530 Physik
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Carbonfasern haben sich in der Luft- und Raumfahrt etabliert und gewinnen in Alltagsanwendungen wie dem Automobilbereich, Windkraft- und Sportbereich durch ihre hohen Zugfestigkeiten, insbesondere ihrer hohen E-Moduli, und ihrer geringen Dichte immer mehr an Bedeutung. Auf Grund ihrer hohen Kosten, welche sich zur Hälfte aus der Precursorherstellung, inklusive seiner Synthese und seinem Verspinnprozess, dem Lösungsspinnverfahren, ergeben, erhalten zunehmend alternative und schmelzspinnbare Precursoren Interesse. Für die Carbonfaserherstellung wird fast ausschließlich Polyacrylnitril (PAN) verwendet, das vor dem Schmelzen irreversible exotherme Zyklisierungsreaktionen aufweist, welchen sich seine Zersetzung anschließt. Eine Möglichkeit der Reduzierung der Schmelztemperatur von Polymeren ist die Einbringung von Comonomeren zur Erhöhung des freien Volumens und die Reduzierung der intermolekularen Wechselwirkungen als interne Weichmacher. Wie am Fraunhofer IAP gezeigt wurde, kann mittels 2-Methoxyethylacrylat (MEA) die Schmelztemperatur zu neuartigen PAN-basierten Precursoren verringert werden. Um den PAN-co-MEA-Precursor für die nachfolgenden Prozessschritte der Carbonfaserherstellung zu verwenden, müssen die thermoplastischen Fasern in thermisch stabile Fasern ohne thermoplastisches Verhalten überführt werden. Es wurde ein neuer Prozessschritt (Prästabilisierung) eingeführt, welcher unter alkalischen Bedingungen zur Abspaltung der Comonomerseitenkette führt. Neben der Esterhydrolyse finden Reaktionen statt, welche an diesem Material noch nicht hinreichend untersucht wurden. Weiterhin stellt sich die Frage nach der Kinetik der Prästabilisierung und der Ermittlung einer geeigneten Prozessführung.
Hierzu wurde die Prästabilisierung in den Labormaßstab überführt und die möglichen Zusammensetzungen des aus DMSO und einer KOH-Lösung bestehenden Reaktionsmediums evaluiert. Weiterhin wurde die Behandlung bei verschiedenen Prästabilisierungszeiten von maximal 30 min und Temperaturen von 40, 50 und 60 °C durchgeführt, um primär mittels NMR-Spektroskopie die chemischen Strukturänderungen aufzuklären. Die Esterhydrolyse des Comonomers, welche zur Abspaltung des 2-Methoxyethanols führt, wurde mittels 1H-NMR-spektroskopischer Untersuchungen detektiert.
Es wurde ein Modell aufgestellt, das die chemisch-physikalischen Strukturänderungen während der Prästabilisierung aufzeigt. Die zuerst ablaufende Reaktion ist die Esterhydrolyse am Comonomer, welche vom Faserrand nach innen verläuft und durch die Präsenz des DMSO in Kombination mit der KOH-Lösung (Superbase) initiiert wird. Der zeitliche Reaktionsverlauf der Esterhydrolyse kann in drei Bereiche eingeteilt werden. Der erste Bereich ab dem Prästabilisierungsbeginn wird durch die Diffusion der basischen Anionen in die Faser, der zweite Bereich durch die Reaktion an der Estergruppe des Comonomers und der dritte Bereich durch letzte Reaktionen im Faserinneren und diffusiven Prozessen der Produkte und Edukte charakterisiert. Der zweite Bereich kann mit einer Reaktion pseudo 1. Ordnung abgebildet werden, da in diesem Bereich bereits eine ausreichende Diffusion der Edukte in die Faser stattgefunden hat. Bei 50 °C spielt die Diffusion im ersten Bereich im Vergleich zur Reaktion eine untergeordnete Rolle. Mit Erhöhung der Temperatur auf 60 °C kann eine im Verhältnis geringere Diffusions- als Reaktionsgeschwindigkeit beobachtet werden. Die Nebenreaktionen wurden mittels 13C-CP/MAS-NMR-spektroskopischen, elementaranlaytischen Untersuchungen sowie Doppelbrechungsmessungen charakterisiert. Während der alkalischen Esterhydrolyse beginnt die Reduzierung der Nitrilgruppen unter der Bildung von primären Carbonsäureamiden und Carbonsäuren. Zur Beschreibung dieser Umsetzung wurde eine Methode entwickelt, welche die Addition von 13C-CP/MAS-NMR-Spektren der Modellsubstanzen PAN, PAM und PAA beinhaltet. Weitere stattfindende Reaktionen sind die Bildung von konjugierten Doppelbindungen, welche insbesondere auf eine Zyklisierung der Nitrile hinweisen. Die nasschemisch initiierte Zyklisierung der Nitrilgruppen kann zu kürzeren Stabilisierungszeiten und einem besser kontrollierbaren Stabilisierungsprozess durch geringere Wärmefreisetzung und schlussendlich zu einer Kostenersparnis des gesamten Verfahrens führen. Die Umsetzung der Nitrilgruppen konnte mit einer Reaktion pseudo 1. Ordnung gut abgebildet werden. DMSO initiiert die Esterhydrolyse, wobei die KOH-Konzentration einen höheren Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Ester- und Nitrilhydrolyse als die DMSO-Konzentration besitzt. Beide Reaktionen zeigen eine vergleichbare Abhängigkeit von der Temperatur. Die Erhöhung der Prästabilisierungszeit und der KOH- bzw. DMSO-Konzentration führt zur Migration niedermolekularer Bestandteile des Fasermaterials an die Oberfläche und der Bildung punktueller Ablagerungen bis hin zu miteinander verbundenen Einzelfasern. Eine weitere Erhöhung der Prästabilisierungszeit bzw. der Konzentration führt zu einem steigenden Carbonsäureanteil und zur Quellung des Fasermaterials, wodurch die Ablagerungen in das Reaktionsmedium diffundieren. Die Ablagerungen enthalten Chlor, welches durch den Waschvorgang mit HCl in das Materialsystem gelangt ist und durch Parameteranpassungen reduziert wurde. Die schmelzbaren Fasern konnten durch die Prästabilisierung erfolgreich über eine Kern-Mantel-Struktur in nicht-thermoplastische Fasern überführt werden.
