Ce travail de recherche porte sur l'élaboration de céramiques transparentes de CaLa₂S₄ pour la réalisation d'optiques MWIR et LWIR. Différentes méthodes de synthèse de poudres ont été explorées afin d'élaborer des poudres céramiques de grande pureté, cubiques et de morphologie adaptée à la densification. Il en a résulté le développement d'une méthode combustion comme nouvelle voie de synthèse de ce matériau. Différentes techniques de frittage ont été explorées : le SPS, le pressage à chaud (HP) et le frittage sous sulfure d'hydrogène (H₂S) suivi d'un post-frittage HIP. Le pressage à chaud permet d'élaborer des céramiques transparentes dans l'IR. Cependant leurs propriétés optiques sont dégradées par la présence de bandes d'absorption et par un noircissement important dû à l'interaction du matériau avec le graphite. Ces deux problématiques ont été résolues en combinant frittage naturel et compaction isostatique à chaud. La transmission des céramiques obtenues par ce procédé atteint à 13µm la transmission théorique de 68%. / This work focuses on the elaboration of CaLa₂S₄ transparent ceramics for IR optical applications in the MWIR and LWIR atmospheric windows. Various synthesis methods were explored for the elaboration of high purity cubic ceramic powders with adequate morphology for densification. As a result, we developed an innovative combustion method of this material. Different sintering techniques were investigated: Spark Plasma Sintering (SPS), Hot Pressing (HP) and Sintering in sulfurizing atmosphere (H₂S) combined to Hot Isostatic Pressing (HIP). Hot Pressing produces IR transparent ceramics. However, their optical properties are affected by the presence of absorption bands and significant blackening due to the interaction of the material with the graphite. These two issues have been solved by using sintering coupled to post-HIP. Transmission of the optics obtained by this process reaches the theoretical transmission of 68 % at 13μm.

Un nouveau concept d'échangeur de chaleur compacte est développé afin d’améliorer les performances du système de conversion d'énergie pour le réacteur ASTRID. La fabrication de géométries complexes (canaux rectangulaires millimétriques) est possible grâce au procédé de soudage diffusion : des tôles rainurées en acier inoxydable 316L sont empilées en conteneur et soudées lors d'un cycle de Compaction Isostatique à Chaud (CIC). La problématique est alors d'obtenir des interfaces résistantes tout en limitant la déformation des canaux nuisible à l’efficacité de l’échangeur. Pour arriver au meilleur compromis, les travaux de cette thèse vont aider à l’optimisation des paramètres pression/temps/température du cycle de CIC.Le premier axe de travail porte sur la simulation numérique de la déformation d’un tel échangeur lors de la CIC. L’influence des paramètres numériques (taille des éléments, critère de convergence) a été étudiée afin d’optimiser la précision et la vitesse des calculs. Les simulations ont mis en évidence l’importance des défauts d’empilements de la structure (glissements et ondulations des tôles) dans l’augmentation de la déformée de l’échangeur. Puis une caractérisation mécanique poussée des tôles laminées a mené à l’identification d’une loi de comportement entre 20°C à 1040°C.Le second axe porte sur la modélisation de l'évolution des interfaces lors du soudage diffusion et la prédiction de la tenue mécanique de ces dernières, l'ensemble pouvant mener à la définition d'un critère de validité des interfaces.Une étude microstructurale et mécaniques des interfaces a permis d’établir une corrélation entre la tenue mécanique d’un joint soudé-diffusé et son taux de surface soudée. En effet, la disparition de la porosité résiduelle est le critère principal pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques à l’interface. Toutefois, le franchissement de l’interface par les joints de grains, est nécessaire pour retrouver les propriétés des tôles laminées. Un modèle analytique de fermeture des porosités (Hill et Wallach) est utilisé pour calculer le taux de surface soudée d’une interface en fonction des paramètres du cycle de CIC en modélisant la contribution des mécanismes (visco)plastique et diffusifs (en surface et au joint). Associé à la corrélation entre tenue mécanique et taux de surface soudée, il permet de proposer un outil prédictif pour la tenue mécaniques des interfaces soudé-diffusées. / A new concept of compact plate heat exchanger is developed for the energy conversion system performances of the ASTRID reactor. Manufacturing the complex geometry is possible by a diffusion-welding process: engraved 316L stainless steel plates are stacked and bonded during a Hot Isostatic Pressing cycle (HIP). The problematic is to get strong interfaces without deforming the channels which is harmful for the exchanger efficiency. To reach a good compromise, this thesis work will help to optimize the HIP parameters (pressure/temperature/ time).The first line of work is about the simulation of the heat exchanger deformation along manufacturing process. The influence of numerical parameters (elements size, convergence criterion) was studied to optimize the accuracy and the calculation time. Simulations have shown the importance of structure stack faults (sliding and plate ripples) in the increase of exchanger deformation. Then, a mechanical characterisation of plates was carried out to identify the constitutive equation between 20°C and 1040°C.The second line is about the interface modelling along welding and the prediction of their mechanical strength, as a whole can lead to the definition of an interface acceptability criterion. A microstructural and mechanical study has enabled to correlate the mechanical strength of a diffusion-bonded junction and its bonded area. Indeed, residual porosity disappearance is the main criterion to get good interfaces mechanical strength. However, the grain boundary migration is required to reach the rolled material properties. A void closure analytical model (Hill and Wallach) was used to estimate the bonded area of an interface according to HIP cycle parameters by modelling the contribution of (visco)plastic and diffusion (surface and boundary) mechanisms. Associated with the correlation between mechanical strength and the fraction of bonded area, it enables to propose a predictive tool for the mechanical strength of diffusion-bonded interfaces.

