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Zur Verminderung der Kosten und zur Erhöhung der Zuverlässigkeit ist es zukünftig erforderlich, den Verkabelungsaufwand bei Sensoren im Kraftfahrzeug zu senken. Ein Ansatz ist der so genannte autarke Sensor, der seine Hilfsenergie drahtlos aus dem Umfeld gewinnt und seine gewonnen Messdaten ebenfalls drahtlos an einen Kommunikationspunkt überträgt. In der vorliegenden Dissertation wurde die autarke Energiegewinnung für Sensoren anhand mechanisch / elektrischer Energiewandlersysteme untersucht, die eine von Kabelverbindungen unabhängige Energieversorgung des Sensors ermöglichen sollen. Für ein System, welches aus einem translatorischen Schwinger mit magnetischer Federung und einer Anordnung von Induktionsspulen ohne Eisenkreis besteht, wurden theoretische und praktische Untersuchungen durchgeführt. Ausgehend von der, die Bewegung des Systems beschreibenden Differentialgleichung wurden die Einflüsse verschiedener Federungs- und Dämpfungskräfte untersucht. Daraus wurde eine effektive Schwingungsgleichung abgeleitet und hinsichtlich der Amplitude und der Phase gelöst. Die umgesetzte elektrische Leistung des Wandlers wurde aus dem Realteil des Stromflusses abgeleitet. Mit einem realen Fahrzeug wurden Testfahrten durchgeführt, um verschiedene signifikante Fahrbahndaten zu erhalten. Mit diesen Prozessparametern erfolgten später Messungen im Labor. Dafür wurde ein Schwingprüfstand aufgebaut und mehrere Funktionsmuster von Energiewandlersystemen untersucht. / In the future a decrease in sensor cabling inside vehicles becomes of greater importance to reduce cost and increase reliability. One approach is the so called autarkic sensor that generates energy wireless from the sensor's environment and transmits the derived measuring data also wireless to a communication node. Purpose of this dissertation is to discuss the autarkic energy recovery sensors based on a mechanical to electrical conversion which should allow a cable less energy supply. Theoretical and practical tests where made for a system which consists out of a translatory vibration with magnetic suspension and coreless coils. Starting from the differential equations describing the movement of the system, the influence of different ways of suspension and damping forces where investigated. As a result, the actual equation of oscillation was derived and solved with respect to amplitude and phase. The gained electrical power was derived from the real part of the current. Multiple test runs inside a car where performed to obtain some realistic measurement values. Based on those measurements, a test stand was set up inside the laboratory which should simulate normal road conditions. Using this test stand, multiple functional models of energy converting systems were investigated.

Das Enzym Tryptophan Synthase ist ein ausgezeichnetes Beispiel einer molekularen Fabrik auf der Nanoskala mit zwei katalytischen Zentren. Der katalytische Zyklus des Moleküls beruht zudem auf zahlreichen allosterischen Wechselwirkungen sowie der Übertragung des Intermediats Indol durch einen intramolekularen Tunnel. In dieser Arbeit wird das erste kinetische Modell eines einzelnen Tryptophan Synthase Moleküls konstruiert und analysiert. Simulationen zeigen starke Korrelationen zwischen den Zuständen der Katalysezentren sowie die Ausbildung von Synchronisation. Mit stochastischer Thermodynamik wird die experimentell unzugängliche Reaktionskonstante für die Rückübertragung des Indols aus Messdaten rekonstuiert. Methoden, die den Informationsaustausch in bipartiten Markovnetzwerken charakterisieren, werden auf beliebige Markovnetzwerke verallgemeinert und auf das Modell angewendet. Der abschließende Teil befasst sich mit chemischen Reaktionsnetzwerken von Metaboliten und Enzymen. Es werden algebraische Modelle (Halbgruppen) konstruiert, welche aufeinanderfolgende und simultane katalytische Funktionen von Enzymen und von Unternetzwerken erfassen. Diese Funktionen werden genutzt, um eine natürliche Dynamikum sowie hinreichende und notwendige Bedingungen für seine Selbsterhaltung zu formulieren. Anschließend werden die algebraischen Modelle dazu genutzt, um eine Korrespondenz zwischen Halbgruppenkongruenzen und Skalenübergängen auf den Reaktionsnetzwerken herzustellen. Insbesondere wird eine Art von Kongruenzen erörtert, welche dem Ausspuren der globalen Struktur des Netzwerkes unter vollständiger Beibehaltung seiner lokalen Komponenten entspicht. Während klassische Techniken eine bestimmte lokale Komponente fixieren und sämtliche Informationen über ihre Umgebung ausspuren, sind bei dem algebraischen Verfahren alle lokalen Komponenten zugleich sichtbar und eine Verknüpfung von Funktionen aus verschiedenen Komponenten ist problemlos möglich. / The channeling enzyme tryptophan synthase provides a paradigmatic example of a chemical nanomachine with two distinct catalytic subunits. It catalyzes the biosynthesis of tryptophan, whereby the catalytic activity in a subunit is enhanced or inhibited depending on the state of the other subunit, gates control the accessibility of the reactive sites and the intermediate product indole is directly channeled within the protein. The first single-molecule kinetic model of the enzyme is constructed. Simulations reveal strong correlations in the states of the active centers and the emergent synchronization. Thermodynamic data is used to calculate the rate constant for the reverse indole channeling. Using the fully reversible single-molecule model, the stochastic thermodynamics of the enzyme is closely examined. The current methods describing information exchange in bipartite systems are extended to arbitrary Markov networks and applied to the kinetic model. They allow the characterization of the information exchange between the subunits resulting from allosteric cross-regulations and channeling. The final part of this work is focused on chemical reaction networks of metabolites and enzymes. Algebraic semigroup models are constructed based on a formalism that emphasizes the catalytic function of reactants within the network. A correspondence between coarse-graining procedures and semigroup congruences respecting the functional structure is established. A family of congruences that leads to a rather unusual coarse-graining is analyzed: The network is covered with local patches in a way that the local information on the network is fully retained, but the environment of each patch is not resolved. Whereas classical coarse-graining procedures would fix a particular patch and delete information about the environment, the algebraic approach keeps the structure of all local patches and allows the interaction of functions within distinct patches.