Studien- und Abschlussarbeiten

Kurzbeschreibung:

Die Gewinnung von Wasser aus atmosphärischem Nebel bietet insbesondere in wasserarmen Küsten- und Hochlandregionen einen Ansatz für eine dezentrale Wasserversorgung. Im Projekt Fog2Water wird ein skalierbarer und nachhaltiger Nebelkollektor auf Basis elektrogesponnener Faserstrukturen und flüssigkeitsinfundierter poröser Oberflächen (SLIPS) entwickelt. Die Kombination aus Faserherstellung, Materialauswahl, Oberflächenfunktionalisierung und Kollektordesign berührt mehrere etablierte Technologiefelder. Für die weitere Entwicklung und Verwertung ist deshalb zu klären, welche Lösungen bereits beschrieben oder geschützt sind, wo Patentpotenziale bestehen und ob die vorgesehene Referenzkonfiguration in ausgewählten Zielmärkten grundsätzlich umsetzbar erscheint.

Im Rahmen der Studienarbeit soll eine systematische Literatur- und Patentrecherche durchgeführt werden. Dazu werden Referenzkonzept, Anwendungsszenarien und Zielmärkte abgegrenzt und eine Recherchestrategie mit Schlagwörtern, Synonymen sowie IPC-/CPC-Klassen entwickelt. Relevante Patentfamilien werden hinsichtlich Anmeldern, Prioritäten, Rechtsständen, geografischer Abdeckung und wesentlicher Anspruchsmerkmale ausgewertet. Auf dieser Grundlage werden Anwendungsgebiete, White Spaces und potenzielle eigene Erfindungsansätze identifiziert. Ergänzend wird eine vorläufige Freedom-to-Operate-Analyse (FTO-Analyse) durchgeführt, bei der die Referenzkonfiguration anhand von Claim Charts mit relevanten unabhängigen Patentansprüchen verglichen wird. Mögliche Kollisionsrisiken, Unsicherheiten und Design-around-Optionen werden strukturiert bewertet. Die Analyse dient als technische Vorprüfung und ersetzt keine abschließende rechtliche Bewertung.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Literaturrecherche zu Nebel- und Atmosphärenwasserkollektoren, Elektrospinning, SLIPS und nachhaltigen Materialien

• Entwicklung einer Patentrecherchestrategie und Recherche in geeigneten Patentdatenbanken

• Strukturierung und Analyse relevanter Patentfamilien, Rechtsstände und unabhängiger Ansprüche

• Identifizierung von Anwendungsfeldern, White Spaces und eigenem Patentpotenzial

• Durchführung einer vorläufigen FTO-Analyse mit Claim Charts, Risikobewertung und Design-around-Optionen

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Kurzbeschreibung:

Die Gewinnung von Wasser aus atmosphärischem Nebel kann insbesondere in wasserarmen Küsten- und Hochlandregionen zur dezentralen Wasserversorgung beitragen. Im Projekt Fog2Water werden nachhaltige Nebelkollektoren auf Basis elektrogesponnener Faserstrukturen und flüssigkeitsinfundierter poröser Oberflächen (SLIPS) entwickelt. Um unterschiedliche Materialien und Strukturen belastbar miteinander vergleichen zu können, werden definierte und reproduzierbare Prüfbedingungen benötigt.

Im Rahmen der Arbeit soll deshalb ein modularer Prüfstand zur Charakterisierung von Nebelkollektoren entwickelt und konstruiert werden. Der Aufbau soll Nebelerzeugung, Luftströmung, Umgebungsüberwachung, Probenpositionierung und die Erfassung des gewonnenen Wassers in einer Messkette zusammenführen. Ergänzend wird ein standardisiertes Prüf- und Bewertungsprotokoll erarbeitet. Dieses soll neben Wasserertrag und Abscheideeffizienz auch Tropfentransport, Abflussverhalten, zurückgehaltenes Wasser, Reproduzierbarkeit sowie bei SLIPS mögliche Schmierstoffverluste und Eigenschaftsänderungen berücksichtigen. Bei Durchführung als Masterarbeit wird die Inbetriebnahme und Validierung ergänzt. Die Bearbeitung verbindet Konstruktion, Messtechnik und experimentelle Validierung.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Recherche bestehender Prüfaufbauten und Ableitung technischer sowie messtechnischer Anforderungen

• Entwicklung eines modularen Konstruktions-, Mess- und Sicherheitskonzepts

• Auslegung von Nebelerzeugung, Luftströmung, Umgebungsüberwachung, Probenhalterung und Wassererfassung

• Konstruktion, Aufbau und Inbetriebnahme des Prüfstands einschließlich Sensorik und Datenerfassung

• Entwicklung eines standardisierten Prüfprotokolls mit einheitlichen Prüfparametern, Abläufen und Bewertungskennwerten

• Kalibrier-, Referenz- und Wiederholungsmessungen zur Bewertung von Homogenität, Reproduzierbarkeit und Messunsicherheit