Zur Ermittlung eines geeigneten Prozessfensters für nachfolgende thermische Beanspruchungen der prästabilisierten Fasern wurden drei Kriterien identifiziert, anhand welcher die Evaluation erfolgte. Das erste Kriterium beinhaltet die Notwendigkeit der vollständigen Aufhebung der thermoplastischen Eigenschaft der Fasern. Als zweites Kriterium diente die Fasermorphologie. Anhand von REM-Aufnahmen wurden Faserbündel mit separierten Einzelfasern ohne Ablagerungen für die nachfolgende Stabilisierung ausgewählt. Das dritte Kriterium bezieht sich auf eine möglichst geringe Umsetzung der Nitrilgruppen, um Prästabilisierungsbedingungen mit Nebenreaktionen zu vermeiden.
Aus den Untersuchungen konnte eine Prästabilisierungstemperatur von 60 °C als geeignet identifiziert werden. Weiterhin führen hoch alkalische Zusammensetzungen des Reaktionsmediums mit KOH-Konzentrationen von 1, 1,5 und 2 M, vorzugsweise 1,5 M und 50 vol% DMSO mit Reaktionszeiten von unter 10 min zu geeigneten Fasern. Ein MEA-Anteil unterhalb von 2 mol% bewirkt eine Überführung in die Unschmelzbarkeit. Thermisch stabile und für die nachfolgende Stabilisierung geeignete Fasern besitzen weiterhin 68 – 80 mol% Nitrilgruppen, 20 – 25 mol% Carbonsäuren, bis zu 15 mol% primäre Carbonsäureamide und zyklisierte Strukturen.
The Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) is likely the most well-known system of ocean currents on Earth, redistributing heat, nutrients and carbon over a large part of the Earth’s surface and affecting global climate as a result. Due to enhanced freshwater fluxes into the subpolar North Atlantic as a response to global warming, the AMOC is expected, and may have already started, to weaken and these changes will likely have global impacts. It is therefore of considerable relevance to improve our understanding of past and future AMOC changes. My thesis tries to answer some of the open questions in this field by giving strong evidence that the AMOC has already weakened over the last century, by narrowing future projections of this slowdown and
by studying the impacts on global surface warming.
While there have been various studies trying to reconstruct the strength of the overturning circulation in the past, often based on model simulations in combination with observations (Jackson et al., 2016, Kanzow et al., 2010) or proxies (Frajka-Williams, 2015, Latif et al., 2006), the results so far, due to lack of direct measurements, have been inconclusive. In the first paper I build on previous work that links the anomalously low sea surface temperatures (SSTs) in the North Atlantic with the reduced meridional heat transport due to a weaker AMOC. Using the output of a high-resolution global climate model, I derive a characteristic spatial and seasonal SST fingerprint of an AMOC slowdown and an improved SST-based AMOC index. The same fingerprint is seen in
the observational SSTs since the late 19th Century, giving strong evidence that since then the AMOC has slowed down. In addition, the reconstruction of the historical overturning strength with the new AMOC index agrees well with and extends the results of earlier studies as well as the direct measurements from the RAPID project and shows a strong decline of the AMOC by about 15% (3±1 Sv) since the mid-20th Century (Caesar et al., 2018).
The reconstruction of the historical overturning strength with the AMOC index enables us to weight future AMOC projections based on their skill in modeling the historical AMOC as described in the second paper of this thesis (Olson et al., 2018). Using Bayesian model averaging we considerably narrow the projections of the CMIP5 ensemble to a decrease of -4.0 Sv and -6.8 Sv between the years 1960-1999 and 2060-2099 for the RCP4.5 and RCP8.5 emission scenarios, respectively. These values fit to, yet are at the lower end of, previously published estimates.
