniorin vorgeschlagen und ist jetzt das erste Jahr dabei. Gudrun und Kerstin hatten sich im März 2019 in Bonn bei einer Konferenz über Optimierung kennengelernt und das Podcastgespräch verabredet. Kerstin ist zur Zeit Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Simone Göttlich an der Uni in Mannheim, weshalb sich Mannheim als guter Treffpunkt für ein ruhiges Gespräch anbot. Etwas später am gleichen Tag wurde auch das Podcastgespräch mit Simone Göttlich geführt. Die GAMM sagt über das Gremium: "GAMM-Junioren sind junge NachwuchswissenschaftlerInnen und Mitglieder der GAMM, die für die Jahre 2012 bis 2014 erstmals aus einer Reihe an Vorschlägen ernannt wurden. In der Hauptversammlung der GAMM im Rahmen der Jahrestagung 2011 in Graz wurde die Nominierung junger Nachwuchswissenschaftler beschlossen, die sich durch herausragende Leistungen in Diplom- und/oder Doktorarbeiten auf dem Gebiet der Angewandten Mathematik oder Mechanik auszeichnen. Ende 2011 wurden daraufhin die ersten 10 GAMM-Junioren nominiert, wobei eine Vorauswahl auf Basis von Vorschlägen durch die Hochschulvertreter der GAMM getroffen wurde. In jedem Jahr werden 10 weitere GAMM-Junioren ernannt, so dass die Gruppe nach einer Anlaufphase von drei Jahren auf 30 Personen angewachsen sein wird. Nach drei Jahren endet automatisch die Mitgliedschaft als GAMM-Junior. Während dieser Zeit sind die GAMM-Junioren beitragsbefreit. Mittels der kostenfreien GAMM-Mitgliedschaft und der dynamischen personellen Zusammensetzung der Gruppe soll eine zusätzliche finanzielle und ideelle Förderung von Nachwuchswissenschaftlern erreicht werden. Durch die Überschneidung der Amtszeit der Mitglieder können diese ihr fachliches und organisatorisches Wissen an die nachfolgenden Generationen der GAMM Juniors weitergeben." Die Rolle GAMM-Junior wird also als Preis für Studierende, Doktoranden und Post-Doktoranden verliehen und beinhaltet eine kostenlose Mitgliedschaft in der GAMM für drei Jahre. Kerstin und Benjamin erleben es als lebendiges Netzwerk von gleichgesinnten, die voneinander sowohl fachlich als auch darüber hinaus lernen und die sich gegenseitig unterstützen. Die GAMM vertritt Interessen der angewandten Mathematik und Mechanik vor allem auf europäischer und deutscher Ebene. Kerstin und Benjamin erleben insbesondere die Jahrestagungen als Familientreffen. Die Forschungsthemen sind oft Disziplinen übergreifend und die GAMM ermöglicht es, eine gemeinsame Sprache zu erarbeiten zwischen Mathematik und Mechanik. Die GAMM gibt drei Zeitschriften heraus: die GAMM-Mitteilungen, die ZAMM und die PAMM (Proceedings der Jahrestagung). Natürlich sind die Jahrestagungen stets offen für nicht-Mitglieder. (...)
Erschienen: 01.08.2019
Dauer: 1:00:04
Modellansatz 212
Gudrun spricht mit Henrieke Benner über deren Masterarbeit "Adaption and Implementation of Conventional Mesh Smoothing Techniques for the Applicability in the Industrial Process of Automated Shape Optimization", die in Zusammenarbeit von Henrieke und Gudrun mit der Firma Dassault entstanden ist. Unser Leben wird bestimmt durch industriell hergestellte Dinge. Im Alltag nutzen wir zum Beispiel Toaster, Waschmaschinen, Fernseher und Smartphones. Fahrräder, Autos, Züge und Flugzeuge transportieren uns und wir denken wenig darüber nach, wie es dazu kam, dass sie genau diese Form und das gewählte Material haben, solange alles funktioniert. Für die Industrie, die all diese Gegenstände baut, zerfällt der Prozess der Entwicklung neuer Produkte in viele Entscheidungen über Form und Material einzelner Bauteile. Traditionell wurde hier verändert und ausprobiert, aber seit einigen Jahrzehnten sind Computer eine große Hilfe. Mit Ihnen können Bilder von noch nicht existierenden Produkten erschafft werden, die sich diese von allen Seiten, auch von innen und in Bewegung darstellen, mit Hilfe von Simulationsprogrammen Experimente zur Qualität gemacht werden, bestmögliche Formen gefunden werden. In der Masterarbeit geht es um die Optimierung der Form von Objekten am Computer - schnell und möglichst automatisch. Es liegt in der Natur der Aufgabe, dass hier mehrere Wissensfelder zusammentreffen: mechanische Modelle, Computer