Apresenta uma metodologia para o projeto e fabricação de moldes para prensagem isostática de pó cerâmico (alumina) utilizando ferramentas computacionais CAD/CAE associadas à tecnologia de Prototipagem Rápida. O processo de prensagem isostática é simulado utilizando o método dos elementos finitos. Para a representação da compactação do pó cerâmico é utilizado o modelo de Drucker-Prager/cap e para a representação do comportamento do material elastomérico é utilizado o modelo hiperelástico de Mooney-Rivlin, ambos disponíveis no programa ABAQUS. Tal simulação visa obter o projeto do molde de forma mais rápida e precisa, ajustando-o até que se alcance um molde adequado para produzir um compacto com uma quantidade de sobrematerial ideal para o processo de usinagem a verde. Para isso utilizou-se como estudo de caso uma esfera cerâmica para implante de quadril. Um protótipo virtual do molde adequado obtido das simulações é então modelado e reproduzido em plástico ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) pela tecnologia de Prototipagem Rápida FDM (Fused Deposition Modeling). Esse protótipo físico é a base para o desenvolvimento de matrizes rígidas e em silicone, que são utilizadas para a confecção da parte flexível do molde (matriz elastomérica) e de partes rígidas como a gaiola suporte obtidas por vazamento dos polímeros. Constatou-se a viabilidade da utilização da metodologia de projeto e fabricação do molde para prensagem isostática, considerando que as simulações mostraram-se bastante coerentes com os resultados experimentais obtidos de componentes prensados. / This work presents a methodology for the design and fabrication of ceramic powder isostatic pressing moulds using CAD and CAE tools and Rapid Prototyping. The isostatic pressing process was simulated using the finite element method. The compaction behavior of ceramic powder is described by the Drucker-Prager/cap constitutive model and the behavior of elastomeric material is described by the Mooney-Rivlin constitutive model within the commercial finite element software ABAQUS®. These simulations are required to adjust the mould design in order to suit the geometry of the compact and green machining allowance. For this study, it is used a case study consisting of pressing a ceramic sphere for hip implant stem. A virtual prototype was designed from the geometry obtained from the simulations and reproduced in Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) polymer, using the Rapid Prototyping technology - Fused Deposition Modeling (FDM). Silicone moulds were obtained from the polymer prototype and used to aid in the making of the elastomeric bag and mould support cage. The methodology used in this investigation was validate considering that the simulations yield to a good agreement with measured manufactured components.

Semi-natural grasslands with traditional management are known to be very species-rich, with many plant species strongly associated with the habitat. The last century’s decline of semi-natural grasslands, as a result of land use change and abandonment, has made the remaining semi-natural grassland a high concern for conservation. Since management can be costly and the available resources often are limited, it is important to use the most beneficial management method for preserving and enhancing the biodiversity. One semi-natural grassland type of certain interest around the Baltic region are coastal grasslands. In this study, I investigated vascular plant species occurrence in ten managed coastal grasslands located in the Stockholm archipelago. The effect of recent land-uplift and future sea level rise on the ten coastal grasslands were analyzed as well. A major part of all ten grasslands had been subjected to the process of isostatic land-uplift the past 100 years. Five of the grasslands were currently managed by grazing and the other five were managed by traditional mowing. There was no significant difference in alpha and gamma diversity between the two management types. Though, higher biodiversity values, such as more different species found in total, higher amount of species typically linked to meadows and pastures, less succession species and more red-listed species, were found in the traditionally mowed grasslands. Furthermore, a sea level rise with 40 cm the next 100 years in the region would lead to loss of plant species diversity in the investigated coastal grasslands. One major concern is the limited areas upwards on the coastal grasslands for species to migrate to in the future, which is expected to primarily affect species associated with meadows and pastures. The study highlights the importance of open and managed grassland areas further up the coastal grasslands for local species to migrate to, if the sea level would rise as predicted by future climate scenarios. Albeit weak the results of this study indicate that traditional mowing generates higher biodiversity values compared to grazing, hence it should be the preferred management method in coastal grasslands in the Stockholm archipelago.