In the third paper I examine how the AMOC slowdown affects the global mean surface temperature (GMST) with a focus on how it will change the ocean heat uptake (OHC). Accounting for the effect of changes in the radiative forcing on the GMST, I test how AMOC variations correlate with the residual part of surface temperature changes in the past. I find that the correlation is positive which fits the understanding that the deep-water formation that is important in driving the AMOC cools the deep ocean and therefore warms the surface (Caesar et al., 2019). The future weakening of the overturning circulation could therefore delay global surface warming.
Due to nonlinear behavior and scale specific changes it can be difficult to study the dominant processes and modes that drive climate variability. In the fourth paper we develop and test a new technique based on the wavelet multiscale correlation (WMC) similarity measure to study climate variability on different temporal and spatial scales (Agarwal et al., 2018). In a fifth contribution to my thesis this method is applied to the observed sea surface temperatures. The results reconfirm well-known relations between SST anomalies such as the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the Pacific Decadal Oscillation (PDO) on inter-annual and decadal timescales, respectively. They
furthermore give new insights into the characteristics and origins of long-range teleconnections, for example, that the teleconnection between ENSO and Indian Ocean dipole exist mainly between the northern part of the ENSO tongue and the equatorial Indian Ocean, and provides therefore valuable knowledge about the regions that are necessary to include when modeling regional climate variability at a certain scale (Agarwal et al., 2019).
In summary, my PhD thesis investigates past and future AMOC variability and its effects on global mean surface temperature by utilizing a combination of observational sea surface data and the output of historical and future climate model simulations from both the high-resolution CM2.6 model as well as the CMIP5 ensemble. It further includes the development and validation of a new method to study climate variability, that, applied to the observed sea surface temperatures, gives new insight about teleconnections in the Earth System. My findings provide evidence that the AMOC has already slowed down, will continue to do so in the future, and will impact the global mean temperature. Further impacts of an AMOC slowdown may include increased sea-level rise at the U.S. east coast (Ezer, 2015), heat extremes in Europe (Duchez et al., 2016) and increased storm activity in the North Atlantic region (Jackson et al., 2015), all of which have significant socio-economic implications.
Kosmologie beschreibt die Entwicklung des Universums als Ganzes. Kosmologische Entdeckungen in Theorie und Praxis haben daher unser modernes wissenschaftliches Weltbild entscheidend geprägt. Die Vermittlung eines modernen Weltbildes durch Unterricht ist ein häufiger Wunsch in der naturwissenschaftlichen Bildungsdiskussion. Dennoch existieren weiterhin Forschungs- und Entwicklungsbedarfe. Kosmologische Themen finden sich häufig in den Medien und sind gleichzeitig weiter vom Alltag entfernt, so dass sich hier besonders leicht wissenschaftlich inkorrekte Vorstellungen entwickeln können, die zu Problemen im Unterricht führen können.
Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es, zu diesem Forschungsgebiet beizutragen und die Voraussetzungen hinsichtlich vorhandener Vorkenntnisse und Präkonzepte in Kosmologie, mit denen Schülerinnen und Schüler in den Unterricht kommen, zu untersuchen und anschließend mit denen anderer Länder zu vergleichen. Dies erfolgt anhand einer qualitativen Inhaltsanalyse eines offenen Fragebogens. Auf dieser Grundlage wird schließlich ein Multiple-Choice Fragebogen entwickelt, angewendet und evaluiert.
Die Ergebnisse zeigen große Wissenslücken im Bereich der Kosmologie auf und geben erste Hinweise auf vorhandene Unterschiede zwischen den Ländern. Es existieren ebenfalls einige teils weit verbreitete wissenschaftlich inkorrekte Vorstellungen wie beispielsweise die Assoziation des Urknalls mit einer Explosion, der Urknall verursacht durch eine Kollision von Teilchen oder größeren Objekten, oder die Vorstellung der Ausdehnung des Universums als neue Entdeckungen und/oder Wissen. Des Weiteren gab nur etwa jeder Fünfte das korrekte Alter des Universums oder die Ausdehnung des Universums als einen der drei Belege der Urknalltheorie an, während fast 40% keinen einzigen Beleg nennen konnten. Für den geschlossenen Fragebogen konnten gute Hinweise für verschiedene Validitätsaspekte herausgearbeitet werden und es existieren erste Hinweise darauf, dass der Fragebogen Wissenszuwachs messen kann und damit wahrscheinlich zur Untersuchung der Wirksamkeit von Lerneinheiten eingesetzt werden kann. Auch ein entsprechendes Modell zur Verständnisentwicklung der Ausdehnung des Universums zeigte sich vielversprechend.
Diese Arbeit liefert insgesamt einen Forschungsbeitrag zum Schülervorwissen und Vorstellungen in der Kosmologie und deren Large Scale Assessment. Dies eröffnet die Möglichkeit zukünftiger Forschungen im Bereich von Gruppenvergleichen insbesondere hinsichtlich objektiver Ländervergleiche sowie der Untersuchungen der Wirksamkeit von einzelnen Lerneinheiten als auch Vergleiche verschiedener Lerneinheiten untereinander.