Strukturen und wie man dort beispielsweise Modelle von Objekten abbilden kann, Optimierungsmethoden, numerische Verfahren. Als Rahmen dient für Arbeit das Strukturoptimierungsprogrammpaket TOSCA, das von Dassault Systèmes am Standort in Karlsruhe (weiter)entwickelt wird und weltweit als Software-Tool, eingebunden in Simulationsschleifen, genutzt wird, um Bauteile zu optimieren. Für die Numerik werden Finite Elemente Verfahren genutzt. Grundlage einer jeden Strukturoptimierung ist ein mathematisches Optimierungsproblem unter Nebenbedingungen. Dazu werden eine Zielgröße und mehrere Nebenbedingungen definiert. Die Zielgröße ist dabei abhängig von zu bestimmenden Variablen, die als Unbekannte oder Optimierungsparameter bezeichnet werden. Die Nebenbedingungen sind Bedingungen an die Variablen, die erfüllt sein müssen, damit die Löung ”gültig“ ist. Das Ziel der Optimierung ist nun die Minimierung der Zielgröße unter Einhaltung der Nebenbedingungen. Um das Problem zu lösen, gibt es eine Bandbreite verschiedener Löungsmöglichkeiten, jeweils zugeschnitten auf das genaue Problem. Alle Löser bzw. Minimierungsprobleme haben jedoch gemein, dass sowohl die Konvexität der Zielfunktion als auch die Konvexität des Designgebiets von fundamentaler Bedeutung für die Lösbarkeit des Problems sind. Wenden wir uns nun dem Gebiet der Strukturoptimierung zu, so besteht anfangs zunächst die Hüde, ein mechanisches Problem mit Hilfe von Computer-Aided-Design Software (CAD) auszudrücken. Um die Belastungen des Bauteils zu berechnen, nutzt man anschließend (...)
Erschienen: 18.07.2019
Dauer: 23:24
Modellansatz 211
In June 2019 Gudrun talked with Serena Carelli. Serena is member of the Research Training Group (RTG) Simet, which is based in Karlsruhe, Ulm and Offenburg. It started its work in 2017 and Gudrun is associated postdoc therein. The aim of that graduate school is to work on the better understanding of Lithium-ion batteries. For that it covers all scales, namley from micro (particles), meso (electrodes as pairs) to macro (cell) and involves scientists from chemistry, chemical engineering, material sciences, electro engineering, physics and mathematics. The group covers the experimental side as well as modeling and computer simulations. Serena is one of the PhD-students of the program. She is based in Offenburg in the group of Wolfgang Bessler (the deputy speaker of the RTG). Her research focusses on End-of-life prediction of a lithium-ion battery cell by studying the mechanistic ageing models of the graphite electrode among other things. Mathematical modelling and numerical simulation have become standard techniques in Li-ion battery research and development, with the purpose of studying the issues of batteries, including performance and ageing, and consequently increasing the model-based predictability of life expectancy. Serena and others work on an electrochemical model of a graphite-based lithium-ion cell that includes combined ageing mechanisms: 1. Electrochemical formation of the solid electrolyte interphase (SEI) at the anode, 2. breaking of the SEI due to mechanical stress from volume changes of the graphite particles, causing accelerated SEI growth, 3. gas formation and dry-out of the electrodes, 4. percolation theory for describing the loss of contact of graphite particles to the liquid electrolyte, 5. formation of reversible and irreversible Li plating. The electrochemistry is coupled to a multi-scale heat and mass transport model based on a pseudo-3D approach. A time-upscaling methodology is developed that allows to simulate large time spans (thousands of operating hours). The combined modeling and simulation framework is able to predict calendaric and cyclic ageing up to the end of life of the battery cells. The results show a qualitative agreement with ageing behavior known from experimental literature. Serena has a Bachelor in Chemistry and a Master's in Forensic Chemistry from the University of Torino. She worked in Spain, the Politécnico de Torino and in Greece (there she was Marie Curie fellow at the Foundation for Research and Technology - Hellas) before she decided to spend time in Australia and India.