Les échangeurs compacts à plaques soudés-diffusés sont une solution prometteuse dans de nombreux domaines (nucléaire, (pétro-)chimie, solaire…) du fait de leurs performances. Ils sont envisagés pour le système de conversion d’énergie du réacteur nucléaire ASTRID. Pendant le soudage CIC, la problématique est double: maîtriser la déformation des canaux et l’évolution microstructurale du matériau tout en obtenant des interfaces résistantes. Cette thèse s’intéresse à la compréhension et à la maîtrise de la microstructure des assemblages pour définir des critères « procédé » permettant l’obtention d’interfaces non marquées par le procédé et le maintien d’une taille de grains fine. Après une caractérisation approfondie de leur surface et de l’évolution au chauffage de leur microstructure, le comportement au soudage de tôles en acier austénitique 316L a été étudié en faisant varier les paramètres liés au procédé (température et pression de soudage) et au format des tôles (épaisseur, état de surface…). Les résultats montrent que la formation de l’interface est associée à des mécanismes de croissance de grain classiques avec un ancrage interfacial plus ou moins marqué selon les caractéristiques des surfaces. Les propriétés mécaniques des assemblages ont été testées afin de déterminer la nocivité des défauts rencontrés. Si les pores constituent le défaut le plus pénalisant, l’influence d’autres hétérogénéités a été mise en évidence. Les étapes de formation des interfaces ont ensuite été identifiées par la réalisation de cycles de soudage interrompus. L’intérêt d’une approche numérique par la méthode Level-Set pour simuler les évolutions microstructurales est finalement discuté. / Compact diffusion bonded heat exchangers are an attractive option in many fields (nuclear, (petro-)chemistry, solar…) due to their performance. This type of concept is especially intended for manufacturing the energy conversion system of the ASTRID reactor. During diffusion bonding by HIP, the problem is twofold: the channel deformation and microstructure evolution must be controlled, while at the same time, highly resistant interfaces are desired. This thesis is focused on the understanding and the control of the bonded components microstructure prepared by HIP in order to define « process » criteria to achieve welds in agreement with specifications of components containing fluidic channels: interfaces unaffected by the process and small grain size. After a detailed characterization of their surface and microstructural evolution during heating, the behavior of AISI 316L austenitic steel sheets has been examined in a parametric study by varying the parameters related to process (diffusion bonding temperature and pressure) and welding material (thickness, surface finish…). The results show that the interface formation is driven by conventional grain growth mechanisms with an interfacial pining more or less marked depending on surface characteristics. The mechanical properties of assemblies have been tested to determine the influence of defects. Though pores are the most critical default, the influence of other heterogeneities has also been highlighted. The different steps of bond formation have been identified by performing interrupted diffusion bonding test. The interest of modeling approach by Level-Set method to simulate microstructure evolution has been finally discussed.

This diploma thesis is concerned with improving the mechanical properties of aluminium castings produced using investment casting technology by HIP (Hot Isostatic Pressing). Comparing the mechanical properties of separately casted test bars and integrally casted test bars for individual types of production. It was demonstrated that HIP technology has a positive effect on mechanical properties of castings, especially for ductility.

Ces travaux ont porté dans un premier temps sur la mise en forme et l’étude de la densification de céramiques transparentes de YAG:Nd de grandes dimensions. Le choix des paramètres de coulage sous pression et de compaction isostatique à froid ont permis de contrôler les dimensions et la microstructure des pièces crues élaborées. Le frittage sous vide de ces céramiques a cependant conduit à une hétérogénéité microstructurale entre le coeur et le bord des échantillons. Plus particulièrement, des pores résiduels ont été détectés au coeur des céramiques, altérant les propriétés optiques. Des post-traitements HIP (Hot Isostatic Pressing) ont alors été mis en oeuvre pour mieux contrôler la microstructure des céramiques. Cette voie a démontré son efficacité pour réduire en nombre et en taille les pores résiduels, avec cependant certaines limites concernant notamment la réoxydation des céramiques de grandes dimensions. Finalement, les céramiques élaborées ont montré des performances laser proches de celles des monocristaux de même composition.Dans un second temps, un procédé de coulage en bande pour l’élaboration de céramiques transparentes de YAG multicouches a été développé. Plus particulièrement, un travail original a été mené sur l’étude de l’influence de la formulation des suspensions sur les propriétés mécaniques des bandes céramiques crues. Cette étude a ainsi permis d’élaborer des bandes pouvant être ultérieurement manipulées et transformées. Une céramique multicouche avec une bande centrale dopée en ion Nd3+ d’épaisseur contrôlée a alors pu être mise en forme par thermocompression de bandes de différentes compositions (YAG et YAG:Nd). Après déliantage et frittage, une céramique transparente de type « guide d’onde planaire » a finalement été obtenue. / The first step of this work was focused on the shaping and sintering of large sized Nd:YAG transparent ceramics. The choice of the pressure casting and cold isostatic pressing parameters allowed to control the thickness and the microstructure of the green bodies. However, vacuum sintering of these parts led to a microstructural heterogeneity between the core and the edge of the samples. More particularly, residual pores have been detected in the core of the ceramics, decreasing the optical properties. Then, HIP (Hot Isostatic Pressing) post-treatments were implemented to control the ceramics microstructure. This route helped to reduce the number and size of residual pores. But limitations appeared, especially concerning the large ceramics. Finally, the obtained ceramics showed laser performances close to those of the single crystals of same composition.The second part was devoted to the development of a tape casting process for the elaboration of YAG multilayered transparent ceramics. More particularly, the influence of the slurry formulation on the mechanical properties of the green tapes was studied. This original work allowed the shaping of green tapes with good mechanical properties and a controlled organic content. Then, a multilayered ceramic with a central Nd-doped layer could be elaborated by thermolamination of layers with different compositions (YAG and YAG: Nd). After debinding and sintering, a transparent ceramic planar waveguide was finally obtained.