• Validierung mit Referenzkollektoren und Ableitung von Qualitätskriterien für zukünftige Fog2Water-Versuche

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Kurzbeschreibung:

Nachhaltige Fog-Harvesting-Systeme können nur dann in reale Anwendungen überführt werden, wenn sie nicht nur technisch funktionieren, sondern auch wirtschaftlich herstellbar, installierbar und betreibbar sind. Im Projekt Fog2Water werden Nebelkollektoren auf Basis elektrogesponnener Faserstrukturen und flüssigkeitsinfundierter poröser Oberflächen (SLIPS) entwickelt. Für die nächsten Entwicklungsschritte werden belastbare Zielkosten und eine realistische Skalierungsstrategie benötigt.

Im Rahmen der Masterarbeit soll ein transparentes technoökonomisches Modell für ein definiertes Fog2Water-Referenzsystem aufgebaut werden. Das Modell verbindet Material- und Fertigungskosten, Anlageninvestitionen, Durchsatz, Personal, Energie, Qualitätssicherung, Installation, Wartung und Lebensdauer mit dem standortabhängigen Wasserertrag. Daraus werden Herstellkosten pro Quadratmeter und nivellierte Wasserkosten pro Kubikmeter beziehungsweise Liter abgeleitet. Labor-, Pilot- und Serienszenarien, Sensitivitäts- und Break-even-Analysen zeigen, welche Kosten- und Leistungstreiber für eine wirtschaftliche Skalierung entscheidend sind. Abschließend wird eine Umsetzungsroadmap mit Produktionsarchitektur, Make-or-buy-Optionen, Qualitätsprüfungen und Investitionsstufen entwickelt.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

 

• Definition von Referenzsystem, Zielanwendung, Standort- und Produktionsszenarien

• Aufbau eines parametrisierbaren Bottom-up-Modells für Investitions- und Betriebskosten

• Analyse von Stückliste, Fertigungsprozessen, Durchsatz, Ausschuss, Personal und Energiebedarf

• Verknüpfung von Systemkosten, Lebensdauer und standortabhängigem Wasserertrag

• Berechnung von Herstellkosten pro Quadratmeter und nivellierten Wasserkosten

• Durchführung von Sensitivitäts-, Unsicherheits- und Break-even-Analysen

• Entwicklung eines Skalierungskonzepts mit Produktionsroadmap und priorisierten Entscheidungspunkten

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Kurzbeschreibung:

Die Gewinnung von Wasser aus atmosphärischem Nebel kann in wasserarmen Regionen einen Beitrag zur dezentralen Versorgung leisten. Im Projekt Fog2Water werden hierfür nachhaltige Nebelkollektoren auf Basis elektrogesponnener Faserstrukturen und flüssigkeitsinfundierter poröser Oberflächen (SLIPS) entwickelt. Ob diese Systeme gegenüber konventionellen Nebelnetzen, Wassertransport oder anderen dezentralen Versorgungsoptionen tatsächlich ökologische Vorteile bieten, hängt jedoch von ihrem gesamten Lebensweg und dem standortabhängigen Wasserertrag ab.

Im Rahmen der Arbeit soll eine Screening-Ökobilanz für ein definiertes Fog2Water-Referenzsystem erstellt werden. Dazu werden funktionelle Einheit, Systemgrenzen, Nutzungsszenarien und Vergleichssysteme festgelegt. Material- und Energieflüsse von Herstellung, Tragstruktur, Transport, Installation, Nutzung, Wartung und End-of-Life werden in einem transparenten Modell zusammengeführt. Sensitivitäts- und Szenarioanalysen zeigen, welchen Einfluss Wasserertrag, Lebensdauer, Schmierstoffverlust, Energiebedarf und Skalierung auf die Ergebnisse haben. Ziel sind belastbare Umwelt-Hotspots und konkrete Empfehlungen für die weitere Material-, Prozess- und Systementwicklung. Für eine Masterarbeit wird das Modell um eine vertiefte Unsicherheits-, Regionalisierungs- oder prospektive Skalierungsanalyse erweitert.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

 

• Definition von Ziel, funktioneller Einheit, Systemgrenzen und Anwendungsszenarien

• Auswahl funktional vergleichbarer Referenzsysteme der dezentralen Wasserversorgung

• Aufbau einer dokumentierten Sachbilanz für Herstellung, Nutzung, Wartung, Transport und End-of-Life

• Erstellung eines transparenten und editierbaren Screening-LCA-Modells

• Bewertung von Datenqualität, Annahmen, Unsicherheiten und Datenlücken

• Durchführung von Szenario- und Sensitivitätsanalysen zu Wasserertrag, Lebensdauer und Skalierung

• Identifizierung von Umwelt-Hotspots und Ableitung konkreter Verbesserungsmaßnahmen für Fog2Water

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Kurzbeschreibung:

Zur Behandlung von Knochenfrakturen kommen derzeit nicht‑abbaubare Metallimplantate, bspw. aus Titan, zum Einsatz. Insbesondere bei jungen Patientinnen und Patienten weisen solche Implantate jedoch den Nachteil auf, dass es aufgrund des Wachstums des Knochens zu Problemen zwischen Implantat und Gewebe kommen kann, da sich die z.B. die mechanischen Eigenschaften unterscheiden. Um dieses Problem zu beseitigen ist häufig ein zweiter operativer Eingriff zur Entfernung des Implantats erforderlich.