Erschienen: 11.07.2019
Dauer: 56:57
Modellansatz 210
Gudrun spricht mit Lydia Wagner über Elastoplastizität. Lydia hat im Rahmen ihrer im Mai 2019 abgeschlossenen Promotion Versetzungen in kristallinen Festkörpern numerisch simuliert. Elastizität beschreibt die (reversible) Verformung von Festkörpern unter Belastung. Bei zu großer Belastung reagieren Materialien nicht mehr elastisch, sondern es entstehen irreversible Deformationen. Das nennt man Plastizität. Im Rahmen der Kontinuumsmechanik wird die Deformation durch ein Kräftegleichgewicht basierend auf der Impuls- und Drehimpulserhaltung modelliert. Die konkreten Eigenschaften des Materials werden hierbei über eine spezifische Spannungs-Dehnungs-Relation berücksichtigt. Dabei tritt Plastizität auf, wenn im Material eine kritische Spannung erreicht wird. In klassischen phänomenologischen Plastizitätsmodellen der Kontinuumsmechanik wird dieses Verhalten über eine Fließbedingung in Abhängigkeit der Spannung modelliert. Diese wird durch eine Fließregel und ggf. eine Verfestigungsregel ergänzt, die das plastische Materialverhalten nach Erreichen der Fließgrenze beschreiben. Plastizität ist ein physikalischer Prozess, der auf Kristallebene stattfindet. Ein kristalliner Festkörper wird plastisch verformt, wenn sich eindimensionale Gitterfehler – Versetzungen – durch Belastung im Kristallgitter bewegen, d. h. wenn sich die atomaren Bindungen umordnen. Durch Mittelungsprozesse kann dieses diskrete Verhalten in einem Kontinuumsmodell, dem Continuum dislocation dynamics (CDD) Modell, beschrieben werden. Eine numerische Realisierung von diesem erweiterten Modell und die Evaluation im Vergleich zu diskreten Simulationen ist die Themenstellung der Dissertation von Lydia. Die Physik erarbeitete sich Lydia in Zusammenarbeit mit Materialwissenschaftlern und Ingenieuren in der DFG-Forschergruppe Dislocation based Plasticity am KIT.
Erschienen: 04.07.2019
Dauer: 45:54
Modellansatz 209
Gudrun spricht in dieser Folge mit Simone Göttlich über Verkehrsoptimierung. Die Verabredung zum Gespräch war im März am Rande einer Tagung in Bonn erfolgt. Am 23. Mai 2019 war Gudrun dann einen Tag zu Gast in der Arbeitsgruppe von Simone an der Universität in Mannheim. Im Sport starten sie gemeinsam unter dem doppeldeutigen Namen "Team Göttlich". Verkehr erleben wir täglich zu Fuß, im Auto, auf dem Fahrrad oder im ÖPNV. Wir haben oft das Gefühl, dass einiges besser geregelt sein könnte, um den Verkehrsfluss zu verbessern. In der Stadt vermischen sich viele unterschiedliche Fragen sehr komplex, da viele unterschiedliche Verkehrsmittel um den Raum konkurrieren. Auf der Autobahn kann man sich auf den Autoverkehr konzentrieren. Aber auch dort muss das unterschiedliche Verhalten von schnell fahrenden Autos und langsamen Lastwagen berücksichtigt werden. Außerdem beeinflussen auch Auf- und Abfahrten die Durchlässigkeit der Autobahnspuren. Es gibt also viele Fragen und Probleme im Zusammenhang mit Verkehr. Ihre Beantwortung kann allen das Leben erleichtern und Kosten erheblich senken. Das Gespräch mit Simone beginnt beim Thema Daten. Wie viele Autos, Personen und Fahrräder bestimmte Strecken zu bestimmten Zeiten nutzen, wird stichprobenhaft recht genau gezählt. Zu einigen Zeiten fließt der Verkehr gut, aber z.B. zur sogenannten Rushhour kommt er ins stocken. Die gezählten Daten fließen in Verkehrsprognosemodelle beispielsweise für Routenplanung ein. Wir rufen dann einfach eine App auf und lassen uns die besten Routen vorschlagen. Für jede wird von der App eine voraussichtliche Reisedauer geschätzt. Für Autobahnverkehr werden außerdem auch ganz aktuelle Daten ergänzt. Um gemeldete Staus aber auch um die Verkehrsdichte auf besonders wichtigen Autobahnabschnitten, wo das automatisiert beobachtet wird. Als ein Beispiel dient im Gespräch von Gudrun und Simone die Autobahn A5 in der Nähe von Frankfurt, wo schon lange Jahre eine Anzeige gute Dienste leistet, die bei Einfahrt in den Ballungsraum die aktuell zu erwartende Fahrtzeit zu markanten Punkten wie beispielsweise dem Flughafen angibt. Als jemand, der sein Flugzeug erreichen muss, kann man dann ruhiger durch den dichten Verkehr reisen und sich an die reduzierte Höchstgeschwindigkeit halten, da man Planungssicherheit hat. Als Nebeneffekt senkt dies die Unfallwahrscheinlichkeit, weil auf hektische Überholmanöver verzichtet wird. Effekte, die man mit Verkehrsflußmodellen simulieren möchte sind erwartbare Engpässe beim Einziehen von Fahrspuren oder auch der sogenannte Stau aus dem Nichts, der bei hoher Verkehrsdichte auftreten kann. Wir alle wissen, dass auf Autobahnen Geschwindigkeitseinschränkungen auf Baustellen vorbereiten, um das Einfädeln der Spuren zu vereinfachen. Wenn der Verkehr dicht genug ist, breitet sich die Störung, die beim Einfädeln entsteht, entgegen der Fahrtrichtung wie eine Schockwelle aus. Das ist eine Beobachtung, die sicher alle schon einmal gemacht haben. (...)
Erschienen: 27.06.2019
Dauer: 41:06