Die Antarktis ist eine Schlüsselregion für die Entwicklung des Klimageschehens auf der Erde. Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) helfen dabei, die damit verbundenen geodynamischen Prozesse besser zu verstehen, indem mit wiederholten oder kontinuierlichen Messungen präzise Deformationsraten der festen Erde abgeleitet werden. Neben der Bestimmung von plattentektonischen Bewegungen zählt in den Polargebieten insbesondere die Erfassung des glazial-isostatischen Ausgleichs (GIA) zu den wichtigsten Anwendungsbereichen von GNSS. GIA beschreibt die Reaktion der festen Erde auf sich verändernde Eisauflasten und äußert sich in einer an der Erdoberfläche messbaren Deformation, welche größtenteils durch Umverteilungen des zähflüssigen Mantelmaterials innerhalb der Erde verursacht wird. Die mittels Satellitengravimetrie bestimmten Eismassenbilanzen, welche etwa bei Klimamodellierungen verwendet werden können, weisen große Fehlereinflüsse durch die Unsicherheiten der GIA-bedingten Massenumverlagerungen auf. Deshalb sind die GNSS-Ergebnisse für die Validierung der GIA-Modelle und darauf basierende Untersuchungen von großer Bedeutung. In der hier vorliegenden Arbeit wurde eine konsistente Prozessierung von allen verfügbaren, in der Antarktis auf Fels gemessenen GNSS-Daten durchgeführt. Die Daten wurden im Rahmen der internationalen Kooperation GIANT-REGAIN (Geodynamics In ANTarctica based on REprocessing GNSS dAta INitiative) zur Verfügung gestellt und die Ergebnisse dieser Arbeit stellen zugleich einen Beitrag dazu dar. Ein großes Problem der bisherigen GNSS-Untersuchungen der Antarktis war der beschränkte Umfang, sei es in Folge einer regionalen Analyse oder durch eine eingeschränkte Auswahl an GNSS-Stationen bei Auswertungen im kontinentalen oder globalen Maßstab. Einige wichtige Regionen wurden zudem nur sehr selten berücksichtigt, etwa die durch extreme Eismassenverluste gekennzeichnete Amundsensee-Region. Die verschiedenen GNSS-Untersuchungen verwendeten unterschiedliche Auswertestrategien, Eingangsmodelle und Referenzrahmen, weshalb sich die Raten nicht direkt miteinander vergleichen lassen. Eine Validierung der GIA-Modelle ist daher in den meisten Fällen nur eingeschränkt möglich. Mit der hier durchgeführten gemeinsamen Prozessierung von mehr als 250 GNSS-Stationen für den Zeitraum von 1995 bis 2017 konnten die bisherigen Limitierungen umgangen werden. Für fast alle Stationen ließen sich Deformationsraten bestimmen, welche einer einheitlichen Auswertung entstammen und sich daher direkt vergleichen und interpretieren lassen. Neben der Prozessierung der GNSS-Daten lag ein Fokus auch auf den dazugehörigen Metadaten. Deren korrekte oder unzureichende Erfassung kann einen signifikanten Einfluss auf die abgeleiteten Deformationsraten haben. Durch den Aufbau eines Datenmanagementsystems mit mehreren graphischen Schnittstellen wurde die Datenverwaltung deutlich effizienter gestaltet. Außerdem ließen sich damit viele Fehler detektieren und größtenteils beheben. Weitere Untersuchungsschwerpunkte waren die Optimierung der Realisierung des geodätischen Datums durch Anpassung der Datumsstationsauswahl, die Detektion von Ausreißern und Sprüngen in den Zeitreihen für eine zuverlässige Trendschätzung sowie die Behandlung offensichtlicher Probleme einiger Stationen. Zu den auffälligsten Problemen zählen die Auswirkungen von fehlerhaften Metadaten und von Eisablagerungen innerhalb der Antenne. In diesem Zusammenhang zeigte sich auch, dass automatisierte Verfahren zur Detektion von Ausreißern und Sprüngen sowie robuste Verfahren gegenüber diesen Anomalien für viele Stationen sehr gute Resultate liefern. Es gibt aber auch mehrere Stationen mit einer besonderen Charakteristik, für die eine manuelle Nachbearbeitung dringend anzuraten ist. Insbesondere die Eisablagerungen in den Antennen, welche bisher noch nicht genauer untersucht wurden, können von diesen Verfahren nicht adäquat berücksichtigt werden. Weiterhin wurden im Rahmen einer sorgfältigen Genauigkeitsabschätzung realistische Maße für die Unsicherheiten der GNSS-Deformationsraten abgeleitet. Die mit GNSS ermittelten Deformationsraten der Antarktis wurden im geodynamischen Kontext betrachtet. In der Ostantarktis fallen die vertikalen Deformationsraten sehr gering aus und umfassen nur wenige Millimeter pro Jahr, wobei das Vorzeichen häufig wechselt. Dagegen sind die vertikalen Deformationsraten in der Westantarktis deutlich größer und können mehrere Millimeter pro Jahr betragen. Eine Sonderstellung nehmen dabei die extremen Hebungsraten der Amundsensee-Region ein, welche in dieser Arbeit ausführlicher untersucht wurde. Die dort ermittelten GNSS-Raten von bis zu 62mm/a und die um den Effekt rezenter Eismassenänderungen reduzierten Raten von bis zu 45mm/a stellen weltweit die größten bisher gemessenen Hebungsraten aufgrund glazial induzierter Deformationen dar. Mit zunehmendem Abstand zu den großen Gletschern dieser Region werden die Raten schnell kleiner, woraus große Gradienten resultieren. Fast alle GIA-Modelle unterschätzen die aus GNSS abgeleiteten Hebungsraten um fast eine Größenordnung im Bereich der Gletscher der Amundsensee-Region. Die Ursache liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit in der Kombination aus einer besonderen Rheologie (geringe Mächtigkeit der Lithosphäre und geringe Viskosität der Asthenosphäre) und großen Eismassenverlusten in den letzten Jahrzehnten begründet. Dadurch dominieren jüngere Ereignisse der Vereisungsgeschichte die rezenten Raten, weshalb die klassische Trennung von sofortigen (elastischen) und über Jahrtausende anhaltenden Deformationen in diesem Fall nicht zu funktionieren scheint. Ein geringer Einfluss von tektonischen Prozessen und besonders Vulkanismus kann nicht ausgeschlossen werden, signifikante Anteile sind aber sehr unwahrscheinlich. Die horizontalen Deformationsraten der Antarktis spiegeln hauptsächlich die plattentektonische Bewegung wider. Nach Abzug der anteiligen Bewegung der Antarktischen Platte (starres Modell) fallen die horizontalen Raten sehr gering aus, was auch auf die Relativgeschwindigkeiten zutrifft. Deshalb kann die Antarktische