Zur Bewältigung dieser Problematik werden bioresorbierbare Implantate als vielversprechende Alternative diskutiert und zeigen bereits positive Ergebnisse in klinischen Anwendungen. Magnesium (Mg) gilt wegen seiner Nichttoxizität, Biokompatibilität und Abbaubarkeit als besonders geeignetes Biomaterial für medizinische Implantate.

Eine zentrale Herausforderung besteht jedoch weiterhin darin, den Abbau dieser Implantate  und den Einfluss auf den menschlichen Körper zu verstehen. Die komplexe biologische Umgebung des Knochens sowie die chemischen Veränderungen, die durch die Abbauprodukte des Implantats hervorgerufen werden, führen zu vielschichtigen Wechselwirkungen zwischen der Knochenneubildung und der Degradation des Implantats. Um die verwendeten Magnesiumlegierungen gezielt für spezifische Anwendungen zu optimieren und ein Implantat mit einem idealen Eigenschaftsprofil für den jeweiligen Einsatz zu entwickeln ist ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen unumgänglich.

Osteozyten sind die zahlenmäßig häufigsten Knochenzellen und übernehmen eine zentrale Funktion im Knochenumbau und damit auch der Knocheneigenschaften. Als wesentliche Regulatoren der Knochenremodellierung steuern sie die Rekrutierung und Aktivität von Osteoblasten/Osteoklasten und beeinflussen damit sowohl die Knochenmasse als auch die strukturelle Anpassung des Gewebes. Diese Osteozyten befinden sich in der Lacuna des Lacnuca-Canaliculi-Netzwerks (LCN), wobei die Canaliculi ein dreidimensional vernetztes System bilden, das maßgeblich für die Kommunikation zwischen den Osteozyten verantwortlich ist. Aufgrund der Schwierigkeit, das dreidimensionale Osteozytennetzwerk innerhalb der Knochenmatrix direkt zu untersuchen, wird das LCN häufig als Ersatz zur Analyse der Präsenz, Morphologie und Vernetzung von Osteozyten herangezogen. Die morphologische Anpassung der Osteozyten liefert wertvolle Einblicke in die Knochenremodellierung und damit in die Knochenregeneration im Umfeld bioresorbierbarer Implantate. Darüber hinaus reagiert das LCN sowohl auf mechanische Belastungen als auch auf chemische Stimuli, wie etwa Abbauprodukte der degradierten Implantate, die Morphologie und Dichte beeinflussen können. Derzeit besteht jedoch eine Wissenslücke hinsichtlich der Struktur des LCN in der Umgebung nicht‑abbaubarer und abbaubarer Implantate, als auch hinsichtlich einer möglichen Veränderung des Verhaltens des Netzwerkes bei mechanischer Belastung. 

Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden ex vivo Proben bestehend aus dem Knochen aus der Grenzfläche um Titan, als auch WE43 (Mg-Legierung) Implantaten extrahiert und mittels Synchrotron nano-CT untersucht. Des Weiteren wurden Nanoindentationsversuche durchgeführt, um die Veränderung des LCN in Bezug auf mechanische Belastungen zu untersuchen. Dies wurde am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) durchgeführt, welches durch den Einsatz von Synchrotronstrahlung eine ultra-hochauflösende Bildgebung ermöglicht.

In der Masterarbeit geht es um die Analyse dieser Datensätze. Nach der Rekonstruktion der nano-CT Bilddaten soll mittels Segmentierungen, unterstützt durch ein zu trainierendes neuronales Netz, die Größe, Dichte und Formen der Lacunae untersucht werden. Zusätzlich sollen Strömungssimulationen durchgeführt werden, um die Konnektivität des Netzwerks zu analysieren. Ziel ist es hierbei Veränderungen des LCN im Laufe der Knochenheilung als auch in Folge von mechanischer Belastung zu untersuchen. 

Die Bewertung der Masterarbeit passiert über das Institut für metallische Biomaterialien (Helmholtz-Zentrum hereon) insbesondere der Abteilung für Bildgebung und Datenwissenschaften (MBS), und dem Institut für Mehrphasenprozesse (Leibniz Universität Hannover). Das tägliche Arbeitsumfeld während der Masterarbeit befindet sich in der Außenstelle von MBS auf dem DESY Campus in Bahrenfeld, Hamburg. 

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