Lithosphärenplatte insgesamt als sehr stabil betrachtet werden. Nur zwischen der Antarktischen Halbinsel und den Südlichen Shetlandinseln sowie in der Amundsensee-Region sind größere horizontale Raten vorzufinden, welche durch die Existenz einer separaten Lithosphärenplatte (Shetland-Platte) bzw. im Bereich der Amundsensee durch GIA verursacht werden. / Antarctica is a key region for the development of the climate on Earth. Global Navigation Satellite Systems (GNSS) help to better understand the associated geodynamic processes by deriving precise deformation rates of the solid Earth using repeated or continuous measurements. Besides the determination of plate tectonic movements, the determination of glacial isostatic adjustment (GIA) is one of the most important applications of GNSS in polar regions. GIA describes the response of the solid Earth to changing ice-loads. It manifests itself in a deformation measurable at the Earth's surface, which is mainly caused by redistributions of the viscous mantle material within the Earth. The ice-mass balances determined by satellite gravimetry, which serves as an input variable for climate modelling, are largely affected by errors due to the uncertainties of the GIA-induced mass redistributions. Therefore, GNSS results are very important for the validation of GIA models and studies based on them. In this thesis a consistent processing of all GNSS data was performed which were measured on bedrock in Antarctica. The data were made available within the international cooperation GIANT-REGAIN (Geodynamics In ANTarctica based on REprocessing GNSS dAta INitiative). In turn, the results of this work are a contribution to this project as well. A major problem of previous GNSS studies in Antarctica has been the limited coverage, resulting from either a regional analysis or a limited selection of GNSS sites for investigations on a continental or global scale. Moreover, some important regions were only very rarely considered, such as the Amundsen Sea embayment which is characterized by an extreme ice-mass loss. Various GNSS studies accomplished so far used different processing strategies, input models and reference frames, so that inferred rates cannot be compared directly. Therefore, in most cases a validation of the GIA models is only possible to a limited extent. Now, with the joint processing of more than 250 GNSS sites for the period from 1995 to 2017 the previous limitations could be circumvented. Deformation rates could be determined for almost all sites, which are derived from a homogeneous analysis and are, therefore, directly comparable and interpretable. Besides the processing of GNSS data another focus lies on the treatment of associated metadata. Their correct or insufficient acquisition can have a significant influence on the derived deformation rates. By setting up a data management system including various graphical interfaces the data handling has been made significantly more efficient. In addition, many errors were detected and could be corrected to a great extent. Further aspects of the investigations include the optimization of the geodetic datum definition by adjusting the fiducial site selection, the detection of outliers and jumps in the time series for a reliable trend estimation, and the handling of obvious problems of some sites. Erroneous metadata and ice deposits within the antenna are among the most problematic effects. In this context, it was also shown that automated methods for the detection of outliers and jumps as well as robust methods to mitigate or eliminate these anomalies provide very good results for many sites. However, there still exist several sites with special characteristics where manual revisions are strongly recommended for. Especially the ice deposits within the antennas, which have not been investigated in detail yet, cannot be adequately considered by these methods. Furthermore, realistic measures for the uncertainties of the GNSS deformation rates were derived by a careful accuracy estimation. The deformation rates determined with GNSS in Antarctica were analysed in a geodynamic context. In East Antarctica, the vertical deformation rates are very small with only a few millimeters per year and a frequently changing sign. In contrast, the vertical deformation rates in West Antarctica are much higher and can reach several millimeters per year. The extreme uplift rates in the area of the Amundsen Sea embayment play a special role and were investigated in more detail within this thesis. There, the GNSS rates reach values of up to 62mm/a and, reduced by the effect of recent ice-mass changes, of up to 45mm/a. They represent the largest measured uplift rates due to glacially induced deformations worldwide. With increasing distance to the large glaciers of this region, the rates decrease rapidly, resulting in large gradients. Nearly all GIA models underestimate the GNSS-derived uplift rates by almost an order of magnitude in that area. This is most likely due to the combination of a special rheology (small thickness of the lithosphere and low viscosity of the asthenosphere) and an extreme ice-mass loss during the last decades. As a result, more recent events in the ice-load history dominate the present-day rates, which is why the classical separation of immediate (elastic) deformations and those that persist over millennia does not seem to work in this case. A minor effect of tectonic processes and especially volcanism cannot be excluded but has most likely no significant influence. The horizontal deformation rates in Antarctica mainly reflect plate tectonic motion. After deducting the proportional motion of the Antarctic Plate, the horizontal rates are very small, which also applies to the relative velocities. Therefore, the Antarctic Plate can be considered as very stable overall. Only between the Antarctic Peninsula and the South Shetland Islands as well as in the Amundsen Sea embayment larger horizontal rates can be found, which are caused by a separate lithospheric microplate (Shetland Plate) or by the considerable GIA effect in the Amundsen Sea embayment, respectively.

The satellite gravimetry mission Gravity Record And Climate Experiment (GRACE), which was operational from 2002 to 2017, and its follow-on mission GRACE-Follow-On (GRACE-FO), which has been active since 2018, revolutionized the observation of temporal changes of the Earth's gravitational field. The measurement data from these missions enable the nuanced quantification of mass redistributions on Earth. Water redistributions between continents and oceans caused by climate change are of particular research interest because of their relevance for mankind. These are, for example, the ice mass changes (IMC) of the ice sheets in Antarctica and Greenland, which this work focuses on. IMC estimates derived from satellite gravimetry data, like from other quantification methods, confirm that both the Greenland Ice Sheet (GIS) and the Antarctic Ice Sheet (AIS) have been losing mass over the last two decades. However, these estimates are subject to large uncertainties, which is particularly the case for the AIS. If the mass balance is obtained from gravimetric observations, a major source of uncertainty is the consideration of effects due to glacial isostatic adjustment (GIA). The uncertainty of the present-day gravitational field changes caused by the isostatic adjustment of the solid Earth to IMC during the last centuries and millennia propagates into estimates of the recent IMC. According to results of the Ice sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise (IMBIE), the spread of different modelling results predicting the GIA-induced mass effect in Antarctica is almost as large as the estimated rate of the IMC itself. In Greenland, the spread of the mass effect from different GIA modelling results is approximately 20 % of the rate of IMC. Alternatively, the IMC can be determined using surface elevation changes derived from satellite altimetry observations. In this case, any GIA error hardly affects the results, but there is a significant source of uncertainty in the conversion of volume changes into mass changes. It is possible to combine data from satellite gravimetry and satellite altimetry to jointly estimate IMC and GIA mass effects, e.g. by solving an inverse problem (joint data inversion). This is an alternative to the use of GIA modelling results in processing satellite gravimetry data. Results from data combination methods are not only a means to an end to improve the estimation of IMC. They also can contribute to answer geodynamic questions. However, previous estimation strategies for combining satellite gravimetry and satellite altimetry data are subject to some limitations. Many approaches only allow to estimate GIA in a regional framework and not in global framework. Other approaches strongly depend on a priori information from geophysical modelling which are subject to large uncertainties. Furthermore, limitations are due to processing choices, e.g. the use of deterministic parameters over defined time intervals or, e.g. due to the consideration of errors in the applied data sets. This work investigates advancements of data combination methods that allow to quantify IMC and present-day GIA effects. Specifically, the approaches investigated here combine measured gravitational field changes from satellite gravimetry, measured surface elevation changes from satellite altimetry, modelled surface mass balances from regional climate modelling, and modelled firn thickness changes from firn modelling. This cumulative dissertation comprises three publications that investigated three aspects of data combination approaches. The first publication analysed a regional combination approach in Antarctica and results therein demonstrated a significant dependence of the estimated GIA effect on the input data sets and applied processing choices. A bias correction can significantly reduce an initial bias in the determined GIA effect associated to the spherical harmonic coefficients of degree-1 and c₂₀. However, this bias correction regionally constrains the GIA estimate and prevents to implement such an approach in a global framework. The second publication infers long-term mass trends with their temporal changes jointly observed from satellite gravimetry and satellite altimetry data. To do so, a state-space filtering framework was applied to the data sets allowing to estimate temporal changes of the parameters over time while accounting for temporal correlation of short-term fluctuations. Thereby, an accelerating ice-dynamically induced ice mass loss is found for drainage basins in West Antarctica. In contrast, the temporal variability of long-term trends in East Antarctica is low. Noteworthy, the trends in Dronning Maud Land and Enderby Land are positive. The third publication presents a global approach to jointly estimate IMC, GIA effects and firn thickness changes, while accounting for spatial error covariances of the input data sets. The intention of the utilized GIA parametrization in Antarctica is to spatially resolve GIA effects that were not predicted by GIA models. Simulation experiments demonstrated the feasibility of the approach under the presence of realistic limitations of satellite observations and model products. This framework paper also reports a first application of the inversion method of Publication~3 to real data. The focus of this application is on Antarctcia over the time interval January 2011 to December 2020. Results for the AIS are: (i) an IMC of (−150 ± 5) Gt a⁻¹, (ii) a change of the firn air content of (40 ± 5) km³ a⁻¹, and (iii) an integrated GIA-induced mass effect of (72 ± 4) Gt a⁻¹. These results are promising with regard to the application of this methodology, as they are similar to previously published estimates. But they are estimated in a globally consistent framework and without applying conventional filtering strategies. Future work should further improve the methodology and eventually implement it in a global inversion framework that allows to jointly estimate all sea-level contributions.:1 Introduction 2 Processes over ice sheets inducing changes in Earth’s gravity and geometry 3 Data sets 4 Data combinations over ice sheets 5 Publications 6 Inversion of real data for glacial isostatic adjustment and ice mass changes in Antarctica 7 Outlook 8 Conclusions / Die Satellitengravimetriemission Gravity Record And Climate Experiment (GRACE), die von 2002 bis 2017 aktiv war, sowie die seit 2018 aktive Nachfolgemission GRACE-Follow-On (GRACE-FO) revolutionierten die Beobachtung zeitlicher Änderungen des Gravitationsfeldes der Erde. Die Messdaten dieser Missionen ermöglichen die differenzierte Quantifizierung von Massenumverteilungen auf der Erde. Von besonderen Forschungsinteresse, aufgrund ihrer Relevanz für die Menschheit, sind dabei durch den Klimawandel verursachte Umverteilungen von Wasser zwischen den Kontinenten und dem Ozean. Das sind beispielsweise die Eismassenänderungen der Eisschilde in Antarktika sowie Grönland, die im Fokus dieser Arbeit stehen. Aus Messdaten der Satellitengravimetrie ermittelte Eismassenänderungen bestätigen, wie auch andere Quantifizierungsmethoden, dass der Grönländische Eisschild sowie der Antarktische Eisschild während der letzten zwei Jahrzehnte an Masse verloren haben. Allerdings sind diese Schätzungen mit großen Unsicherheiten behaftet, was insbesondere auf den Antarktischen Eisschild zutrifft. Wird die Massenbilanz mit gravimetrischen Beobachtungen ermittelt, ist eine wesentliche Quelle für die Unsicherheit die Berücksichtigung der Effekte aufgrund des glazial-isostatischen Ausgleichs (GIA). Die Unsicherheit über die gegenwärtigen Änderungen des Gravitationsfeldes, aufgrund des isostatischen Ausgleichs der festen Erde an Eismassenänderungen während der letzten Jahrhunderte und Jahrtausende, pflanzt sich in die Schätzung rezenter Massenänderungen fort. Laut Ergebnissen von vergleichenden Untersuchungen zu Eisschildmassenbilanzen (Ice sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise, IMBIE) ist in Antarktika die Bandbreite unterschiedlicher Modellierungen des GIA-induzierten Masseneffekts fast so groß wie die ermittelte Rate der Eismassenänderung selbst. In Grönland beträgt die Bandbreite des Masseneffekts unterschiedlicher GIA-Modellierungen ungefähr 20 % der Eismassenänderungsrate. Alternativ lassen sich die Eismassenänderungen mittels Oberflächenhöhenänderungen bestimmen, die aus Beobachtungen der Satellitenaltimetrie abgeleitet werden. Dabei beeinflussen GIA Fehler die Ergebnisse kaum, allerdings besteht dabei eine wesentliche Quelle der Unsicherheit bei der Konversion von Volumenänderungen in Massenänderungen. Es besteht die Möglichkeit, Daten der Satellitengravimetrie sowie der Satellitenaltimetrie zu kombinieren und somit die Eismassenänderungen sowie GIA-Masseneffekte gemeinsam zu bestimmen, z. B. als Lösung eines inversen Problems (gemeinsame Dateninversion). Dies ist eine Alternative zur Verwendung von Ergebnissen der GIA-Modellierung in der Datenprozessierung der Satellitengravimetrie. Ergebnisse von Datenkombinationsmethoden sind dabei nicht nur ein Mittel zum Zweck, um die Schätzung von Eismassenänderungen zu verbessern. Sie können auch zur Beantwortung geodynamischer Fragestellungen beitragen. Allerdings unterliegen bisherige Schätzverfahren, die Daten der Satellitengravimetrie und Satellitenaltimetrie kombinieren, Limitierungen. Viele Ansätze ermöglichen die GIA Schätzungen nur in einem regionalen Rahmen und nicht in einem globalen Rahmen. Andere Ansätze hängen stark von Vorinformationen der geophysikalischen Modellierung ab, die aber große Unsicherheiten aufweisen. Außerdem ergeben sich Limitierungen durch gewählte Prozessierungsentscheidungen, wie z. B. durch die Verwendung deterministischer Parameter über definierte Zeitintervalle oder z. B. durch die Berücksichtigungen der Fehler der verwendeten Datensätze. Diese Arbeit untersucht Weiterentwicklungen von Datenkombinationsmethoden, welche die Quantifizierung von Eismassenänderungen und des gegenwärtigen GIA-induzierten Masseneffekts ermöglichen. Konkret kombinieren die hier untersuchten Ansätze: gemessene Gravitationsfeldänderungen der Satellitengravimetrie, gemessene Oberflächenhöhenänderungen der Satellitenaltimetrie, modellierte Oberflächenmassenbilanzen sowie modellierte Firndickenänderungen der regionalen Klimamodellierung. Diese kumulative Dissertation umfasst drei Publikationen, die drei Aspekte von Datenkombinationsansätzen untersuchten. Die erste Publikation analysierte einen regionalen Kombinationsansatzes in Antarktika und die Ergebnisse zeigten eine bedeutende Abhängigkeit des ermittelten GIA-Effekts von den verwendeten Eingangsdatensätzen und Prozessierungsentscheidungen. Ein ursprünglicher Bias im ermittelten GIA-Effekt, aufgrund der sphärisch-harmonischen Koeffizienten vom Grad-1 sowie c₂₀, kann durch eine Biaskorrektur erheblich reduziert werden. Dadurch sind die GIA-Schätzungen allerdings regional beschränkt und es wird verhindert, dass ein solcher Ansatz in einem globalen Rahmen implementiert werden kann. Die zweite Publikation ermittelt Langzeitmassentrends zusammen mit deren zeitlichen Änderungen, die von der Satellitengravimetrie und Satellitenaltimetrie gemeinsam beobachtet werden. Hierfür wurde ein Zustandsraumfilterverfahren auf die Datensätze angewandt, das es ermöglicht, die zeitlichen Veränderungen der Parameter über die Zeit zu bestimmen, unter der Berücksichtigung zeitlicher Korrelation kurzfristiger Fluktuationen. Dabei zeigt sich für Abflussbecken in der Westantarktis ein sich beschleunigender eisdynamisch induzierter Eismassenverlust. Dagegen ist die zeitliche Variabilität der Langzeittrends in der Ostantarktis gering. Bemerkenswert ist, dass die Trends im Dronning Maud Land und Enderby Land positiv sind. Die dritte Publikation präsentiert einen globalen Ansatz, der die gemeinsame Schätzung von Eismassenänderung, der GIA-Effekte sowie Änderungen der Firndicke ermöglicht, unter der Berücksichtigung räumlicher Fehlerkovarianzen. Bei der Wahl der GIA-Parametrisierung in Antarktika wurde die Intention verfolgt, GIA-Effekte räumlich aufzulösen, die bisher nicht von GIA-Modellen vorhergesagt wurden. Mit Simulationsexperimenten konnte die Machbarkeit des Ansatzes unter realistischer Limitierungen der Satelliten- und Modellprodukte demonstriert werden. Diese Rahmenschrift präsentiert auch eine erste Anwendung der Inversionsmethode aus Publikation 3 unter Verwendung echter Daten. Der Fokus dieser Anwendung liegt auf Antarktika über das Zeitintervall Januar 2011 bis Dezember 2020. Ergebnisse für den Antarktischen Eisschild sind: (i) eine Eismassenänderung von (−150 ± 5) Gt a⁻¹, (ii) eine Änderung des Luftgehalts der Firnschicht von (40 ± 5) km³ a⁻¹ und (iii) ein integrierter GIA-induzierter Masseneffekt von (72 ± 4) Gt a⁻¹. Diese Ergebnisse sind vielversprechend mit Hinblick auf die Anwendbarkeit der Methode, da sie vergleichbar zu bereits publizierten Ergebnissen sind. Dabei wurden sie in einem global-konsistenten Rahmen ohne die Anwendung konventioneller Filterungen ermittelt. Im Zuge zukünftigen Arbeiten soll die Methodik weiter verbessert werden und schließlich in einem globalen Inversionsrahmen implementiert werden, der die Bestimmung aller Meeresspiegelbeiträge gemeinsam ermöglicht.:1 Introduction 2 Processes over ice sheets inducing changes in Earth’s gravity and geometry 3 Data sets 4 Data combinations over ice sheets 5 Publications 6 Inversion of real data for glacial isostatic adjustment and ice mass changes in Antarctica 7 Outlook 8 Conclusions

For many metal components the presence of hard, non-metallic inclusions such as oxides lowers the impact toughness by acting as fracture initiation points and easing crack propagation. In components produced by powder metallurgy hot isostatic pressing (PM HIP), oxides often form a continuous network of small, spherical inclusions after consolidation at the prior particle boundaries (PPB). It is therefore of great importance to reduce surface oxides before consolidation in order to improve mechanical properties. In this work, oxides were attempted to be reduced directly prior to the consolidation of one tool steel and one low-alloy steel by introducing H2 into sealed PM HIP capsules. The two H2-carriers were hollow glass microspheres and the compound ammonia borane (H3NBH3). The H2-carriers were placed separately from the metal powder. Microspheres were filled at 300 °C with a gas mixture at 675 bar resulting in a storage capacity of 0.16 wt%. Gaseous species released from the H2-carriers during heating were analysed by mass spectrometry. Results showed that the microspheres only release H2 while ammonia borane in addition releases other nitrogen and boron containing species. Impact testing as well as chemical and microstructural analysis were performed on the two consolidated materials with samples retrieved from different vertical and radial positions. Both H2-carriers had leaked into the material resulting in decreased impact toughness compared to the reference. Further from the source of the contaminants, oxygen content was reduced and impact toughness was improved. Microspheres showed overall better reduction ability even though they release less hydrogen compared to ammonia borane. Impact toughness was not improved as much with ammonia borane even though similar oxygen levels were achieved. Ammonia borane’s decomposition products likely obstruct the oxide reduction or introduce new inclusions lowering the impact toughness. / Det är för många metallkomponenter viktigt att så mycket som möjligt undvika hårda, icke metalliska inneslutningar. Detta eftersom de sänker slagsegheten genom sprickinitiering men även genom att underlätta spricktillväxt. Ytoxider i komponenter tillverkade genom pulvermetallurgisk het-isostatisk pressning (PM HIP) bildar ofta ett kontinuerligt nätverk av små, sfäriska inneslutningar efter konsolidering vid de tidigare partikelgränserna. Det är därför viktigt att reducera ytoxider före konsolidering för att förbättra de mekaniska egenskaperna av komponenter tillverkade genom PM HIP. I detta examensarbete har ytoxider reduceras direkt före konsolidering av ett låglegerat stål och ett verktygsstål genom att tillsätta H2 i de förseglade PM HIP kapslarna. Två vätgasbärare testades, ihåliga mikrosfärer av glas och ammoniak boran (H3NBH3). Vätgasbärarna var placerade i ett område avskilt från metallpulvret. Mikrosfärerna fylldes med en gasblandning vid 675 bar och 300 °C vilket resulterade i en lagringskapacitet på 0.16 vikt%. Gaser som frigjordes från vätgasbärarna vid uppvärmning analyserades med en masspektrometer. Resultatet visade att mikrosfärerna bara frigör H2 medan ammoniak boran också frigör andra ämnen innehållande kväve och bor. Slagprovning och analys av mikrostruktur samt syre- och kvävehalter utfördes på de två konsoliderade materialen med prover från olika vertikala och radiella positioner. Båda vätgasbärarna hade läckt in i materialet vilket resulterade i minskad slagseghet jämfört med referensmaterialet. Längre från vätgasbärarnas ursprungsposition var slagsegheten bättre och syrehalten lägre. De vätgasfyllda mikrosfärerna uppvisade överlag bättre förmåga att minska syrehalten trots att de innehöll mindre H2 jämfört med ammoniak boran. Slagsegheten förbättrades inte lika mycket med ammoniak boran trots att liknade syrenivåer uppmättes. Ammoniak boranets pyrolysprodukter förhindrar möjligtvis oxidreduktionen eller introducerar nya inneslutningar som resulterar i en försämrad slagseghet.